Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Выполнен первый этап работы по созданию банка экспериментальных данных по фрагментированным структурам, формирующимся в ходе интенсивной пластической деформации в металлах, различающихся типом кристаллической решётки, энергией дефекта упаковки и температурой плавления. Получены данные для Al, Cu и Fe, продеформированных в интервале гомологических температур от 0.17 до 0.41, интервале величин деформаций от 1 до 2 скоростей дефомации от 10 до 1000000 обратных секунд при трёх вариантах схем нагружения-всего 48 состояний (16 вариантов интенсивной пластической деформации для каждого из трёх металлов). Проведён полный цикл экспериментов по анализу морфологических и кристаллогеометрических особенностей фрагментированных структур деформационного происхождения методами оптической металлографии и растровой электронной микроскопии (включая EBSD анализ) для двенадцати состояний. Проведено детальное изучение фрагментированной структуры и спектров разориентировок материалов неразъемных соединений Сu-Сu, Al-Al и Fe-Fe, полученных сваркой взрывом. Показано, что: - При сварке взрывом пластическая деформация металла крайне неоднородно распределена по сечению сварного соединения и резко нарастает по мере приближения к поверхности контакта свариваемых пластин. На участках, непосредственно прилегающих к поверхности контакта, для всех изученных соединений обнаружено явление аномальной локализации пластического течения металла, которое на макроуровне реализуется в виде образования и развития вихреподобных пластических струй, а на мезоуровне - в формировании ярко выраженной фрагментированной структуры, тем более совершенной, чем ближе к поверхности контакта располагается анализируемый участок. -Наряду с этими общими для всех изученных соединений Сu-Сu, Al-Al и Fe-Fe закономерностями развития фрагментированных структур, наблюдаются различия, обусловленные особенностями физико-механических свойств свариваемых металлов. В случае соединения Cu-Cu существенный вклад в структурообразование дает динамическое деформационное двойникование. Установлено, что при деформации со сверхвысокими скоростями порядка одной обратной микросекунды оно увеличивает деформационное упрочнение меди по сравнению с деформацией ее при обычных скоростях. - В соединении Fe-Fe на некоторых участках, непосредственно прилегающих к области контакта, наблюдаются узкие слои мелкозернистой рекристаллизованной структуры с размером зерна ~ 1 мкм. И уже к ним примыкают фрагментированные мезополосы. - В соединении Al-Al наблюдается существенное увеличение размеров и округление фрагментов. Предложена физическая модель формирования на стыках большеугловых границ зёрен оборванных дислокационных границ – частичных дисклинаций деформационного происхождения. Модель объясняет, почему и каким образом в поликристаллах, пластическая деформация которых на микроуровне осуществляется исключительно посредством трансляционных сдвигов, на мезоуровне при деформации >0.2 с необходимостью образуются дефекты ротационного типа. Проведено компьютерное моделирование кинетики дислокационного ансамбля в деформируемом трикристалле, содержащем стыковую дисклинацию деформационного происхождения и выявлены условия для формирования статистически устойчивых оборванных дислокационных границ. В рамках статической и кинетической моделей определена зависимость критической мощности стыковой дисклинации деформационного происхождения, при которой образуются устойчивые границы, от ориентации систем скольжения и величины внешнего напряжения. Показано, что в условиях кинетики устойчивые стенки формируются при значениях мощности стыковой дисклинации в два-три раза меньше, чем в статической модели. Разработана методика компьютерного моделирования спектров разориентировок границ деформационного происхождения в материалах, в формировании структуры которых принимают участие несколько одновременно протекающих различных физических процессов образования разориентированных структур, в том числе большеугловых границ, возникающих в результате фрагментации, рекристаллизации, фазовых превращений, двойникования и т.д.. Методика базируется на моделировании парциальных спектров разориентировок, каждый из которых отвечает границам, образовавшимся в результате действия особого механизма и описывается присущей только ему функцией распределения. Линейная суперпозиция этих парциальных спектров определяет общее распределение разориентировок. Впервые на примере железа показано, что существенный вклад в формирование в спектр разориентировок границ деформированных материалов, испытывающих фазовые превращения, вносят кристаллографически обусловленные границы. Учет этого эффекта позволяет с высокой точностью описать спектры разориентировок границ.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Выполнен полный цикл экспериментов по анализу морфологических и кристаллогеометрических особенностей фрагментированных структур деформационного происхождения в металлах, различающихся типом кристаллической решетки, энергией дефекта упаковки, температурой плавления (Al, Cu, Fe), продеформированных при различных схемах и режимах интенсивной пластической деформации (всего 23 структурных состояния): - медь технической чистоты после одноосного сжатия со скоростью 10 1/с до истинных деформаций 1, 1.5 и 2 при температурах 20, 150 и 300 градусов Цельсия в модуле Hydrawedge на комплексе Gleeble-3800 (всего 9 состояний); - армко-железо после многоосевой деформации (2D-ковка) в модуле MAXStrain на комплексе Gleeble-3800 до степеней деформации 1, 3 и 5 при комнатной температуре (всего 3 состояния); - медь технической чистоты (после 1, 2 и 4 проходов), армко-железо (после 1 и 2 проходов) и алюминий технической чистоты (после 1 и 4 проходов), после деформации методом динамического канального прессования (всего 7 состояний) - медь технической чистоты (после 1 и 2 проходов) продеформированная методом статического равноканального прессования по маршрутам 1А (истинная деформация 0.88), 2А и 2В (истинная деформация 1.76) при комнатной температуре и по маршруту 1А при температуре 350 градусов Цельсия (всего 4 состояния). Для каждого из перечисленных 23-х состояний методами EBSD проведено исследование структур деформационного происхождения, включающее в себя: картографирование и получение гистограмм распределений фрагментов по разориентировкам, форме и размерам. Особое внимание уделялось подробному изучению гистограмм распределения разориентировок. Показано, что найденные распределения разориентировок фрагментов представляют собой наложение нескольких парциальных спектров. Первый из них представляет собой малоугловой пик, расположенный в интервале от 1 до 15 градусов с максимумом вблизи 8- 10 градусов. Второй - "среднеугловой" парциальный спектр, расположенный в интервале углов разориентировок от 0 до 60 градусов, с максимумом в районе 45 градусов, обусловлен фрагментацией большеуловых границ зерен исходного кристалла. Третий парциальный спектр разориентировок, расположенный вблизи 60 градусов, связан с фрагментацией двойниковых границ - исходно существовавших в кристалле, либо появившихся в нём на определённом этапе деформации в результате деформационного двойникования. Четвертый пик проявляется только в металлах, испытывающих полиморфные фазовые превращения и связан с фрагментацией кристаллографически обусловленных границ. Установлено, что парциальные вклады перечисленных механизмов фрагментации зависят от физических свойств и типа кристаллической структуры пластически деформируемого металла , а также от температурно-скоростных режимов его деформации. Идентификация парциальных механизмов фрагментации и определение величины их парциальных вкладов являлась одной из основных задач проекта. Для всех изученных состояний обнаружена общая закономерность – формирование при больших пластических деформациях морфологически подобных фрагментированных структур и наличие на гистограммах разориентировок характерного малоуглового пика. Установлено, что его появление обусловлено процессом фрагментации объёма зёрен исходного поликристалла. Одинаковость формы и расположения на оси разориентировок этого пика для металлов, различающихся типом кристаллической решётки и энергией дефекта упаковки, термодинамическими и механическими свойствами, пластически деформируемыми по разным технологическим схемам, при разных температурах, со скоростями, различающимися на пять порядков величины, указывают на универсальность явления фрагментации. Разработана методика определения локальной деформации в данном конкретном месте образца , основанная на анализе разориентировок на границах генетически связанных с исходными двойниками. Проведено компьютерное моделирование начальных стадий фрагментации. Показано, что при различных способах генерации решеточных дислокаций (генерация дислокационных петель в объеме или испускание дислокаций границами зёрен) характер пластического течения в зёрнах поликристалла и закономерности процесса формирования в них разориентированных структур, принципиально не меняются. Показано, что в общем случае оборванные дислокационные границы деформационного происхождения имеют сложную морфологию и могут быть представлены в виде суперпозиции непосредственно примыкающих к изломам фасеток прямолинейных оборванных дислокационных границ, формирующихся в упругом поле линейных мезодефектов (стыковых дисклинаций деформационного происхождения), и примыкающих к ним изогнутых оборванных дислокационных субграниц, располагающихся вдоль участков изолиний нулевых внутренних напряжений, создаваемых системой планарных мезодефектов, расположенных на фасетках большеугловой границы зерна. Показано хорошее соответствие результатов моделирования с экспериментальными данными по наблюдению разориентированных структур деформационного происхождения в армко-железе, продеформированном путем плоского сжатия до величины истинной деформации ε = 1. Предложена качественная модель начальных этапов процесса фрагментации. Показано, что образование фрагментированной структуры представляет собой самовоспроизводящейся (автомодельный) процесс взаимодействия трансляционных микро (решёточные дислокации) и ротационных мезо (частичных дисклинаций деформационного происхождения) дефектов. Определены области существования устойчивых кинетически сформированных в процессе пластической деформации вблизи стыковых дисклинаций оборванных дислокационных границ в пространстве силовых и геометрических параметров задачи (мощность дисклинации, величина внешнего напряжения и углы, задающие ориентации оси растяжения и плоскостей скольжения решеточных дислокаций).

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Методами оптической и высокоразрешающей электронной микроскопии проведены исследования закономерностей формирования и особенностей строения фрагментированных структур деформационного происхождения в металлах, различающихся типом кристаллической решетки, энергией дефекта упаковки, температурой плавления (Al, Cu, Fe), продеформированных при различных схемах и режимах интенсивной пластической деформации: - медь технической чистоты после 2D-ковки со скоростью деформации 10 (1/с) до степеней деформации 1, 3 и 5 при комнатной температуре; - армко-железо после одноосного сжатия со скоростью деформации 10 (1/с) до истинной деформации 2 при комнатной температуре; - алюминий технической чистоты и армко-железо (после 1 и 2 проходов) продеформированных со скоростью деформации 10^-2 (1/с) методом статического равноканального углового прессования (РКУП) по маршрутам 1А (истинная деформация 0.88), 2А и 2В (истинная деформация 1.76) при комнатной температуре; - алюминий технической чистоты после одноосного сжатия со скоростью деформации 10 (1/с) до степеней деформации 1, 1.5, 2 при температурах 20, 100 и 200 градусов Цельсия; - алюминий технической чистоты после 2D-ковки со скоростью деформации 10 (1/с) до степеней деформации 1, 3 и 5 при температуре 200С; Для всех перечисленных выше 22-х фрагментированных состояний проведено компьютерное моделирование распределений разориентировок фрагментов, которое базируется на расчете парциальных вкладов всех действующих механизмов фрагментации и описании полного спектра разориентировок в виде линейной суперпозиции парциальных вкладов. Установлено, что фрагментированная структура деформационного происхождения образуется в результате суперпозиции двух принципиально разных физических процессов: фрагментации объёма исходно однородно ориентированного кристалла (или отдельных его частей) и фрагментации исходно находящихся в нём большеугловых границ зёрен (или двойников). Соответственно, каждая из всех проанализированных фрагментированных структур деформационного происхождения в сущности являлась суперпозицией двух составляющих: границ фрагментов, образовавшихся и эволюционирующих под воздействием продолжающейся пластической деформации в объёме кристалла, и границ фрагментов, образовавшихся и эволюционирующих на исходных большеугловых границах. После больших деформацией границы фрагментов, принадлежащие этим двум подсистемам, морфологически трудно различимы. Однако на гистограммах распределения разориентировок они распознаются однозначно, поскольку при ε ≈ 1-2 границы, эволюционирующие в объеме, в основном сосредоточены в области θ<20 градусов, а границы, образовавшиеся и эволюционирующие на исходных большеугловых границах , - в области θ>20 градусов. Показано, что зарождение границ фрагментов в объёме пластически деформируемого кристалла, происходит в узкой приграничной зоне, где вблизи стыков и изломов зерен формируются специфические мезодефекты в виде оборванных дислокационных границ деформационного происхождения длиной ~ 0,1 мкм с разориентировками θ ≈ (1-2) градуса. По мере продолжающейся пластической деформации эти зародышевые оборванные дислокационные границы деформационного происхождения постепенно увеличивают свою длину и разориентировку. Впервые идентифицирован и описан элементарный механизм, позволяющий в ходе продолжающейся пластической деформации из набора непрерывно увеличивающих свою протяжённость плоских и параллельных друг другу оборванных дислокационных границ деформационного происхождения формировать двух и трёхмерные конструкции реальных фрагментированных структур. Таким механизмом оказалось ветвление растущих оборванных дислокационных границ. Морфологически ветвление проявляется в том, что на определённом этапе подрастания оборванной дислокационной границы деформационного происхождения, плоскость её залегания резко меняется: граница либо резко изгибается, либо разветвляется на два разнонаправленных рукава. Системный анализ всей совокупности полученных в рамках проекта экспериментальных данных позволил выявить следующие закономерности влияния на особенности процесса фрагментации в Al, Fe, Cu схемы деформации, скорости деформации и температуры. - Влияние схемы деформации. Фрагментированные структуры, полученные в меди и железе путем РКУП, являются более мелкодисперсными (средний размер фрагмента меньше), чем структуры, полученные путем одноосного сжатия. В то же время, параметры спектра разориентировок при одинаковой температуре деформации практически одинаковы. Фрагментация при 2D-ковке значительно меньше, чем после одноосного сжатия (и тем более, после углового прессования), причем эта тенденция усиливается при увеличении степени деформации. Распределение разориентировок после 2D-ковки отличается более низкими значениями доли большеугловых границ и средней разориентировки по сравнению со сжатием и угловым прессованием. - Влияние скорости деформации На примере меди, продеформированной методами статического РКУП и динамического канального углового прессования (ДКУП) показано, что при РКУП меди фрагментация осуществляется в основном за счет зарождения и развития дислокационных границ и постепенного увеличения разориентировок между фрагментами. Деформационное двойникование также имеет место, но вклад его не превышает 2-4%. При ДКУП двойникование играет более существенную роль, его вклад - около 10%. При этом вклад двойникования в измельчение зерна, то есть в формирование большеугловых границ, является доминирующим. Доля большеугловых границ деформационного происхождения при ДКУП меди выше, чем при РКУП, что в особенности проявляется на первом проходе. При РКУП фрагментация меди происходит более интенсивно при использовании маршрута Б, при этом средний размер фрагмента оказывается примерно таким же, как после 2 проходов ДКУП. Показано, что в крупнозернистом алюминии при ДКУП происходит деформационное двойникование. После 1 прохода мезоскопические деформационные двойники толщиной от 3 до 20 микрометров возникают преимущественно вблизи границ зерен. Фрагментация по механизму образования оборванных дислокационных границ при ДКУП не создает большеугловых границ деформационного происхождения после первого прохода. В этих условиях двойникование является основным механизмом измельчения зеренной структуры. При этом степень фрагментации алюминия при РКУП значительно выше, чем при ДКУП, хотя при РКУП алюминия двойникования, естественно, не наблюдается. В случае армко-железа, результат в части влияния скорости сдвиговой деформации противоположен тому, что получается для меди: фрагментация железа при ДКУП происходит значительно слабее, чем при РКУП. Это касается и доли большеугловых границ зерен, и, в особенности, среднего размера фрагмента: после 2 проходов РКУП доля большеугловых границ примерно вдвое выше, а размер зерна втрое меньше. - Влияние температуры. Результаты, полученные при сжатии меди, показывают, что повышение гомологической температуры от 0.2 (комнатная температура) до 0.3 (150С) практически не влияет на распределение разориентировок. Однако дальнейшее повышение гомологической температуры до 0.4 (300С) приводит к уменьшению удельной длины границ деформационного происхождения во всем диапазоне углов разориентировки. Аналогичный эффект температуры деформации наблюдается при РКУП меди (прессование проводили при гомологических температурах 0.2 и 0.45 (350С). Кроме того, понижение двойникового пика при 350С по сравнению с комнатной температурой показывает, что вклад двойникования, которое играет заметную роль при РКУП в условиях комнатной температуры, при повышении температуры уменьшается. В армко-железе, в отличии от меди, не происходит значимого изменения в распределении разориентировок при повышении гомологической температуры деформации от 0.16 (20С) до 0.37 (400С). Проведено компьютерное моделирование кинетики накопления стыковых дисклинаций деформационного происхождения и планарных мезодефектов и формирования оборванных дислокационных границ для случаев одноосного сжатия би-кристаллов и три- кристаллов с различным числом действующих систем скольжения. Показано, что мощность стыковых дисклинаций, запускающих процессы формирования оборванных дислокационных границ деформационного происхождения, сначала растёт по мере увеличения деформации, а затем при величинах истинной деформации порядка 0,2 выходит на постоянное значение, величина которого зависит от геометрии решеточного скольжения и увеличивается с ростом внешнего напряжения. Увеличение числа действующих систем скольжения в модельных поликристаллах приводит к уменьшению стационарной мощности стыковых дисклинаций. Рассчитанные при компьютерном моделировании значения мощности стыковых дисклинаций порядка 1 ̶ 2 градусов хорошо согласуются с экспериментальными измерениями. Показано, что по мере увеличения мощности стыковых дисклинаций в процессе деформации в приграничных областях зерна активируются аккомодационные системы скольжения, актуальные для суммарного поля внутренних и внешних напряжений. Когда интенсивность аккомодационных систем скольжения превышает некоторую критическую величину, в вершине сопрягающихся фасеток исходной большеугловой границы зерна или в стыке зерен, происходит зарождение оборванной дислокационной границы. При удалении оборванной дислокационной границы в процессе роста от границы зерна на некоторое критическое расстояние она резко меняет направление своего роста. Другими словами, возникает еще одна оборванная дислокационная граница, исходящая из вершины ранее сформированной границы. Такой процесс представляет собой элементарный акт ветвления оборванной дислокационной границы.