Влияние вакансионно-кластерных структур на свойства металлов

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.

1. Новиков, В.И. Размерный эффект рекристаллизации / В.И. Новиков [и др.] // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1986. – № 1. – С. 134–139.

2. 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.

3. 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.

4. Трусов, Л.И. Рекристаллизация в ультрадисперсных системах. Физикохимия ультрадисперсных систем / Л.И. Трусов. – М.: Наука. 1987. – С. 67–74.

5. 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.

6. 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.

7. Горелик, С.С. Образование вакансий при рекристалллизации / С.С. Горелик, М.С. Блантер // Изв. АН СССР. Металлы. – 1982. – № 2. – С. 90–93.

8. Глейтер, Г. Большеугловые границы зерен / Г. Глейтер, Б. Чалмерс. – М.: Мир, 1975. – 374 с.

9. Иевлев, В.М. Тонкие пленки неорганических материалов: механизм роста и структура: учеб. пособие / В.М. Иевлев. – Воронеж: Изд. ВГУ, 2008. – 496с.

10. Косевич, В.М. Структура межкристаллитных и межфазных границ / В.М. Косевич. – М.: Металлургия, 1980. – 256 с.

11. 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.

12. Фридель, Ж. Дислокация / Ж. Фридель. – М.: Мир, 1967. – 643 с.

13. 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.

14. Трусов, Л.И. Деформация Ni с ультрадисперсной структурой / Л.И. Трусов [и др.] // Металлофизика. – 1988. – Т. 10. – № 1. – С. 104–107.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. Хакен, Г. Синергетика: Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах / Г. Хакен. – М.: Мир, 1985. – 419 с.