К истории научного открытия № 339

Размещено на http://www.allbest.ru/

К истории научного открытия № 339

Р.З. Валиев,

доктор физико-математических наук, профессор,

член-корреспондент АН РБ, директор,

Институт физики перспективных материалов, заведующий кафедрой, Уфимский государственный авиационный технический университет

В настоящее время понятие «неравновесные границы зерен» широко используется в физическом материаловедении и при разработке деформационных нанотехнологий. Настоящая статья описывает историю их открытия, которое было официально зарегистрировано в 1987 г. Государственным комитетом СССР по делам изобретений и открытий.

В октябре 1987 года Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий зарегистрировал научное открытие № 339 «Явление образования в поликристаллах неравновесных границ зерен при поглощении ими решеточных дислокаций» авторов О.А. Кайбышева и Р.З. Валиева и позднее выдал диплом об этом открытии (рис. 1) [1].

Сущность этого нового явления состояла в следующем. Было обнаружено, что границы зерен, содержащие линейные дефекты - решеточные дислокации, при определенной температуре переходят в качественно иное состояние - они становятся неравновесными по своей структуре. Этот переход обусловлен релаксацией решеточных дислокаций в границе и распространением их напряжений вдоль граничной поверхности. Упругие искажения в структуре границы приводят к повышению собственной граничной энергии и увеличению величины её поверхностного натяжения.

Ключевые слова: неравновесные границы зерен, физическое материаловедение, деформационные нанотехнологии, решеточные дислокации

R.Z. Valiev

ON THE HISTORY OF SCIENTIFIC DISCOVERY NO. 339

Now a days the concept of “non-equilibriumgrain boundaries” is wide lyused in materials physics and in the development of deformational nanotechnologies. This article describes the history of their discovery officially registered in 1987 by the USSR State Committee for Inventions and Discoveries.

In October 1987, the USSR State Committee for Inventions and Discoveries registered scientific discovery No. 339 “The phenomenon of non-equilibriumg rainboundary formation in polycrystals when absorbing latticed is locations” by O.A. Kaybyshev and R.Z. Valievand latergranted a certificate about this discovery (Fig. 1) [1].

The essence of this new phenomen on was as follows. It was found that grainboundaries containing lineardefects - (latticedis-locations) pass to a qualitatively different state at a certain temperature and become non-equilibrium in their structure. This transitionis dueto the relaxation of latticed is locations in the boundary and the propagation of their stresses along the boundary surface. Elastic distortions in the boundary structurere sultan an increase in the intrin sicboundary energy an danincrease in the magnitude of its surface tension.

Keywords: non-equilibriumgrain boundaries, materials physics, deformation al nanotechnologies, latticedis locations

Область существования границ зерен с неравновесной структурой занимает довольно большой температурный интервал (обычно от 0,3-0, 4 до 0,7-0,8 Т_пл). Однако при повышении температуры величина неравновес-ности уменьшается, что является следствием возврата структуры границ зерен и при температурах более 0,8 Т_пл границы зерен переходят в равновесное состояние. Следствием изменения термодинамических параметров границ зерен является изменение их кинетических свойств. В границах зерен с неравновесной структурой ускоряются диффузионные процессы, повышается их подвижность и способность к проскальзыванию.

К открытию этого явления мы пришли при анализе ряда необычных экспериментальных фактов, среди них результатов исследований магниевого сплава МА8 (Mg+1,5%Mn+0,3%Ce) и чистого магния, подвергнутых холодной деформации при комнатной температуре на небольшие величины деформации (около 1,5%) и отжигам при 150-400°С и далее повторной деформации при комнатной температуре [2, 3]. При исследовании их структуры мы обратили внимание на то, что на границах зерен обоих материалов после холодной деформации появились линейные дефекты, являющиеся захваченными решеточными дислокациями. Эти дефекты в сплаве MA8 были видны при наблюдении в просвечивающем электронном микроскопе в виде тонких прямых линий, в тоже время в магнии их изображения были широкими (рис. 2), а во многих границах они не различались прямо, и можно было наблюдать только локальные искривления контуров экстинкции вследствие присутствия дефектов. При этом структура внутри зерен этих металлов в обоих состояниях, т.е. до и после деформации, была свободна от дислокаций. Полученные картины мы интерпретировали как результат релаксации захваченных границами зерен дислокаций в магнии уже при комнатной температуре тогда как сплаве МЛ8 данный процесс в этих условиях не происходил вследствие его легирования (впоследствии установили, что полная релаксация захваченных дислокаций в сплаве имеет место при температуре выше 300°С).

Между тем, сравнение кривых «напряжение-деформация» для обоих материалов - сплава МА8 и чистого Mg показало, что вид этих кривых идентичен, причем величины их напряжений течения выше, чем при испытаниях отожженных материалов. Мы предположили, что аналогичный тип деформационного поведения при растяжении образцов сплава и чистого магния может указывать на то, что независимо от вида захваченных дислокаций границы зерен как в сплаве МА8.

Рис. а - Внесенные зернограничные дислокации в границы зерен после холодной деформации магниевого сплава MA8, є = 2%; б - размытие внесенных зернограничных дислокаций в холоднодеформированном магнии.

Через некоторое время эти выводы были подтверждены на примере других материалов польским исследователем профессором М. Грабским с соавторами [4], а также другими исследователями. Подробное описание результатов этих работ представлено в нашей книге [5]. Таким образом, были получены доказательства, что релаксация решеточных дислокаций в границах не приводит непосредственно к возврату в равновесное состояние, а границы зерен после релаксации дислокаций также обладают неравновесной структурой, что ранее не было известно в научной литературе. В качестве второго доказательства нашей правоты выступают данные об энергии и кинетических свойствах границ зерен. Нам теоретически удалось показать и экспериментально подтвердить, что энергетическое состояние и кинетика роста зерен в поликристаллах, содержащих границы зерен с неравновесной структурой, характеризуются повышенными значениями энергии границ и скорости миграции таких неравновесных границ [3]. Например, для поликристаллического магния возрастание величины энергии границ зерен может составить до 40%.

Приоритет открытия установлен был по двум работам, опубликованным в 1977 г. и в 1981 г. в журнале «Доклады АН СССР» [2, 3].

Профессора В.И. Владимиров и А.Н. Орлов из Физико-технического Института АН СССР, члены Академии наук Ч.В. Копецкий из Института технологии микроэлектроники АН СССР, а также В.В. Сагарадзе и В.М. Счастливцев из Института физики металлов УрО АН СССР, выступившие в качестве дополнительных экспертов Госкомизобретений СССР, дали высокую оценку этого исследования, что стало после утверждения на бюро отделения АН СССР основой для его регистрации 15 октября 1987 г., как научного открытия в СССР под № 339 [1]. Об этом открытии в те годы написали все ведущие центральные и республиканские газеты.

Открытое явление впоследствии послужило основой нового научного направления исследований физики и механики неравновесных границ зерен, а также их формирования в условиях интенсивной пластической деформации. Данная тематика успешно развивается в Институте физики перспективных материалов УГАТУ, ИПСМ РАН, многих других Российских и зарубежных лабораториях. Установлена определяющая роль явления в процессах рекристаллизации деформированных металлов и сплавов, зернограничного проскальзывания, пластического течения при комнатной и высоких температурах, в том числе сверхпластического течения [5, 6]. В целом, обнаружение и физическая интерпретация данного явления внесли принципиальные изменения в существующие представления о структуре и свойствах границ зерен, что стало заметным вкладом в физику дефектов реальных кристаллов [7, 8].

Дальнейшие исследования явления продемонстрировали широкую перспективу его использования для решения многих задач практического характера, связанных с процессами в кристаллических телах, где участвуют границы зерен и дислокации. Здесь следует указать такие важные области физики и химии твердого тела и материаловедения, как теория фазовых превращений, конструкционные свойства, радиационное материаловедение, но, прежде всего, наноматериаловедение, связанное с разработкой и исследованием объемных наноструктурных материалов, полученных методами интенсивной пластической деформацией [9-15].

Важно отметить, что аналитический обзор [10], посвященный принципам наноструктурирования материалов, используя методы ИПД, в настоящее время имеет цитируемость более 4500 (WebofScience) и является одной из наиболее цитируемых статей в данном приоритетном журнале и современном материаловедении, что отражает активность и охват проводимых исследований по наноИПД тематике в лабораториях разных стран мира.

...Настоящая статья посвящена памяти академика АН РБ Оскара Акрамовича Кай-бышева (1939-2017 гг.)

Проработав много лет совместно с Оскаром Акрамовичем, включая годы аспирантуры под его руководством в Уфимском авиационном институте (ныне УГАТУ), работу заведующим лабораторией и заместителем директора института проблем сверхпластичности металлов РАН, я хотел бы отметить одну важную черту его характера, которая оказала, безусловно, сильное влияние на все, что он сделал в науке. Это - увлеченность научной работой, страсть к поиску, исследованиям, достижению высоких научных результатов. Без такой увлеченности нельзя было преодолеть возникающие порой неудачи в поисках, многочисленные организационные проблемы, создать академический институт в провинции. Трудно сейчас сказать, что было основной причиной этой увлеченности - научная любознательность, желание самоутвердиться в престижной области или перспективы карьеры ведущего ученого. По-видимому, были важны все эти факторы.

Трудно, но интересно было работать в условиях непрерывного поиска, поэтому многие специалисты, вовлеченные в науку Оскаром Акрамовичем, остались в орбите этих исследований.

В последние годы все отчетливее заметны результаты научной школы, заложенной О.А. Кайбышевым в 70-90-е гг Сегодня многие научные разработки получили международное признание и город Уфа хорошо известен как крупный материаловедческий центр. Это - лучший памятник Оскару Акрамовичу.

Литература

физическое материаловедение открытие деформационная нанотехнология

1. Диплом на открытие № 339 «Явление образования в поликристаллах неравновесных границ зерен при поглощении ими решеточных дислокаций». Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий. 1990.

2. Валиев Р.З., Кайбышев О.А. Дислокации в границах зерен и зернограничное проскальзывание при сверхпластической деформации // Доклады Академии наук. 1977. № 236. C. 139.

3. Валиев Р.З., Кайбышев О.А. Влияние неравно-весности структуры границ зерен на поведение и свойства металлических материалов // Доклады Академии наук. 1981. № 258. C. 92.

4. M.W. Grabski, R.Z. Valiev, J.W. Wyrzykowski, W. Lojkowski. Yieldstressdependenceonthespreadingoftheextrinsicgrainboundarydislocationsandthenon-equilibriumofgrainboundaries. Res. Mech. Lett., 1981. vol. 11. 489 p.

5. Кайбышев О.А., Валиев Р.З. Границы зерен и свойства металлов. М.: Металлургия, 1987. 214 c.

6. Valiev, R.Z., GertsmanV.Yu., Kaybyshev O.A. Grainboundarystructureandpropertiesunderexternalinluences. Phys. Stat. Sol., 1986, vol. 97, no. 11. pp. 11-56

7. Орлов А.Н., Перевезенцев В.Н., Рыбин В.В. Границы зерен в металлах. М.: Металлургия, 1980. 155 с.

8. Ovidko I.A., Valiev R.Z., Zhu Y.T. Reviewonsuperiorstrengthandenhancedductilityofmetallicnanomaterials. Prog. Mater. Sci., 2018, vol. 94, pp. 462-540.

9. Валиев Р.З., Жиляев А.П., ЛэнгдонТ.Дж. Объемные наноструктурные материалы: фундаментальные основы и применения. Эко-Вектор, 2017. 480 с. ISBN 978-5-906648-34-1 (перевод с английского)

10. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. BulknanostructuredmaterialsfromSeverePlasticDeformation, ProgressinMaterialsScience, Vol. 45pp 103-189, 2000.

11. Сабиров И., Еникеев Н.А., Мурашкин М.Ю., Валиев Р.З. Объемные наноструктурные материалы с многофункциональными свойствами. Эко-Вектор, 2018. 134 с. ISBN 978-5-90664871-6 (перевод с английского).

12. Handbookofmechanicalnanostructuring. Aliofkhazaraei M. (ed.). Wiley, 2015. 816 p/

13. Андриевский Р.А. Наноматериалы на металлической основе в экстремальных условиях. М.: Лаборатория знаний, 2016. 102 с.

14. Глезер А.М., Козлов Э.В., Конева Н.А., Попова Н.А., Курзина И.А. Основы пластической деформации наноструктурных материалов. М.: Физматлит, 2016. 304 с.

15. Коджаспиров Г.Е., Рудской А.И. Ультрамел-козернистые металлические материалы. СПб: Изд-во Политехн.ун-та, 2015. 359 с.

REFERENCES

2. Valiev R.Z., Kaybyshev O.A. Dislokatsiizeren i zernogranichnoeproskalzyvanieprisverkhplas- ticheskoydeformatsii [Graindislocationsandgrainboundaryslipduringsuperplasticdeformation]. DokladyAkademiinauk - ReportsoftheAcademyofSciences, 1977, no. 236, p. 139. (InRussian).

3. Valiev R.Z., Kaybyshev O.A. Vliyanieneravnoves- nostistrukturygranitszerennapovedenie i svoystvametallicheskikhmaterialov [Theeffectofnon-equilibriumstructureofgrainboundariesonthebehaviorandpropertiesofmetallicmaterials]. DokladyAkademiinauk - ReportsoftheAcademyofSciences, 1981, no. 258, p. 92. (InRussian).

4. Grabski M.W., Valiev R.Z., Wyrzykowski J.W., Lojkowski W. Yieldstressdependenceonthespreadingoftheextrinsicgrainboundarydislocationsandthenon-equilibriumofgrainboundaries. Res. Mech. Lett., 1981, vol. 11, p. 489.

5. Kaybyshev O.A., Valiev R.Z. Granitsyzeren i svoystvametallov [Grainboundariesandpropertiesofmetals]. Moscow, Metallurgiya, 1987. 214 p. (InRussian).

6. Valiev R.Z., GertsmanV.Yu., Kaybyshev O.A. Grainboundarystructureandpropertiesunderexternalinfluences. Phys. Stat. Sol., 1986, vol. 97, no. 11, pp. 11-56.

7. Orlov A.N., Perevezentsev V.N., Rybin V.V Granitsyzeren v metallakh [Grainboundariesinmetals]. Moscow, Metallurgiya, 1980. 155 p. (InRussian).

8. Ovidko I.A., Valiev R.Z., Zhu Y.T. Reviewonsuperiorstrengthandenhancedductilityofmetallicnanomaterials. Prog. Mater. Sci., 2018, vol. 94, pp. 462-540.

9. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.J. Bulknanostructuredmaterials: Fundamentalsandapplications. Russianedition. St. Petersburg, Eko-Vek- tor, 2017, 480 p.

10. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V., Bulknanostructuredmaterialsfromsevereplasticdeformation, Prog. Mater. Sci., 2000, vol. 45, pp 103-189.

11. Sabirov I., Enikeev N.A., MurashkinM.Yu., Valiev R.Z. Obyemnyenanostrukturnyematerialy s mnogofunktsionalnymisvoystvami [Bulknanostructuredmaterialswithmultifunctionalproperties]. St. Petersburg, Eko-Vektor, 2018. 134 p. ISBN 978-5-906648-71-6. (InRussian).

12. Handbookofmechanicalnanostructuring. Aliofkhazaraei M. (ed.). Wiley, 2015. 816 p.

13. Andrievsky R.A. Nanomaterialynametallicheskoyosnove v ekstremalnykhusloviyakh [Metal-basednanomaterialsunderextremeconditions]. Moscow, Laboratoriyaznaniy, 2016. 102 p. (InRussian).

14. Glezer A.M., Kozlov E.V., Koneva N.A., Popova N.A., Kurzina I.A. Osnovyplasticheskoydefor- matsiinanostrukturnykhmaterialov [Fundamentalsofplasticdeformationofnanostructuredmaterials]. Moscow, Fizmatlit, 2016. 304 p. (InRussian).

15. Kodzhaspirov G.E., Rudskoy A.I. Ultramelkoz- ernistyemetallicheskiematerialy. [Ultrafinegrainedmetalmaterials]. St. Petersburg, Politekh- nicheckiyuniversitet, 2015. 359 p. (InRussian).

Размещено на Allbest.ru