alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.22-27.079-091alternative-1805Research ArticleV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 13. НаноструктурыV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 13. НаноструктурыВлияние вакансионно-кластерных структур на свойства металловVacancy-Cluster Structures Effecting to Metals PropertiesНовиковВ. И.NovikovV. I.

Новиков Виктор Иванович - кандидат технических наук, руководитель проекта «Металлы и мембраны», лаборатория «Инновационные энергосистемы» (ИЭС) МИСиС.

д. 4, Ленинский пр., Москва, 119049.

тел.: +7(495)955-00-32.

h-index 4

Victor Novikov - Ph.D. in Engineering,  Dir.  of  Metal  and  Membranes Prj, Innovation Energo-Systems (IES) Lab., MISIS.

4 Leninsky Av., Moscow, 119049.

tel.: +7 (495) 955 00 32.

h-index 4

novikov-nanotech@yandex.ruЛевинМ. Н.LevinM. N.

Левин Марк Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, зав. лаборатории «Инновационные энергосистемы» (ИЭС) МИСиС.

д. 4, Ленинский пр., Москва, 119049.

тел.: +7(495)955-00-32.

h-index 8

Mark Levin - D.Sc. in Physics, Professor, Head of Innovation Energo-Systems (IES) Laboratory, MISIS.

4 LeninskyAv., Moscow, 119049.

tel.: +7 (495) 955 00 32.

h-index 8

novikov-nanotech@yandex.ruПевговВ. Г.PevgovV. G.

Певгов Вячеслав Геннадьевич - кандидат физико-математических наук, руководитель проекта «Альтернативные энергосистемы», лаборатория «Инновационные энергосистемы» (ИЭС) МИСиС.

д. 4, Ленинский пр., Москва, 119049.

тел.: +7(495)955-00-32.

h-index 4

Vjacheslav Pevgov - Ph.D. in Physics, Project Manager of Alternative Power Systems, Head of Innovation Energo-Systems (IES) Laboratory, MISIS.

4 LeninskyAv., Moscow, 119049.

tel.: +7 (495) 955 00 32.

h-index 4

novikov-nanotech@yandex.ruУльяновВ. С.UlyanovV. S.

Ульянов Виктор Сергеевич - кандидат технических наук, заместитель заведующего лабораторией «Инновационные энергосистемы» (ИЭС) МИСиС.

д. 4, Ленинский пр., Москва, 119049.

тел.: +7(495)955-00-32.

h-index 2

Viktor Ulyanov - Ph.D. in Control Engineering, Dep. Head of Innovation Enrgo-Systems Laboratory (IES) in  MISIS.

4 Leninsky Av., Moscow, 119049.

tel.: +7 (495) 955 00 32.

h-index 2

novikov-nanotech@yandex.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС» лаборатория «ИЭС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” Department of Innovation Energy Systems “INESYS”Russian Federation201910112019022-277991Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1805

Проведен анализ экспериментальных результатов по влиянию вакансионно-кластерных структур на свойства металлов. Рассмотрены два технологических подхода получения таких структур: компактирование нанопорошков при высоком (до 5 ГПа) гидростатическом прессовании на примере нанопорошка Ni (70 нм) и кристаллизация Al и Pb в условиях высокоинтенсивной пластической деформации [ε′ = (102–104) сек–1] (ВИПД) на границе раздела «твердое – жидкое» в аппарате центробежного литья при скорости вращения ротора до 2 000 об/мин. Обсуждалась физическая модель образования вакансионно-кластерных структур в металлах двумя этими способами. Установлено, что при ВИПД на стадии кристаллизации расплава на фоне высокой стационарной концентрации неравновесных вакансий образуется новый тип элементов структуры – вакансионных кластерных трубок. Проведен сравнительный анализ изменения механических, магнитных и сверхпроводящих свойств структурированных металлов. Определено, что при ВИПД порядка ε′ = (102–104) сек–1  в условиях специально подобранных режимов кристаллизации металла (Al и Pb) в аппаратах высокоскоростного центробежного литья создаются условия для реализации размерного эффекта динамической (сдвиговой) рекристаллизации. Сдвиговая деформация при центробежной кристаллизации вызвана прежде всего большим градиентом температурного поля от периферии (относительно холодной стенки ротора) к расплавленной центральной части ротора. Разность угловых скоростей перемещения части металла, прилегающей к внешней поверхности стенки ротора (уже застывшей), и центральной части (еще в расплавленном состоянии) приводит к высокоинтенсивной деформации [ε′ = (102–104) сек–1] твердой застывшей фазы закристаллизованного расплава металла. Поскольку размеры зерен закристаллизованной фазы в начальный момент составляют порядка десятков нанометров (порядка размера зародыша кристаллизации), возникает возможность для реализации размерного эффекта динамической рекристаллизации «нанокристаллического» затвердевшего металла при высоких скоростях сдвиговой деформации. Образующиеся при этом неравновесные вакансии конденсируются в вакансионные кластеры, которые в поле центробежных сил формируются в виде вакансионных кластерных трубок, вытянутых к центру вращения ротора. Этот процесс протекает в условиях значительно удаленных от равновесных в сравнении с обычной кристаллизацией металла из расплава. Такие процессы могут приводить к образованию высокоупорядоченных неравновесных состояний, характерных для неравновесных открытых систем.

The paper carries out the analysis of the experimental results on the metals property changes under vacancy-cluster structure effects. We have considered two technological approaches of such structures obtaining. The first one is a nanopowders compaction under high (up to 5 GPa) hydrostatic compression, on example of a Ni nanopowder (70 nm). The second one is the Al and Pb crystallization under the high-intensity plastic deformation [ε′ = (102–104) sec–1] (НIPD) conditions on the  solid and liquid  boundary in the centrifugal casting machine with rotary speed up to 2000 rpm. Using the method of atomic force microscopy, vacancy cluster tubes (VCT) with average diameters of 39 nm for Al and 25 nm for Pb have been detected in the crystallized volume of Al and Pb metals. The paper discusses the physical model of a new substructure formation within the metals in the form of vacancy cluster tubes obtained in the process of HIPD during the process of mass crystallization of Al and Pb and the changes in the mechanical, magnetic, and superconducting properties of the above metals, which followed this process. During Al and Pb crystallization under  HIPD range about [ε′ = (102–104) sec–1] with specially selected modes of metals crystallization in high-speed centrifugal casting machine, the special conditions are being created to achieve the dimensional effect of dynamic (shifting) recrystallization. Shifting deformation during centrifugal crystallization caused primarily by a large incline of the temperature field from the periphery (relative to the cold wall of the rotor) to the molten central part of the rotor. The difference in the angular velocities of the already frozen part of the metal (adjacent to the outer surface of the rotor wall) and the central part where the metal still remains in the molten state leads to a high-intensity deformation [ε′ = (102–104) sec–1] of the crystallized metal melt solidified phase. Since the grain sizes at the crystallized phase initially comprise around tens of nanometers (approximately crystal nucleation size), it becomes possible to achieve the dimensional effect of the dynamic re-crystallization of a “nanocrystalline” solidified metal at high shift of strain velocities. The “non-equilibrium vacancies” formed this way condense into vacancy clusters, which are formed in the centrifugal force field in the form of vacancy-shaped cluster tubes stretched out to the center of rotation of the rotor. The process proceeds under conditions far from the equilibrium in comparison with the usual crystallization of the metal from the melt. Such processes can lead to the formation of highly ordered non-equilibrium states characteristic of non-equilibrium open systems.

вакансионные кластерывакансионно-кластерная структураинтенсивная пластическая деформациядинамическая рекристаллизациянеравновесные вакансиивакансионные кластерные трубкитвердофазная перекристаллизацияvacancy clustersvacancy-cluster structureintense plastic deformationdynamic recrystallizationnon-equilibrium vacanciesvacancy cluster tubessolid-phase recrystallizationАвторы статьи выражают благодарность доктору технических наук В.В. Челнокову за предоставленные данные (рис. 11–13)The authors of the article are grateful to D.Sc. V.V. Chelnokov for the data provided (Fig. 11–13)ReferencesНовиков, В.И. Размерный эффект рекристаллизации / В.И. Новиков [и др.] // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1986. – № 1. – С. 134–139.Novikov V.I., Trusov L.I., Gryaznov V.G. Dimensional effect of recrystallization. Surface (Razmernuy effect rekristallizatsii). Physics, chemistry, mechanics, 1986;(1):134–139 (in Russ.).Новиков, В.И. Образование неравновесных вакансий в ультрадисперсном порошке никеля при пластическом течении под давлением / В.И. Новиков [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 1984. – Т. 57. – Вып. 4. – С. 718–721.Novikov V.I., Lapovok V.N., Svirida S.V. Formation of nonequilibrium vacancies in ultrafine Nickel powder under plastic flow under pressure (Obrazovanie neravnovesnih vakansii v ultradispersnom poroshke nikelya pri plasticheskom techenii pod davleniem). Physics of metals and metallurgy, 1984;57(4):718–722 (in Russ.).Новиков, В.И. Твердофазные превращения, инициированные мигрирующими границами» Сб. Рост кристаллов, под. ред. Е.Я. Гиваргизов и С.А. Гринберг: Т. 17 / В.И. Новиков, Л.И. Трусов, В.Г. Грязнов. – М.: Наука, 1988. – С. 69–86.Novikov V.I., Trusov L.I., Gryaznov V.G. Solid-phase transformations, initiated by the migrating boundaries (Tverdofaznye prevrasheniya, initsiirovannie migriruyshimi granicami): Vol. 17. Sat. The growth of crystals. Ed. Givargizov E.I. and Greenberg S.A. Moscow: Science Publ., 1988; pp. 69–86 (in Russ.).Трусов, Л.И. Рекристаллизация в ультрадисперсных системах. Физикохимия ультрадисперсных систем / Л.И. Трусов. – М.: Наука. 1987. – С. 67–74.Trusov L.I., Novikov V.I., Lopukhov Y.A., Lapovok V.N. Recrystallization in ultrafine systems (Rekristallizatsiya v ultradispersnih sistemah). Physicochemistry of ultradispersed systems. Moscow: Science Publ., 1987; pp. 67–74 (in Russ.).Гегузин, Я.Е. Об особенности рекристаллизации ультрадисперсных порошков при спекании» / Я.Е. Гегузин [и др.] // Физика металлов и металловедение. – 1983. – Т. 55. – Вып. 4. – С. 768–773.Geguzin J.E., Paritskaya L.N., Bogdanov V.V., Novikov V.I. The features of recrystallization of ultrafine powder during sintering (Ob osobennostyah rekristallizatsii ulttradispersnih poroshkov pri spekanii). Physics of metals and metallurgy, 1983;55(4):768–773 (in Russ).Лаповок, В.Н. Образование неравновесных вакансий при рекристаллизации ультрадисперсного порошка никеля / В.Н. Лаповок [и др.] // ФТТ. – 1983. – Т. 25. – Вып 6. – С. 1846–1848.Lapovok V.N., Novikov V.I., Svirida S.V. Formation of nonequilibrium vacancies during recrystallization of ultrafine powder of Nickel (Obrazovanie neravnovesnih vakansiy pri rekristallizatsii ultradispersnogo poroshka nikelya). Solid State Physics,1983;25(6):1846–1848 (in Russ.).Горелик, С.С. Образование вакансий при рекристалллизации / С.С. Горелик, М.С. Блантер // Изв. АН СССР. Металлы. – 1982. – № 2. – С. 90–93.Gorelik S.S., Blanter M.S. Formation of vacancies at recrystallization (Obrazovanie vakansiy pri rekristallizatsii). Izv. USSR Academy of Sciences. Metals, 1982;(2):90–93 (in Russ.).Глейтер, Г. Большеугловые границы зерен / Г. Глейтер, Б. Чалмерс. – М.: Мир, 1975. – 374 с.Gleiter G., Chalmers B. Large-angle grain boundaries (Bolsheugloviye granici zeren). Moscow: Mir Publ., 1975; p. 374 (in Russ.).Иевлев, В.М. Тонкие пленки неорганических материалов: механизм роста и структура: учеб. пособие / В.М. Иевлев. – Воронеж: Изд. ВГУ, 2008. – 496с.Ievlev V.M. Thin films of inorganic materials: growth mechanism and structure: studies (Tonkie plenki neorganicheskih materialov: uchebnoe posobie). Benefit. Voronezh: VSU Publ., 2008; p. 496 (in Russ.).Косевич, В.М. Структура межкристаллитных и межфазных границ / В.М. Косевич. – М.: Металлургия, 1980. – 256 с.Kosevich W.M., Ievlev V.M., Palatnik L.S., Fedorenko A.I. Structure of intergranular and interphase boundaries (Struktura mezhkristallitnih i mezhfaznih granits). Moscow: Metallurgy Publ.. 1980; p. 256 ( in Russ.).Новиков, В.И. и др. Эффект дилатации в ультрадисперсном поликристалле никеля при рекристаллизации / В.И. Новиков [и др.] // Физика твердого тела. – 1986. – Т. 28. – № 4. – С. 1251–1254.Novikov V.I., Ganelin V.Ya., Trusov L.I. The effect of dilatation in the ultrafine crystal recrystallization in nickel (Effekt dilatatsii v ultradispersnom polikristalle nikelya). Solid State Physics, 1986;28(4):1251–1254 ( in Russ.).Фридель, Ж. Дислокация / Ж. Фридель. – М.: Мир, 1967. – 643 с.Friedel J. Dislocations (Dislokatsiya). Moscow: Mir Publ., 1967; p. 643 ( in Russ.).Новиков, В.И. Торможение рекристаллизации ультрадисперсного порошка Ni при высоком гидростатическом давлении / В.И. Новиков [и др.] // Металлофизика. – 1986. – Т. 8. – Вып. 2. – С. 111–113.Novikov V.I., Ganelin V.Ya., Trusov L.I. Inhibition of recrystallization of ultrafine Ni powder under high hydrostatic pressure (Tormozhenie rekristallizatsii ulttradispersnogo poroshka Ni pri visokom gidrastaticheskom davlenii). Physics of metals, 1986;8(2):111–113 (in Russ.).Трусов, Л.И. Деформация Ni с ультрадисперсной структурой / Л.И. Трусов [и др.] // Металлофизика. – 1988. – Т. 10. – № 1. – С. 104–107.Trusov L.I., Novikov V.I., Repin I.A., Kazilin E.E., Ganelin V.Ya. Deformation of Ni ultrafine structure (Deformatsiya Ni s ulttradispersnoi strukturoi). Physics of metals, 1988;10(1):104–107 (in Russ.).Trusov, L.I. Low temperature stress relaxation of nanocrystalline nickel / L.I. Trusov [et al.] // Journal of Materials Science. – 1995. – Vol. 30. – No. 11. – P. 2956–2961.Trusov L.I., Khvostantseva T.P., Solov'ev V.A., Mel'nikova V.A. Low temperature stress relaxation of nanocrystalline nickel. Journal of Materials Science, 1995;30(11):2956–2961.Trusov, L.I. Stress relaxation following heating of nanocrystalline nickel / L.I. Trusov [et al.] // Nanostructured Materials. – 1994. – Vol. 4. – No 7. – P. 803–813.Trusov L.I., Khvostantseva T.P., Solov'ev V.A., Mel'nikova V.A. Stress relaxation following heating of nanocrystalline nickel. Nanostructured Materials, 1994;4(7):803–813.Валиев, Р.З. Температура Кюри и намагниченность насыщения никеля с субзернистой структурой / Р.З. Валиев [и др.] //Письма ЖТФ. – 1989. – Т. 15. – Вып. 1. – С. 78–81.Valiev R.Z., Mulikov Z.Z.,Mulikov H.Y., Novikov V.I., Trusov L.I. Curie temperature and saturation magnetization of Nickel with subgrain structure (Temperatura Kurii namagnichennost nasischeniya nikelya s subzernistoy strukturoi). Technical physics letters, 1989;15(1):78–81 (in Russ.).Тарасов, Ю.И. Разработка новых структурированных материалов для авиационно-космической промышлености / Ю.И. Тарасов [и др.] // Cб. научн. ст. по материалам V Международной науч.-практ. конф. «Академические Жуковские чтения» (22–23 ноября 2017 г). – Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2018. – С. 255–257.Tarasov Y.I., Kryachko V.V., Novikov V.I. Development of new structured materials for aerospace industry (Razrabotka novih strukturirovannih materialov dlya aviatsionno-kosmicheskoy promishlennosti). Sat. scientific. article on the materials of the V International scientific.-prakt. Conf. "Academic Zhukovsky Reading", 22–23 Nov 2017. Voronezh: VUNTS VVS "VVA", 2018; pp. 255–257 ( in Russ.).Тарасов, Ю.И. Особенности структурирования при массовой кристаллизации расплавов Al и Pb в условиях высокоинтенсивной пластической деформации при центрифугировании / Ю.И. Тарасов, В.В. Крячко, В.И. Новиков // Конденсированные среды и межфазные границы. – 2018. – Т. 20. – № 1. – C. 125–134.Tarasov Y.I., Kryachko V.V., Novikov V.I. Structuring Features at mass crystallization of melts Al and Pb under conditions of high-intensity plastic deformation during centrifugation (Osobennosti strukturirovaniya pri massovoy kristallizatsii rasplavov Al i Pb v usloviyah visokointensivnoy plasticheskoy deformatsii pri tsentrifugirovanii). Condensed matter and interphase boundaries, 2018;20(1):125–134 ( in Russ.)Tarasov, Yu.I. Peculiarities of structuring during the process of mass crystallization of Al and Pb melts under conditions of high-intensity plastic deformation during centrifugation / Yu.I. Tarasov, V.V. Kryachko, V.I. Novikov // Book of abstract of the XIV International Conference on Nanostructured Materials (NANO 2018) 24–29 June, 2018, «City University of Hong Kong». – P. 57.Tarasov Y.I., Kryachko V.V., Novikov V.I. Peculiarities of structuring during the process of mass crystallization of Al and Pb melts under conditions of high-intensity plastic deformation during centrifugation. Book of abstract of the XIV International Conference on Nanostructured Materials (NANO 2018) 24–29 June, 2018. "City University of Hong Kong", 2018; p. 57.Novikov, V.I. Peculiarities of structuring during the process of mass crystallization of Al, Pb, Zn melts under conditions of high-intensity plastic deformation (HIPD) during centrifugation / V.I. Novikov // 2018 Russia Advanced Technology Transfer Matchmaking Conference and ACCICB International ST Project Meeting. Sep. 25, 2018. Beijing. – P. 12–15.Novikov V.I. Peculiarities of structuring during the process of mass crystallization of Al, Pb, Zn melts under conditions of high-intensity plastic deformation (HIPD) during centrifugation. 2018 Russia Advanced Technology Transfer Matchmaking Conference and AC-CICB International ST Project Meeting. Sep. 25, 2018. Beijing; pp. 12–15.Новиков, В.И. К физической модели образования вакансионных кластерных трубок и изменений свойств металлов при центробежном динамическом литье / В.И. Новиков [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – № 15–18. – С. 96–103.Novikov V.I., Spitsyn B.V., Soloviev E.M. The physical model of the formation of vacancy cluster of tubes and change the properties of metals at dynamic centrifugal casting (K fizicheskoi modeli obrazovaniya vakansionnih klasternih trubok ii zmenenie svoystv mettallov pri tsentrobezhnom dinamicheskom lit'e). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2016;(15–18):96–103 (in Russ.).Tarasov, Yu. The Vacancy Cluster Tubes Formation and Metal Properties Changes After Dynamic Centrifugal Casting // Yu.I. Tarasov, V.V. Kryachko, V.I. Novikov // American Journal of Modern Physics. – 2018. – Vol. 7. – No. 6. – P. 194–202.Tarasov Y.I., Kryachko V.V., Novikov V.I. The vacancy cluster tubes formation and metal properties changes after dynamic centrifugal casting. American Journal of Modern Physics, 2018;7(6):194–202.Хакен, Г. Синергетика: Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах / Г. Хакен. – М.: Мир, 1985. – 419 с.Haken G. Synergetics: Hierarchies of instabilities in selforganizing systems and devices (Ierarhii neustoychivostey v samoorganizuyuschihsya sistemah i ustroystvah). Moscow: Mir Publ., 1985; p. 419.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.