23. Відділ фізики високоміцних і метастабільних сплавів

Завідувач відділу

Єфімов Микола Олександрович

старший науковий співробітник, кандидат фізико-математичних наук
m.yefimov@ipms.kyiv.ua
+380(44)3901134

Основні напрямки наукової діяльності

Фізичні основи міцності та пластичності матеріалів
Розробка високоміцних сплавів алюмінію, що деформуються
Розробка високоміцних ливарних сплавів алюмінію
Спінені сплави алюмінію. Отримання, структура, властивості
Квазікристалічні та аморфні металічні сплави
Фізичні основи індентування для вивчення механічних властивостей матеріалів
Трибологічні дослідження при квазістатичному та динамічному навантаженнях

Найкращі результати

1.Фізичні основи міцності та пластичності матеріалів

1.Розроблено спільно з відділом 22 ІПМ НАНУ методику формування в процесі пластичної деформації наддрібнозереної структури (розмір зерна d ≈ 500 ... 1000 нм) і теорію впливу цієї структури на комплекс механічних властивостей. Ця методика дозволила істотно підняти рівень механічних властивостей металів з ОЦК-граткою і отримати вироби з молібдену і хрому, пластичні при кімнатній температурі. В даний час, коли можливо отримувати наноматеріали з d <100 нм, більше застосування знаходять матеріали з d ≈ 500 ... 1000 нм, тому що вони мають найкраще поєднання властивостей міцності і пластичності, а також більш дешеву технологію виробництва.
2.Розроблена теорія рекристалізації сплавів з наддрібнозереною структурою при наявності дисперсних часток другої фази. Ця теорія та виконані на її базі експерименти дозволили стабілізувати наддрібнозерену структуру при підвищених температурах.
3.Введене поняття про характеристичну температуру деформації кристалічних матеріалів t* (температура Трефілова-Мільмана). t* є природна межа між температурними інтервалами холодної та теплої деформації. При температурі t* різко змінюється механізм пластичної деформації кристалічних матеріалів.
4.Розроблено дислокаційну теорію температурної залежності межі плинності матеріалів. Ця теорія уможливила термоактиваційний аналіз механізму пластичної деформації з визначенням енергії активації, активаційного об"єму та інш. параметрів по температурній залежності межі плинності.
5.Введено в уявлення про теоретичну міцність, поняття про теоретичну пластичність матеріалів та розроблено методику визначення теоретичної пластичності.
6.Відкрито ефект фазового переходу напівпровідник-метал при індентуванні кремнію і германію алмазним індентором. Це відкриття є єдиним випадком, коли робота в області індентування стала фізичною основою нової перспективної технології – в"язкого точіння кремнію і германію. Проведено аналіз фізичних основ цього нового методу.
7.Розроблено теорію руху дислокацій при індентуванні кристалів, яка дозволила вперше пояснити підвищену пластичність поверхневих шарів внаслідок руху дислокацій вздовж поверхні за рахунок одинарних перегинів, а не за рахунок подвійних перегинів, як в об"ємі кристала.
8.Розроблено поняття про гомологічну температуру рекристалізації togr=T/Tr. Застосування togr дозволяє просто обирати оптимальну температуру деформації чи відпалу, що забезпечує максимум пластичності, мінімум температури в"язко-крихкого руйнування та досить високе значення межі плинності. Для ОЦК-металів оптимальне значення t^o_gr=0,95.
9.Розроблено нову концепцію пластичності матеріалів з введенням нової характеристики пластичності δ* = пластична деформація / загальна деформація і теорії залежності δ* від структури матеріалу (розмір зерна, щільність дислокацій, дисперсні частинки другої фази), температури і швидкості деформації. Показано, що характеристика пластичності - подовження до руйнування δ, що традиційно використовується, - не є фізичною характеристикою пластичності і її використання унеможливило створення зазначених вище теорій і стримувало роботи по підвищенню пластичності. Розроблено методики визначення нової характеристики пластичності як при стандартних випробуваннях на розтяг та стиск, так і методом індентування.
10.В період існування СРСР були виконані роботи зі створення високоміцних і достатньо пластичних сплавів на основі хрому, молібдену, вольфраму і ніобію для різних галузей техніки і оборонної промисловості. Ці роботи були відзначені рядом державних нагород. Відділ у складі МНТК «Порошкова металургія», керованого В.І.Трефіловим, був провідним в СРСР з проблеми фізики міцності і пластичності тугоплавких металів.

2. Розробка високоміцних сплавів алюмінію, що деформуються

За рахунок мікролегування Sc і іншими перехідними металами отримані сплави з міцністю до 800 МПа (що приблизно на два порядки вище міцності нелегованого алюмінію) і з задовільною пластичністю і зварюваністю. Виконано ряд проектів по застосуванню цих сплавів з фірмами США (Боїнг, лабораторія військово-повітряних сил США, Ашурст). Доведена можливість заміни ряду титанових виробів на алюмінієві сплави в двигунах літаків у фірмі ДП «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» імені академіка О.Г. Івченка»».

Розроблені високоміцні сплави алюмінію перевищують за бронеміцністю алюмінієву броню приблизно в два рази.

3. Розробка високоміцних ливарних сплавів алюмінію

Розвинена нова ідеологія створення ливарних сплавів алюмінію на базі потрійних систем з квазібінарними перетинами евтектичного типу. Вперше побудована діаграма плавкості Al-кута потрійної системи Al-Ge-Mg і на цій основі розроблені нові сплави алюмінію, які леговані додатково Zn та Cu. По сукупності механічних та ливарних властивостей нові високоміцні ливарні сплави алюмінію перевищують кращі сучасні сплави.

4. Спінені сплави алюмінію. Отримання, структура, властивості

Вперше в Україні отримані спінені сплави алюмінію. Ці сплави з щільністю ρ < 1 г/см³ мають високу енергію абсорбції, високу здатність щодо поглинання механічної енергії, звукопоглинання та екранування електромагнітного випромінювання. Розроблено процес виготовлення спіненого алюмінію з дешевими карбонатними спінювачами замість дорогого TiH₂, який широко застосовується за кордоном. Створюється ділянка, де можна буде отримувати спінений алюміній збільшених габаритів (200х200х100 мм³), що дасть змогу спробувати його використання в різних конструкціях, зокрема, для захисту від ударної хвилі в броньовій техніці, а також в бронежилетах.

5. Квазікристалічні та аморфні металічні сплави

1. Розроблено та отримані в лабораторних умовах сплави алюмінію, зміцнені нано-розмірними частинками квазікристалів. Вперше на цих сплавах досягнута міцність вище 300 МПа при 300 ^оС і задовільна пластичність, що, на думку вчених США, вкрай необхідно для сучасної авіації.
2. Розроблено квазікристалічні термобар‘єрні товсті покриття, що мають дуже низьку теплопровідність, коефіцієнт лінійного розширення, близькій до цих коефіцієнтів для металевих сплавів та велику твердість. Для отримання порошків квазікристалів використовується унікальна технологія розпилення розплаву водою високого тиску, яка розроблена в ІПМ. А для нанесення цих порошків на вироби використовується розвинена в ІПМ технологія високошвидкісного повітряно-паливного напилення покриттів. Ці покриття можуть бути застосовані як в ракетній техніці, так і в автомобільній промисловості, наприклад, для покриття автомобільних поршнів.

6. Фізичні основи індентування для вивчення механічних властивостей матеріалів.

1. Розроблено методику розрахунку бронестійкості металевих сплавів за величиною твердості по Мартелю.
2. Розроблена нова концепцію твердості, яка вперше довела, що твердість має подвійний характер: вона пропорційна не тільки межі плинності, а й пластичності матеріалу. Це істотно впливає на трактування і використання твердості у фізиці міцності та техніці.
3. Теоретичні та експериментальні роботи в галузі фізики індентування дозволяють визначати методом індентування комплекс механічних властивостей матеріалів в широкому інтервалі температур.

7. Трибологічні дослідження при квазістатичному та динамічному навантаженнях

Розроблена унікальна методика дослідження зносу матеріалів в умовах вібраційного навантаження з заданою частотою. Ця ж методика використана як для підвищення опору зносу, так і корозійної стійкості ковзуна (завдяки формуванню на поверхні нано-структурного шару) під залізничним вагоном, на якому вагон повертається на кілька градусів при поворотах.

Інші розробки

Розроблені свердловинні магнітні вантажопідйомні пристрої (СМВП) призначені для видалення феромагнітного сміття з свердловин глибиною до 4000-5000 м (буріння на нафту і газ).

При діаметрі 125 мм вантажопідйомність СМВП перевищує 1000 кг.

Створені конструкції СМВП складаються з постійних високоенергетичних магнітів на основі Nd-Fe-B або Sm-Co і магнітопроводів.

Розроблено регульовані СМВП: магнітний потік на їх робочому торці можна змінювати від максимального значення до нуля.

Виготовлені в відділі вантажопідйомні пристрої пройшли успішне випробування на нафтових свердловинах Азербайджану.

Опубліковані монографії

Физические основы прочности тугоплавких металлов (моногр.) (В.И.Трефилов, Ю.В.Мильман, С.А.Фирстов; Киев: Наукова Думка, 1975, 315с.)
Структура, текстура и механические свойства деформированных сплавов молибдена (монография) (глава 1, глава 2, глава 5, глава 6) (В.И.Трефилов, Ю.В.Мильман, Р.К.Иващенко, Ю.А.Перлович, А.П.Рачек, Н.И.Фрезе; Киев: Наукова Думка, 1983, 230с.)
Структура и механические свойства спеченных материалов (монография) (глава 2) (М.М.Ристич, В.И.Трефилов, Ю.В.Мильман, И.В.Гриднева, Д.Дужевич; Београд, Изд-во Сербской АН и Искусств, 1992, 261с.)
Теоретичні основи і методи визначення механічних властивостей матеріалів та покриття при індентуванні на макро- та мікрорівнях (навчальний посібник) (О.В.Бякова, О.І.Юркова, Ю.В.Мільман, О.В.Білоцький, Київ: „Техніка”, 2010, 144 с.)
Композит: алюминиевая матрица армированная квазикристаллическими частицами Al-Cu-Fe, структура и свойства (А.Т.Волочко, А.А.Шегидевич, Ю.В.Мильман, Н.А.Ефимов; Сборник трудов Физико-технического института НАН Беларуси: Современные методы и технологии создания и обработки материалов, 2014, с.426-435)
Квазикристаллы. Структура, свойства и применение (Ю.В.Мильман, Н.А.Ефимов; Наука про матеріали: досягнення та перспективи. У 2-х т., Київ: Академперіодика, ред. Л.М.Лобанов та ін. 2018, т.1. С.311-338)
Предел текучести и пластичность материалов, определяемые методом индентирования (Ю.В.Мильман, С.И.Чугунова, И.В.Гончарова; Актуальные проблемы прочности (монография), под ред. В.В.Рубаника, Витебск, Беларусь, 2018, Глава 4, c.68-87)

Інші публікації

“Rhenium Effect” on the improving of mechanical properties in Mo, W, Cr and their alloys (review) (Yu.V.Milman, G.G.Kurdumova; Rhenium and Rhenium Alloys, ed.by B.D.Bryskin, The Minerals, Metals & Materials Society, 1997, p.717-728) https://www.tib.eu/en/search/id/BLCP:CN022360680/Rhenium-Effect-on-the-Improving-of-Mechanical-Properties/
Гомологическая рекристаллизационная температура (М.А.Каретников, Л.С.Косачев, Ю.В.Мильман, В.И.Трефилов, Г.Е.Хоменко; ДАН СССР, т.263, №6, 1982, с.1366-1369)
Effect of crack-tip stress relaxation under load on silicon strength characteristics (Yu.V.Milman, I.V.Gridneva, I.V.Goncharova, V.A.Goncharuk; Science of Sintering, v.30 (1), 1998, p.29-36)
Новые высокопрочные сплавы алюминия (Ю.В.Мильман; Актуальные проблемы современного материаловедения. Киев: ИД «Академпериодика», 2008, т.1, c.597-612)
Влияние скандия на структуру, механические свойства и сопротивление коррозии сплавов алюминия (Ю.В.Мильман; Прогресивні матеріали і технології, К. “Академперіодика”, 2003, т.1, с.335-360)
Исследование влияния температуры на механическое поведение квазикристаллов Al-Cu-Fe методом индентирования (Ю.В.Мильман, С.И.Чугунова, А.А.Голубенко, Н.А.Ефимов, А.В.Самелюк; Электронная микроскопия и прочность материалов, 2009, вып.16, с. 60-67)
Аморфные металлические сплавы. Структура, свойства и применение (Ю.В.Мильман, Д.В.Козырев; Физико-технические проблемы современного материаловедения. Киев: Академпериодика, 2013, т.1, с.440-467)
Механическое поведение нанокристаллических и наноквазикристаллических материалов (Ю.В.Мильман; Нанотехнологии: наука и производство, №2(3), 2009, с.17-22)
Влияние структурного состояния и температуры на механические свойства и механизмы деформации твердого сплава WC-Co (Ю.В.Мильман; Сверхтвердые материалы, 2014, №2, с.3-23) https://doi.org/10.3103/
Квазикристаллы. Структура, свойства и применение (Ю.В.Мильман, Н.А.Ефимов; Наука про матеріали: досягнення та перспективи. У 2-х т., Київ: Академперіодика, ред. Л.М.Лобанов та ін. 2018, т.1. С.311-338)
Plasticity of materials determined by the indentation method (Yu.V.Milman, S.I.Chugunova, I.V.Goncharova, A.A.Golubenko; Progress in Physics of Metals (Успехи физики металлов) 2018, v.19, No.3, p.271-306 https://doi.org/10.15407/ufm.19.03.271)
Исследование влияния легирования Sc и рядом переходных металлов, а также термической обработки на механические свойства сплавов типа 2618 (система Al-Cu-Mg) при температурах 20 ⁰С и 300 ⁰С (Ю.В.Мильман, Н.П.Захарова, Н.А.Ефимов, А.А.Музика, А.О.Шаровский, Н.И.Даниленко, В.А.Гончарук; Электронная микроскопия и прочность материалов, 2017, вып.23, C.66-74)

Структура відділу

Відділ був створений в 1977 році на базі наукової групи, сформованої Ю.В.Мільманом під час роботи в Інституті металофізики НАН України. Наукові роботи відділу традиційно включають теоретичний підхід до проблем на базі фізики твердого тіла і дислокаційної фізики міцності і комплекс експериментальних досліджень структури матеріалів і їх механічних властивостей в широкому температурному інтервалі.

Наукові публікації відділу досить широко цитуються (індекс Хірша відділу = 31, а керівника відділу Ю.В.Мільмана - 28, при 78 статтях з індексом i-10 та загальною кількістю цитувань 4490). Ряд розробок відділу використовується вченими інших країн (нова характеристика пластичності δ * і методи визначення механічних властивостей індентуванням).

Вчений секретар відділу к.ф.-м.н., ст.н.с. І.В.Гончарова (irina@ipms.kiev.ua)