Анотація до роботи:

Брюховецький В.В. Фізичні основи високотемпературної надпластичності – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, м. Харків, Україна, 2005.

Дисертацію присвячено встановленню закономірностей та фізичних основ проявлення ефекту високотемпературної надпластичності.

Встановлено, що високотемпературну надпластичність проявили сплави з матричною структурою, характерною особливістю яких є те, що матричний елемент (Al) має з основними легуючими елементами (Mg, Cu, Li, Si, Ge) або проміжними інтерметалідними фазами діаграми стану евтектичного типа. Сплави проявляють ефект високотемпературної надпластичності тоді, коли вони знаходяться в нерівноважному стані, в умовах, коли в них протікають фазові перетворення, що призводять до появлення в їх структурі метастабільної рідкої фази. Однієї з основних причин зародження і розвитку в ході високотемпературної надпластичної деформації рідкої фази в матричних сплавах може бути ефект контактного плавлення. Показано, що час протікання надпластичної деформації корелює з часом існування рідкої фази.

В результаті проведення комплексних досліджень вирішена поставлена проблема - встановлено закономірності та фізичні основи проявлення ефекту високотемпературної надпластичності. Вивчено вплив зовнішніх факторів (температури та механічного напруження), структурних і фазових перетворень на проявлення високотемпературної надпластичності та виявлено причини, які приводять до проявлення цього ефекту.

Основні наукові і практичні результати можна сформулювати у вигляді таких узагальнюючих висновків:

1. На прикладі сплавів на основі алюмінію (1420, 1421, 1423, 1450, 1460, АМг6, Д16, Al-Mg-Cu-Si, Al-Ge) вивчено закономірності проявлення ефекту високотемпературної надпластичності. Високотемпературну надпластичність проявили сплави з матричною структурою, характерною особливістю яких є те, що матричний елемент (Al) має з основними легуючими елементами (Mg, Cu, Li, Si, Ge) або проміжними інтерметалідними фазами діаграми стану евтектичного типу. Досліджені сплави проявили ефект високотемпературної надпластичності при високих гомологічних температурах, які складають 0,850,96 Т_пл, що завжди є вищим за температури плавлення найбільш легкоплавких евтектик в сплавах.

2. Феноменологічні параметри високотемпературної надпластичності є аналогічні до таких для структурної надпластичності. Залежності видовжень до моменту руйнування d_max, внесків зерномежевого проковзування в загальну деформацію g_ЗГП та показників чутливості напруження плину до швидкості деформації m від напруження і швидкості деформації мають колоколоподібний вигляд з максимумом для оптимальних умов надпластичної деформації. Показник чутливості напруження плину до швидкості деформації m приймає високі значення, які прямують до 1, що свідчить про високу долю в’язкого елементу в розвитку надпластичної деформації в оптимальних умовах плину.

3. Для структурного стану матеріалів, які проявляють високотемпературну надпластичність, як і для структурної надпластичності, є характерною рівновісність зерен і однорідність зеренної структури. На відміну від матеріалів, що проявляють звичайну структурну надпластичність, високотемпературну надпластичність можуть проявляти і матеріали з крупними зернами.

4. Високотемпературна надпластична деформація супроводжується інтенсивним пороутворенням. Об’єм пористості, яка розвивається до моменту руйнування може сягати 30 %. При цьому, як і у випадку звичайної структурної надпластичності, розвивається індивідуальна зерномежева пористість, яка приймає участь у деформаційному процесі надпластичного плину та забезпечує можливість перестановки зерен і позеренного масопереносу - характерних ознак надпластичної деформації. Особливістю структурного стану деформованих в умовах високотемпературної надпластичності сплавів є наявність в них видовжених у напрямку розтягу макроскопічних порожнин та відсутність магістральних тріщин, перпендикулярних до напрямку розтягу, що зумовлено наявністю рідкої фази на межах зерен.

5. Матричні сплави проявляють ефект високотемпературної надпластичності, знаходячись у нерівноважному стані, в умовах, коли в них протікають фазові перетворення, які приводять до виникнення в їх структурі метастабільної рідкої фази. Проявлення високотемпературної надпластичності зумовлене наявністю локальних включень рідкої фази на межах зерен і міжфазних межах.

6. Про наявність в структурі надпластично деформованих сплавів локальних вкраплень рідкої фази свідчить характерний вигляд деформаційного рельєфу, фрактограми зламів зразків і волокнистих утворень, які спостерігаються в приповерхневих деформаційних порах, хімічний склад цих волокон. Концентрація легуючих елементів у волокнах складає величину, яка приблизно відповідає ліквідус. Волокнисті утворення розвиваються зі швидкістю розкриття деформаційних зерномежевих пор. Морфологічні особливості волокон обумовлені поверхневою енергією і в’язкістю розплаву.

7. Причинами виникнення локальних вкраплень рідкої фази може бути плавлення нерівноважних евтектичних складових, перитектичні реакції, плавлення інтерметалідних фаз з низькою температурою плавлення, або частин таких фаз, локальне плавлення твердого розчину на основі алюмінію, який містить підвищену концентрацію легуючих елементів. Локальне плавлення може здійснюватися в ході самої деформації через адіабатичний розігрів. Однією з основних причин зародження і розвитку в ході високотемпературної надпластичної деформації рідкої фази в матричних сплавах може бути ефект контактного плавлення.

8. На прикладі бінарних сплавів вивчено кінетику фазових перетворень, які відбуваються при нагріванні матричних сплавів до температури випробувань надпластичності та під час високотемпературної надпластичної деформації. Встановлено, що рідка фаза в цих сплавах виникає і розвивається за механізмом контактного плавлення, який реалізується на межі розділу між матрицею і вкрапленням. На прикладі бінарного сплаву Al-4мас.%Ge показано, що час протікання надпластичної деформації корелює з часом існування рідкої фази.

9. Показано, що протікання кінетичних процесів в бінарних сплавах, які ведуть до встановлення рівноваги та виникнення метастабільної рідкої фази за механізмом контактного плавлення, може мати місце і в багатокомпонентних системах, до яких відносяться вивчені в роботі складнолеговані сплави на основі алюмінію.

10. Наявність рідкої фази приводить до зміни механізму зерномежевого проковзування, що проявляється в суттєвому збільшенні енергії активації надпластичної деформації ряду досліджених сплавів (АМг6, Al-Mg-Cu-Si). Фізичний смисл таких високих значень енергії активації, незрозумілих в рамках їх трактування з притягненням дифузійних процесів, пояснено в рамках острівцевої рідко-твердої моделі меж зерен, яку запропоновано в цій роботі. Виходячи з цих уявлень, запропоновано модель здійснення зерномежевого проковзування в умовах високотемпературної надпластичності, згідно якої елементарним актом зерномежевого проковзування при наявності вкраплень рідкої фази розглядається зсув, що відбувається в площині рідко-твердої межі одночасно на всій кристалічній ділянці. При цьому енергія активації надпластичної деформації дорівнює енергії плавлення груп атомів кристалічних ділянок меж зерен.

11. Наявність рідкої фази в структурі матричних сплавів призводить до суттєвої зміни їх структурного стану на мезо- та мікрорівнях, що впливає на протікання деформаційних і акомодаційних процесів. Рідка фаза, яка виникає на міжфазних межах матриця-вкраплення, розблоковує гальмуючий впливе цих вкраплень на проковзування меж зерен, де локалізовані ці вкраплення. Локальні місця підплавів постачають рідину на проковзуючі межі, переводячи їх з твердого в твердо-рідкий або ж рідко-твердий стан. Рідка фаза, поширюючись на межах зерен матриці, активізує зерномежеве проковзування, вносячи в нього елемент в’язкого плину рідини. Вичерпання зерномежевої рідкої фази в площині високотемпературної надпластичної деформації приводить до виходу матеріалу зі стану надпластичності. Присутність рідини на межах полегшує процес акомодації форми зерен та приводить до падіння ролі внутрішньозеренного дислокаційного ковзання в акомодації, яке є основним акомодаційним процесом у випадку звичайної структурної надпластичності.

12. У випадку звичайної структурної надпластичності, коли надпластична деформація здійснюється в матеріалі, який знаходиться в твердому стані, тобто при температурі, меншій, ніж температури можливих підплавів, необхідний такий активізований стан межі, щоб вона могла проявляти в’язкі властивості. Такий стан межі може реалізуватися у випадку їх динамічної активності, що має місце при динамічній рекристалізації, міграції меж, при фазових перетвореннях, які розвиваються в ході надпластичної деформації, і, мабуть, зобов’язане збудженому до «рідкоподібного» стану атомів в межі, що рухається. Такий підхід дозволяє прослідити єдність у проявленні надпластичності різних видів.

Уявлення про роль рідкої фази в надпластичності, які були розвинуті в дисертації, розширюють фізичну картину деформаційних процесів, які протікають в твердих тілах при високих температурах, відкривають можливість наукового підходу до управління надпластичними властивостями матеріалів, правильному вибору компонентів для нових надпластичних сплавів та створенню науково обґрунтованих режимів термомеханічної обробки надпластичних матеріалів. Вони також є важливими для прогнозування експлуатаційних властивостей твердотільних матеріалів в умовах їх високотемпературного навантаження. Все це представляє інтерес не тільки для проблеми надпластичності, але і для жароміцності, і взагалі для фізики міцності і пластичності твердих тіл.

Основні результати дисертації опубліковані у роботах:

1. Брюховецкий В.В. О причинах высокотемпературной сверхпластичности крупнозернистого алюминиевого сплава типа "авиаль" // ФММ. - 2001. - Т.92, №1. - С.107-111.

2. Брюховецкий В.В. Эффект жидкой фазы и ее влияние на ресурс сверхпластической деформации // ФММ. - 2004. - Т.98, №3. - С.99-106.

3. Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И., Клепиков В.Ф. Контактное плавление как причина зарождения жидкой фазы в условиях сверхпластичности // Доповіді НАН України. - 2004. - №7. - С.77-82.

4. Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И., Пойда В.П. Развитие пор и миграция границ зерен в условиях высокотемпературной сверхпластической деформации сплавов Al-4%Cu и Al-2%Cu // ФММ. - 2003. - Т.96, №2. - С.106-113.

5. Высокотемпературная сверхпластичность матричных сплавов на основе алюминия / В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.М. Андронов, В.П. Пойда, А.А. Телегин // Металлофиз. новейшие технол. - 1999. - Т.21, № 5. - С.69-74.

6. Влияние морфологии исходной зеренной структуры на анизотропию сверхпластического течения и развитие пористости в алюминиево-литиевых сплавах 1420 и 1423 / В.П. Пойда, В.М. Андронов, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова // Вісник Харківського державного університету. Серія “Фізика”. – 1998. – № 418, вип. 2 – С. 38-42.

7. Сверхпластичные свойства алюминий-литиевого сплава 1421 в области высоких гомологических температур / В.В. Брюховецкий, В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, А.В. Пойда // ФММ. - 2002. - Т.94, №5. - С.105-112.

8. Liquid-phase nucleation and evolution as a cause of
   superplasticity in alloys of the Al-Ge system / V.V. Bryukhovetsky R.I. Kuznetsova, N.N. Zhukov, V.P. Poida and V.F. Klepikov // Phys. Stat. Sol. (a). - 2005. - V.202, N.9. - P. 1740-1750.

9. Энергия активации сверхпластической деформации алюминиевого сплава типа «авиаль» / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Вісник ХНУ, серія "Фізика". – 2003. - № 600, вип.7. - С. 76-82.

10. Формирование и развитие волокнистых образований в ходе сверхпластической деформации матричных алюминиевых сплавов / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда, В.Ф. Клепиков // Металлофиз. новейшие технол. - 2003. - Т.25, № 1. - С.117-132.

11. Сверхпластичность алюминий-литиевого сплава 1460 в области высоких гомологических температур / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // // Металлофиз. новейшие технол. - 2002. - Т.24, №10. - С.1397-1411.

12. Пойда В.П., Кузнецова Р.И., Брюховецкий В.В. Пористость и структурная сверхпластичность материалов // Вопросы атомной науки и техники. Серия “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”. – 1998. – Вып.6 (72). – С. 41-53.

13. Структурные изменения при высокотемпературной сверхпластической деформации алюминиево-литиевого сплава 1460 / А.В. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, Д.Л. Воронов, Т.Б. Любицкая // ФММ. - 2005. - Т.99, №2. - С.105-111.

14. Структурная сверхпластичность, развитие пористости и разрушение конструкционного алюминиево–литиевого сплава 1450 / В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.В. Брюховецкий, Н.К. Ценев, Т.Ф. Сухова // Металлофиз. новейшие технол. – 1999. – Т.21, №6. – С. 17-23.

15. Брюховецкий В.В., Клепиков В.Ф., Кузнецова Р.И. Радиационные факторы и сверхпластичность металлов и сплавов // Вісник Харківського університету, № 463, серія фізична. – 1999, випуск 4(8). - С. 63-66.

16. Влияние морфологии зернограничной несплошности на локализацию сверхпластической деформации сплава Al-Cu-Zr / В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.В. Брюховецкий, Н.К. Ценев, Т.Ф. Сухова // Металлофиз. новейшие технол. – 2001. – Т.23, №8. – С. 1003-1011.

17. Влияние импульсного электронного облучения на параметры сверхпластичности дюралюмина / В.В. Брюховецкий, В.В. Литвиненко, В.Ф. Клепиков, Р.И. Кузнецова, В.П. Пойда, В.Ф. Кившик, В.Т. Уваров // ФиХОМ. – 2002. – № 4. – С. 33-38.

18. Влияние высокой гомологической температуры на процессы порообразования в ходе сверхпластического течения алюминий-литиевого сплава 1420 / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда, В.Ф. Клепиков // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 2002. – №6 (82). – С. 65-68.

19. Пойда В.П., Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И. Влияние исходной волокнистой структуры на структурную сверхпластичность сплава 1420 // Вісник Харківського державного університету. Серія “Фізика.” – 1999. – № 440, вип. 3. – С. 80-84.

20. Динамика развития пор и объединения несплошностей в условиях сверхпластического течения сплавов на основе алюминия / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.М. Андронов, Н.Н. Жуков // Вісник ХНУ. Серія "Физика". - 2000. – № 476, вип.4. - С. 150-155.

21. Энергия активации сверхпластической деформации сплава 1450 системы Al-Cu-Li-Zr / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда, В.Ф. Клепиков // Вісник ХНУ. Серія “фізика”. – 2002. – № 558, вип.4. – С. 102-107.

22. Сверхпластичное поведение сплава АМг6 при высоких гомологических температурах / А.В. Пойда, В.В. Брюховецкий, Д.Л. Воронов, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Металлофиз. новейшие технол. - 2005. - Т.27, №3. - С.319-333.

23. Термоактивационный анализ сверхпластического течения электролитических фольг меди / В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, В.В. Литвиненко, В.Ф. Кившик // Вісник Харківського університету, серія фізична. - 2002. - № 548, вип.1(17). - С.85-88.

24. Изменение структуры и сверхпластичных свойств пластин алюминиевых сплавов воздействием импульсного пучка релятивистских электронов / В.Ф. Клепиков, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, В.В. Литвиненко, В.П. Пойда, В.Ф. Кившик, В.Т. Уваров // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение". - 2003 - № 6 (84). - С.86-88.

25. Структурные изменения в сплавах на основе алюминия при высокотемпературной сверхпластической деформации / А.В. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Доповіді НАН України. - 2005. - №4. - С.72-76.

26. Миграция границ зерен и зернограничное проскальзывание в условиях сверхпластической деформации / В.В. Брюховецкий, В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение". - 2005 - № 3 (86). - С.47-50.

27. Высокотемпературная структурная сверхпластичность алюминиевых сплавов и композитных материалов на их основе / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда // Вісник Сумського державного університету. Серія: фізика, математика, механіка. - 2005. - №4(76). - С.5-44.

28. Влияние облучения на сверхпластическую деформацию сплава на основе алюминия типа “авиаль” / В.Ф. Клепиков, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.П. Пойда, Н.И. Базалеев, В.Ф. Кившик, В.В. Уваров, Н.И. Гапоненко // Вопросы атомной науки и техники. Серия “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”. – 2001 – №2 (79). – С. 31-33.

29. Механизм формирования и развития волокнистых образований в ходе высокотемпературной сверхпластической деформации промышленных алюминиевых сплавов / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, Д.Л. Воронов, А.П. Крышталь, Т.Б. Любицкая, А.Л. Самсоник // Вісник ХНУ. Серія “фізика”. – 2005. – № 651, вип.8. – С. 117-129.

30. Пойда В.П., Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И. Порообразование в конструкционных алюминиево–литиевых сплавах в ходе сверхпластической деформации // IV .Международная школа – семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах». Тезисы докладов. 2 – 7 сентября 1998 г. – Барнаул. – 1998. – С. 55.

31. Причины проявления эффекта высокотемпературной сверхпластичности алюминиевыми сплавами / В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.П. Пойда, В.М. Андронов // V Международная школа–семинар “Эволюция дефектных структур в конденсированых средах” (EDS¹2000). – г. Барнаул, Россия. – 24–28 июня 2000г. – С. 103.

32. Структурная сверхпластичность сплава 1460 системы Al-Li-Cu-Zr-Sc / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда // Материалы 5-й Международной конференции «Физические явления в твердых телах». 25-26 октября 2001г.– Харьков, 2001.– С.30.

33. Формирование и развитие волокнистых образований в условиях высокотемпературной структурной сверхпластической деформации алюминиевых сплавов / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Р.И. Кузнецова, Д.Л. Воронов // Тезисы XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» 30 сентября – 3 октября 2003г.– Тольятти, 2003.– С. 2.20.

34. Развитие пористости, нитевидных образований и разрушение алюминиевого сплава 1460 в условиях высокотемпературной сверхпластической деформации / В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Д.Л. Воронов, В.Ф. Клепиков // Тезисы XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» 30 сентября – 3 октября 2003г.– Тольятти, 2003.– С. 2.40.

35. Пойда В.П., Брюховецкий В.В. Высокотемпературная структурная сверхпластичность алюминиевых сплавов // Материалы 6-й Международной конференции «Физические явления в твердых телах». 28 – 29 октября 2003г.– Харьков, 2003.– С. 47.

36. Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И., Клепиков В.Ф. Роль контактного плавления в сверхпластичности. // Тез. докл. ХLIІІ Международной конференции “Актуальные проблемы прочности” 27 сентября – 1 октября 2004 г., Часть II. – Витебск. – 2004.– С. 119.