Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Изготовлены образцы технически чистого титана марки ВТ1-0, которые согласно ГОСТ 25.502-79 имели форму параллелепипеда с размерами 4х12х130 мм и концентратором напряжений в центральной части образца в виде двух надрезов полуокружностями радиусом 20 мм. Проведены многоцикловые усталостные испытания на специальной установке по схеме циклического асимметричного консольного изгиба полированных образцов титана ВТ1-0 в исходном состоянии (без применения магнитного поля) и в магнитном поле различной индукции – 0,3, 0,4 и 0,5 Тл (in situ). В результате исследований установлено, что технически чистый титан марки ВТ1-0, подвергнутый испытаниям в условиях многоцикловой усталости без применения магнитного поля, разрушается в среднем через 121478±7112 циклов после приложения ассиметричной нагрузки с частотой ~3,4 циклов/с. Максимальное значение числа циклов до разрушения, которое выдержал образец титана в исходном состоянии – 157951 циклов. Включение постоянного магнитного поля в процессе испытаний приводит к увеличению усталостной долговечности. А именно, среднее число циклов до разрушения при воздействии постоянного магнитного поля составляет: 199105±15023 при В = 0,3 Тл, 270492±20505 при В = 0,4 Тл и 319828±27321 при В = 0,3 Тл. Анализ зависимости среднего количества циклов до разрушения N от параметров внешнего магнитного поля (индукции В) показывает, что применение постоянного магнитного поля с индукцией 0,3, 0,4 и 0,5 Тл приводит к кратному увеличению среднего количества циклов до разрушения образцов титана ВТ1-0 на 64, 123 и 163%, соответственно. Максимальные значения количества циклов, которые выдержали образцы титана до разрушения, при разных значениях магнитной индукции составляют: 283496 при В = 0,3 Тл, 388695 при В = 0,4 Тл и 475595 при В = 0,5 Тл. Методами сканирующей электронной микроскопии проведены исследования поверхности разрушения образцов титана ВТ1-0, значения числа циклов до разрушения которых при каждом режиме были наиболее близки к средним: 121558 в исходном состоянии, 191320 при В = 0,3 Тл, 269012 при В = 0,4 Тл и 329151 при В = 0,5 Тл. На структуре поверхности разрушения технически чистого титана ВТ1-0, разрушенного в условиях усталости после 121558 циклов без применения магнитного поля, присутствуют не только признаки хрупкого разрушения, такие как фасетки квазискола, но и признаки пластической деформации (гребни). Также стоит отметить, что в структуре присутствуют некие ямки, которые можно характеризовать, как ямки отрыва, данный элемент структуры проявляется преимущественно при вязком характере разрушения. Фрактографический анализ поверхности разрушения титана ВТ1-0 в условиях многоциклового нагружения позволяет заключить, что разрушение материала проходит по смешанному механизму, что совпадает с общепринятыми представлениями о кинетике данного процесса в металлических материалах. В общем случае структура образца, разрушенного в условиях усталостных испытаний, вне зависимости от режима испытаний, имеет три характерные зоны: 1 – зона усталостного роста трещины; 2 – зона ускоренного роста трещины; 3 – зона долома. Деформационные процессы, имеющие место при усталостных испытаниях материала, в полной мере развиваются в зоне усталостного роста трещины и, в существенно меньшей степени, в зоне долома. На поверхности разрушения образцов титана, разрушенного в магнитном поле разной величины, отчетливо выявляется зона усталостного роста трещины и следующая за ней зона ускоренного роста трещины. Выполненные исследования показали, что ширина зоны усталостного роста трещины зависит от индукции магнитного поля. Максимальных значений данная характеристика поверхности излома достигает при В = 0,4 Тл и составляет h = 264 мкм. При усталостных испытаниях без магнитного поля h = 182 мкм. Ширину зоны усталостного роста трещины приравнивают к критической длине трещины. Следовательно, при усталостном нагружении в магнитном поле критическая длина трещины возрастает в 1,45 раза, увеличивая тем самым ресурс работоспособности материала. К важным признакам усталостных циклических испытаний материала относятся усталостные бороздки, под которыми понимают полоски последовательно расположенных углублений и выступов или полоски со ступеньками сброса, ограниченные этими углублениями, располагающиеся параллельно фронту трещины. Проведенные нами исследования зоны ускоренного роста трещины показали, что среднее расстояние между усталостными бороздками в образцах титана зависит от величины магнитной индукции и снижается от 0,78 мкм при В = 0,0 Тл до 0,49 при В = 0,5 Тл. Следовательно, шаг трещины за один цикл усталостного нагружения в магнитном поле (при В = 0,5 Тл) в образце титана в 1,5 раза меньше, по отношению к образцу, разрушенному без магнитного поля. При прочих равных условиях, связанных с организацией эксперимента усталостного нагружения, расстояние между бороздками будет определяться способностью материала сопротивляться распространению усталостной трещины: чем меньше расстояние между бороздками, тем большей сопротивляемостью распространению трещины обладает материал и, следовательно, ниже скорость распространения трещины. Таким образом, образец, разрушенный в магнитном поле, обладает более высокой сопротивляемостью распространению усталостной трещины. Особенностью зоны усталостного роста трещины образца титана (зона усталостного роста трещины), разрушенного при циклических испытаниях в магнитном поле при В = 0,4 Тл, является формирование субзеренной (фрагментированной) структуры. Размеры субзерен изменяются в пределах (0,67-1,1) мкм. Подобная субструктура формируется и в поверхностном слое образцов титана, циклические испытания которых были проведены в условиях отсутствия магнитного поля. Размеры субзерен в этом случае изменяются в пределах (0,56-0,87) мкм. Выполненные исследования показывают, что формирование субзеренной структуры в зоне усталостного роста трещины оказывает влияние на передвижение микротрещины. А именно, расстояние между усталостными бороздками соответствуют размерам субзерен. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что усталостные бороздки в поверхностном слое располагаются на расстоянии, соответствующем размеру субзерен. Следовательно, в зоне усталостного роста трещины границы субзерен оказывают тормозящее влияние на движущуюся микротрещину. В совокупности выявленные факты свидетельствуют о более высокой сопротивляемости распространению усталостной трещины и об увеличении ресурса работоспособности титана при усталостных испытаниях в магнитном поле. По результатам выполнения первого этапа проекта опубликовано 8 научных работ, в том числе: 2 статьи в журналах, индексируемых в базе данных Scopus, 5 статей в трудах конференций, 2 свидетельства о государственной регистрации базы данных. Исполнители проекта в разном формате (устный, стендовый доклады, заочное участие) приняли участие в 3 международных и 1 Всероссийской конференциях, проводимых на территории Российской Федерации с представлением 4 докладов.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Второй этап выполнения проекта был начат с изготовления фольг для исследования тонкой структуры образцов титана методами просвечивающей электронной микроскопии. Фольги готовили методом электролитического утонения до толщины ≈200 нм пластинок толщиной ~100 мкм, вырезанных электроискровым методом из образца. Были проведены послойные электронно-микроскопические исследования тонкой структуры образцов титана ВТ1-0, разрушенных в условиях многоцикловой усталости в магнитном поле 0,3 Тл и 0,5 Тл и без него, на различном расстоянии от поверхности разрушения (0, 150, 300 и 600 мкм). Установлено, что многоцикловое усталостное нагружение титана приводит к формированию в поверхностном слое градиентной структуры, характеризующейся закономерным изменением состояния дефектной подсистемы образца. В зоне разрушения образцов титана наблюдается формирование сравнительно тонкого слоя с субмикрокристаллической структурой, средний размер которой зависит от величины магнитной индукции и составляет 40 нм при В = 0 Тл,74 нм при В = 0,3 Тл и 200 нм при В = 0,5 Тл. Толщина слоя с субмикрокристаллической структурой образца титана в исходном состоянии составляет 0,15 мкм и увеличивается с применением магнитного поля от 0,4 мкм при N2 = 1,9·10^5 (В = 0,3 Тл) до 1 мкм при N3 = 3,3·10^5 (В = 0,5 Тл). Фазовый состав поверхностного слоя титана анализировали методами дифракционной электронной микроскопии путем индицирования соответствующих микроэлектронограмм и исследования темнопольных изображений. Установлено, что кристаллиты поверхностного слоя фрагментированы, т.е. разделены на области с малоугловой разориентацией. Анализ микроэлектронограмм, полученных с такой фрагментированной структуры, показывает, что азимутальная составляющая полного угла разориентации фрагментов достигает 5 град. Исследования дислокационной субструктуры образцов показали, что в области поверхности разрушения на расстоянии до 5 мкм преобладающим типом дислокационной субструктуры титана являются дислокационные сетки. Далее на расстоянии 40-50 мкм в зернах титана выявляются дислокационные скопления на фоне структуры дислокационного хаоса. На расстоянии 90-100 мкм от поверхности разрушения преобладающим типом дислокационной субструктуры в зернах титана становятся хаотически распределенные дислокации. Методами произвольно брошенных секущих была определена скалярная плотность дислокаций и построена зависимость величины скалярной плотности дислокаций <ρ> от расстояния до поверхности разрушения Х образцов титана. В поверхностном поликристаллическом слое вблизи поверхности разрушения на расстоянии ~1 мкм <ρ> равна 6,9·10^10 см^(-2), 4,9·10^10 см^(-2) и 4,55·10^10 см^(-2) для образцов, разрушенных в магнитном поле при В = 0, 0,3 и 0,5 Тл, соответственно. При увеличении расстояния от поверхности разрушения величина скалярной плотности дислокаций, независимо от условий усталостных испытаний, снижается. При одинаковом расстоянии от поверхности разрушения в слое до 100 мкм, плотность дислокаций в образце титана, разрушенном без наложения магнитного поля, выше плотности дислокаций в образцах, разрушенных в условиях магнитного поля. Последнее может указывать на более высокую подвижность дислокаций в присутствии магнитного поля. Анализ методами просвечивающей электронной микроскопии дефектной субструктуры разрушенных образцов титана, независимо от режима усталостных испытаний, выявил на электронно-микроскопических изображениях структуры титана изгибные экстинкционные контуры. Наличие на электронно-микроскопических изображениях структуры материала изгибных контуров экстинкции указывает на изгиб-кручение кристаллической решетки данной области материала, а, следовательно, на внутренние поля напряжений, искривляющие тонкую фольгу и, соответственно, упрочняющие материал. Выполненные исследования показали, что основными концентраторами напряжений являются границы раздела и стыки границ зерен, границы раздела фрагментов, а также линии дислокаций. Показано, что в поверхностном поликристаллическом слое до 1 мкм поперечные размеры контуров экстинкции, независимо от наличия магнитного поля, минимальны и равны 15-17 нм. С увеличением расстояния от поверхности разрушения до 150 мкм толщина экстинкционных контуров увеличивается для всех режимов воздействия магнитным полем. Включение магнитного поля в ходе усталостных испытаний приводит к плавному (от 17 до 99 нм при В = 0,3 Тл) и резкому (от 16 до 230 нм при В = 0,5 Тл) увеличению толщины контуров экстинкции. При дальнейшем удалении от поверхности разрушения до 600 мкм рост толщины изгибных экстинкционных контуров прекращается для всех режимов воздействия, однако данная величина при В=0,5 Тл остаётся в 2,5 раза выше, чем для других значений магнитной индукции. В поверхностном поликристаллическом слое до 1 мкм плотность концентраторов напряжений выше в образце, разрушенном в магнитном поле 0,3 Тл, и составляет 1,5 мкм^(-2). С увеличением расстояния от поверхности разрушения плотность концентраторов напряжений в образцах, разрушенных в магнитном поле, в среднем в 1,5 раза выше, чем в образце, разрушенном без магнитного поля. На расстоянии больше 100 мкм от поверхности разрушения плотность концентраторов напряжений значительно снижается и становится одинакова для всех режимов – ~0,2-0,3 мкм^(-2). Сопоставляя результаты зависимостей характеристик внутренних полей напряжений для разных режимов воздействия магнитным полем с результатами усталостных испытаний образцов титана, можно заключить, что концентраторы напряжений (потенциальные места формирования микротрещин) в образцах титана, подвергнутых циклическим испытаниям в присутствии магнитного поля, являются менее напряженными (релаксированными), т.е. являются менее опасными с точки зрения разрушения материала. При рассмотрении возможного физического механизма влияния магнитного поля на деформационное поведение металлических материалов, следует учесть, что процесс пластической деформации сопровождается непрерывным взаимодействием дислокаций между собой и с точечными дефектами. Наиболее вероятно, что влияние постоянного магнитного поля на процессы пластической деформации металлических парамагнитных материалов обусловлено Δg-механизмом. Предполагаем, что взаимодействие дислокации с парамагнитными примесями сопровождается образованием и разрывом ковалентной связи между ними, что является дополнительным фактором торможения дислокации, поскольку необходима дополнительная энергия для разрыва ковалентной связи. В окрестностях ядра дислокации, там, где электронные оболочки атомов сильно искажены, существуют электроны с неспаренным спином, локализованные на перегибах и ступеньках. Атом парамагнитной примеси также имеет электрон с неспаренным спином, что сопровождается образованием ковалентной связи между одним атомом, принадлежащим дислокации, и парамагнитным примесным дефектом. Таким образом, магнитное поле, воздействуя на ковалентную связь, переводит радикальную пару из S-состояния в T, что облегчает ее разрыв, поскольку энергия, необходимая для разрыва радикальной пары, находящейся в S-состоянии, больше, чем в T-состоянии. Это приводит к увеличению подвижности дислокаций с увеличением пластичности, и, как следствие, увеличению усталостной долговечности технически чистого титана ВТ1-0. Данный вывод подтверждается экспериментальными данными, полученными при исследовании дислокационной структуры и механических характеристик титана ВТ1-0. По полученным экспериментальным результатам второго этапа выполнения проекта было опубликовано 12 научных работ, в том числе: 3 статьи в журналах, индексируемых в базе данных Scopus, 1 из них входит в первый квартиль (Q1) в международном рейтинге периодических научных изданий. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации баз данных. Результаты работы апробированы на 5 международных и 2 Всероссийских конференциях, проводившихся на территории Российской Федерации, в том числе 3 очных выступления, 2 online выступления и 2 заочных участия.