ФИЗИКА ФОРМИРОВАНИЯ И СВОЙСТВА СУБМИКРОИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.
ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ
Основатель
Кузнецов Владимир Дмитриевич (1887–1963 гг.), д.физ.-мат.н., профессор,
заслуженный деятель науки, РСФСР, академик АН СССР
Руководитель научно-педагогического коллектива
Коротаев Александр Дмитриевич, д.физ.-мат.н., профессор, заслуженный деятель
науки и техники РФ.
Факультет, кафедра
Физический факультет, кафедра физики металлов.
Направления научных исследований научно-педагогического коллектива
– Дефекты кристаллической решетки и физические модели пластичности кристаллов.
– Структура и свойства субмикро и нанокристаллических материалов.
– Новые конструкционные и функциональные материалы и покрытия.
– Структурные модели физической мезомеханики материалов.
– Структурные аспекты лучевой модификации материалов.
По рубрикатору ГРНТИ
29.19.04 – Структура твердых тел.
53.49.05 – Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах.
По рубрикатору ВАК
01.04.07 – Физика конденсированного состояния.
Направления подготовки инженеров, бакалавров и магистров
510400 – бакалавр по направлению «Физика конденсированного состояния».
510403 – магистр по направлению «Физика конденсированного состояния».
Состав коллектива
Всего – 35, в том числе:
заслуженных деятелей науки и лауреатов государственных премий – 1,
докторов наук – 7,
кандидатов наук – 15.
Ведущие представители коллектива
Гюнтер Виктор Эдуардович, д.техн.н., профессор.
Дударев Евгений Федорович, д.физ.-мат.н., профессор.
Демиденко Валерий Семенович, д.физ.-мат.н., профессор.
Колобов Юрий Романович, д.физ.-мат.н., профессор.
Тюменцев Александр Николаевич, д.физ.-мат.н., профессор.
Чумляков Юрий Иванович, д.физ.-мат.н., профессор.
История становления научно-педагогического коллектива
Создателем Томской научной школы физики твердого тела, разрабатывающей
проблемы создания новых конструкционных и функциональных материалов является
академик В.Д. Кузнецов. В период формирования этого направления (начало 30-х
годов ХХ века) среди всех проблем физики твердого тела наименее изученными
оставались вопросы, связанные с конструкционной прочностью кристаллических
материалов. Задачи, которые при этом необходимо было решать не имели ясных
физических подходов, отсутствовали физические модели и представления об атомных
механизмах изучаемых явлений, фактически, кроме рентгеноструктурного анализа не
было физических методов исследования реальной структуры кристаллов. Повидимому, В.Д. Кузнецов и М.А. Большанина были одними из первых ученых –
физиков, кто осознал, что решение проблемы создания новых конструкционных и
функциональных материалов с заданными свойствами – глобальной проблемы
индустриального развития общества – невозможно в рамках классического
материаловедения и требует всего арсенала методов теоретической физики,
экспериментальной техники и физической интуиции.
Однако отсутствие необходимой для изучения реальной структуры кристаллов
экспериментальной техники, физических представлений об атомных механизмах,
определяющих их поведение в механических полях, обусловили (вплоть до середины
50-х годов прошлого века) чисто феноменологические подходы к проблемам
прочности твердого тела. Наиболее важные результаты этого периода развития
исследований связаны
с работами В.Д. Кузнецова и его учеников (проф.
Савицкий К.В., Кащеев В.Н. и др.) по проблемам трения, износа и резания металлов.
Развитие исследований и наиболее важные результаты по физике пластичности и
прочности кристаллических материалов связаны с именем М.А. Большаниной и ее
учеников (Панин В.Е., Васильев Л.И., Макогон М.Б., Попов Л.Е. и др.).
С точки зрения развития физических представлений, по указанным
направлениям исследований наиболее важными представляются результаты,
полученные при исследовании поверхностной энергии твердых тел, поверхностном
схватывании и образовании микронаростов при резании и трении, оригинальные идеи
по сверхскоростному резанию металлов. Весьма плодотворными оказались идеи
проф. Большаниной М.А. о пластической деформации как совокупности
атермических процессов упрочнения и термически активируемых процессах возврата
(отдыха). На мировом уровне были выполнены под руководством М.А. Большаниной
исследования скрытой энергии деформации, дававшие возможность получить
количественные энергетические характеристики неравновесного состояния
деформированных металлов и сплавов. Выполненные исследования были обобщены в
нескольких изданных в центральных издательствах монографиях, а достижения
В.Д. Кузнецова и М.А. Большаниной отмечены Государственной премией.
Очень плодотворный для нашего научного направления этап исследований с
конца 50-х годов связан с развитием теории дислокаций. Широкое использование и
развитие физических моделей пластичности и прочности с использованием теории
дислокаций и других структурных дефектов кристаллической решетки позволило на
мировом уровне выполнить циклы исследований по вопросам пластичности и
прочности однофазных и гетерофазных сплавов, сплавов со сверхструктурой и
интерметаллидов, сплавов со структурной неустойчивостью решетки (Панин В.Е.,
Коротаев А.Д., Суховаров В.Ф., Дударев Е.Ф., Гюнтер В.Э., Тюменцев А.Н.,
Чумляков Ю.И. и др.).
Широкое развитие получили экспериментальные работы о прямому изучению
дефектной структуры исследуемых материалов методами электронной микроскопии,
начатые в Томске Л.С. Бушневым; разработка структурных моделей и выяснение
механизмов деформации и разрушения с экспериментальными исследованиями моно-,
субмикро- и нанокристаллических материалов различного класса.
Выполнен большой цикл первоклассных исследований по теории сплавов,
термодинамике и кинетике фазовых превращений (Панин В.Е., Фадин В.П.,
Егорушкин В.Е., Паскаль Ю.И., Суховаров В.Ф., Коротаев А.Д., Демиденко В.С.,
Потекаев А.И. и др.).
Одним из важных достижений нашего коллектива является обнаружение и
исследование закономерностей самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза интерметаллидов. Это направление исследований возникло при выполнении
начатых под руководством проф. Савицкого К.В. работ по порошковой металлургии
и в дальнейшем выполнялось под руководством Итина В.И. Наряду с оригинальными
исследованиями этой группой были выполнены разработки новых материалов, из
которых наибольшее значение и широкие перспективы использования в медицине
представляют пористых сплавы на основе никелида титана и СВС – технология их
получения.
Одним из интересных направлений исследований коллектива в начале 80-х
годов стало исследование эффектов и закономерностей воздействия на металлические
материалы потоков заряженных частиц. Эти работы (Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н.,
Колобов Ю.Р., Пинжин Ю.П., Итин В.И. и др.) выполнялись и выполняются
совместно с Институтом сильноточной электроники СО РАН и НИИ ядерной физики
при ТПУ.
Основные научные результаты, полученные в течение последних пяти лет
Развита единая физическая концепция высокопрочных сплавов как особого
класса материалов, принципиальной особенностью которых является изменение
структуры и подвижности индивидуальных дислокаций в полях внешних напряжений,
развитие мезоуровня пластического течения с его реализацией коллективными
ротационно-трансляционными механизмами деформации, зарождением и развитием
пластических неустойчивостей. Показана общность указанных явлений независимо от
способов достижения высокопрочного состояния.
Показано, что эффекты адсорбции и миксинга газовых компонент ионных
ускорителей принципиально меняют закономерности и механизм модификации
поверхности твердого тела в условиях ионной имплантации и воздействия мощных
ионных пучков с формированием широкого спектра высоконеравновесных фазовоструктурных состояний, в том числе нано- и аморфно-кристаллических. Найденные
закономерности позволяют кратно увеличить производительность технологий
поверхностной модификации материалов и изделий различного назначения.
Выяснены закономерности и структурные механизмы формирования субмикрои нанокристаллических состояний в металлах и сплавах в условиях интенсивных
внешних воздействий.
Разработаны технологии получения композиционных градиентно-слоистых
материалов «интерметаллид – тугоплавкое соединение».
Создано новое приоритетное научно-прикладное направление по разработке,
опытно-промышленному производству и широкому использованию в медицине
нового класса биосовместимых материалов и имплантируемых в живой организм
конструкций с памятью формы.
Выяснена природа уникальных прочностных и упруго-пластических свойств
наноматериалов. Установлена их взаимосвязь с особенностями дефектной структуры
нанокристаллитов, характерными особенностями строения и упруго-напряженного
состояния границ нанозерен, эффектами активации границ диффузионными потоками
атомов примеси.
Полученные
результаты
относятся
к
приоритетному
направлению
фундаментальных исследований «Новые материалы» и критических технологий
федерального уровня «Электронно-ионно-плазменные технологии».
Патенты
Патенты РФ №№ 2045582, 2062304, 2110107, 2177751, 2173117, 2170645, 2143867.
Важнейшие публикации членов коллектива
Монографии – 4, в т.ч. с грифом министерства – 4, статьи – 216, в т.ч. в центральных
журналах – 205.
1. Gunther V., Dambaev G., Sysoljatin P. and other. Delay Law and New Class of Materials
and Implants in Medicine. Northampton, MA 2000, USA, 2000. 432 p. ISBN 0-9702353-05.
2. Gunther V.E., Li B.Y., Rong L.J., Li J.J. Synthesis of Porous NiTi Shape Memory Alloys by
Self-Propagating High-Temperature Synthesis: Reaction Mechanism and Anisotropy in
Porous Structure. Acta. Metal. 2000. Vol. 48. P. 3895-3904.
3. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G. P., Ratochka I. V., Ivanov K. V. Diffusion-induced creep
of polycrystalline and nanostructured metals // Nanostructured Materials. 1999. Vol. 12.
P. 11271130.
4. Korotaev A.D., Tyumentsev A. N., Pinzhin Yu.P. Defect substructure and local internal
stresses inherent in plastic flow at mesolevel // Theoretical and Applied Fracture Mechanics.
2001. Vol. 35. P. 163169.
5. Korotaev A.D., Tyumentsev A.N., Pinzhin Yu.P, Safarov A.F., Bugaev S.P., Shchanin P.M.
Equipment and methods of surface modification of the microstructure and properties of
metals by adsorption assisted ion implantation-Surface & Coatings Technology, 1997.
V. 97. P. 8994.
6. Ren X., Taniwaki K., Otsuka K., Suzuki T., Tanaka K., Chumlyakov Yu.I., Ueki T. Elastic
constants of Ti50Ni30Cu20 alloy prior to martensitic transformation // Philosophical
Magazine, A. 1999. Vol. 79, N 1. P. 3141.
7. Sehitoglu H., Karaman I., Zhang X., Kim H., Chumlyakov Yu.I., Maier H.J., Kireeva I.V.
Deformation of NiTiCu shape memory single crystals in compression. Metallurgical and
materials transactions. 2001. Vol. 32A. P. 477489.
8. Tyumentsev A.N., Tretjak M.V., Korotaev A.D., Pinzhin Yu.P., Remnev G.E. Relaxation of
mechanical stresses in Ni3Al single crystals irradiated with high-power ion beams //The
Physics of Metals and Metallography. 2000. Vol. 90, № 6. P. 618-625.
9. Гюнтер В.Э., Сысолятин П.Г., Миргазизов М.З. Медицинские материалы и
имплантаты с памятью формы. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998, 486 с., ISBN 5-751109-72-4.
10. Демиденко. В.С., Нечаев И.А., Симаков В.И. Электронная структура и состояние
устойчивости фаз типа CuF2, NaCl в системе Ti-Н // Физика твердого тела. 1998. Т. 40,
№ 2. С. 195197.
11. Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые
процессы на границах зерен и
пластичность металлических поликристаллов. Новосибирск: Наука, 1998. 185 с.
12. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Дударев Е.Ф. и др. Зернограничная диффузия и свойства
наноструктурных материалов. Новосибирск: Наука, 2001. 232 с., ISBN 5-02-031462-5.
13. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Литовченко И.Ю. Особенности дефектной
субструктуры и поля напряжений в зонах локализации деформации высокопрочных
металлических сплавов // Физика металлов и металловедение, 2000. Т. 90. С. 3647.
14. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Пинжин Ю.П. Субструктура с высокой плотностью
дисклинаций в зонах активизации мезоуровня деформации в условиях воздействия
мощных ионных пучков // Доклады РАН. 1999. Т. 366, № 2. С. 196198.
15. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Суховаров В.Ф. Дисперсное упрочнение тугоплавких
металлов. Новосибирск: Наука, 1989. 210 с.
16. Тюменцев
А.Н.,
Пинжин
Ю.П.,
Третьяк
М.В.,
Валиев
Р.З.
Электронномикроскопические исследования границ зерен в ультрамелкозернистом
никеле, полученном интенсивной пластической деформацией // Физика металлов и
металловедение. 1998. Т. 86, № 6. С. 110120.
17. Тюменцев А.Н., Третьяк М.В., Пинжин Ю.П., Коротаев А.Д., Валиев Р.З. Эволюция
дефектной субструктуры в сплаве Ni3Al в ходе интенсивной пластической
деформации // Физика металлов и металловедение. 2000. Т. 90, № 5. С. 4454.
18. Чумляков Ю.И., Киреева И.В.,. Панченко Е.Ю, Сехитоглу Х. Дефекты памяти формы
в стареющих монокристаллах никелида титана // Доклады РАН. 2001. Т. 281, № 5.
Участие в течение последних трех лет в
научно-технических программах:
федеральных – 3,
международных – 1,
межвузовских – 4.
Международных проектах – 5.
Победы в конкурсе грантов – 12.
Подготовка кадров высшей квалификации за последние девять лет
Всего аспирантов – 32, из других вузов – 8.
Всего докторантов – 7, из других вузов – 4.
Защит докторских – 6. Защит кандидатских – 27.
Общественное признание научно-педагогического коллектива
Международные и государственные премии, научные медали:
стипендии Сороса 12;
государственные научные стипендии РАН 6.
Медали и дипломы выставок, конференций и т.д.:
Брюссельская ярмарка изобретений, Брюссель, 1999 г. золотая медаль.
Международная ярмарка изобретений, Женева, 2000 г. – бронзовая медаль.
Выставка-конкурс «Сибирская ярмарка». Новосибирск, 2000 г. – золотая медаль.
Членство в различных российских и зарубежных научных организациях:
действительные члены:
Международная академия высшей школы – 1,
Академия технологических наук – 1.
Члены-корреспонденты:
Академия наук высшей школы 2.
Почетные звания:
Заслуженный деятель науки и техники РФ – 1.
Почетный работник высшей школы – 1.
Связь с другими организациями
Российская академия наук
Совместная научная работа:
Институт физики твердого тела, Черноголовка, Московской области;
Институт металлургии и материаловедения, г. Москва;
Институт физики им. Киренского СО РАН, Красноярск;
Институт физики металлов УРО РАН, г. Екатеринбург;
Институт проблем сверхпластичности, г. Уфа;
Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск;
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск.
Другие государственные академии
Совместная работа:
Институт металлофизики НАН Украины, г. Киев;
Институт проблем материаловедения НАН Украины, г. Киев;
Институт онкологии СО РАМН, г. Томск.
Отраслевые научные организации
Совместная научная работа:
Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ), г.Москва;
ГНЦ РФ ВНИИНМ им. Бочара А.А., г. Москва.
Высшие учебные заведения
Совместная научная работа, подготовка кадров, организация и проведение
конференций:
Институт (технический университет) стали и сплавов (г. Москва);
Московский инженерно-физический институт (технический университет);
Красноярский и Алтайский госуниверситеты;
Алтайский технический университет (г. Барнаул);
Сибирский государственный индустриальный университет (г. Новокузнецк);
Сибирский медицинский университет (г. Томск);
Новосибирский медицинский университет (г. Новосибирск);
Кемеровский медицинский университет (г. Кемерово)
Тюменский медицинский университет (г. Тюмень).
Деятельность научно-педагогического коллектива в области
Организации специальных школ
Летняя физико-математическая школа (г. Томск);
Заочная физико-математическая школа (г. Томск).
Открытия новых специальностей
Медицинская физика, Томский госуниверситет.
Создания новых учебных дисциплин
Неравновесная термодинамика.
Структурные фазовые превращения.
Микромеханика деформации твердого тела.
Электронная теория сплавов.
Теория дислокаций.
Физика пластичности кристаллов.
Резонансные методы в металлах и сплавах.
Нанокристаллические и аморфные материалы.
Физика лучевого воздействия на металлические материалы.
Компьютерное моделирование в твердых телах.
Физика поверхности твердого тела.
Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы.
Медицинское материаловедение.
Разработки учебных программ
Программы указанных выше спецкурсов, дополнительные программы кандидатского
экзамена по физике конденсированного состояния, программа магистерского экзамена
по физике конденсированного состояния.
Организации симпозиумов, конференций
II, III, IV Всероссийские конференции молодых ученых: «Физическая
мезомеханика» материалов (ноябрь 1999 г., декабрь 2000 г., ноябрь 2001 г., г. Томск).
Международная конференция «Память формы. Биоматериалы и имплантаты»
(июнь 2001 г., г. Томск).
VI Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных (нано)систем» (август 2002 г., Томск).
Ежегодная региональная школа-семинар молодых ученых «Современные
проблемы физики и технологии» (2000–2002 гг., Томск).
VI, VII, VIII Российские научные студенческие конференции по физике твердого
тела (май 1998 г., май 2000 г., май 2002 г., Томск).
Всероссийская конференция «Биосовместимые материалы с памятью формы и
новые технологии в стоматологии», 15 июля 2003 г., Шира, Хакасия.
В других областях
На базе ТГУ создан Материаловедческий центр коллективного пользования и
Научно-образовательный центр «Физика и химия высокоэнергетических систем».
Материально-техническая база, имеющаяся в распоряжении коллектива
Комплекс современного оборудования для создания экспериментальных
сплавов, новых конструкционных и функциональных материалов методами
вакуумной плавки, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза,
порошковой металлургии; высокотемпературные вакуумные печи, лабораторный
прокатный стан; установки для выращивания монокристаллов многокомпонентных
сплавов.
Научное оборудование для структурного анализа (рентгеновские установки) – 3;
трансмиссионная и растровая электронная микроскопия – 5; Мёссбауровская
спектроскопия; вторичная ионная масс-спектроскопия; импульсный ускоритель ионов
типа «Диана»; оборудование для исследования физических и механических свойств
материалов; современные персональные компьютеры, вычислительный комплекс
(Альфа-станция).
Контактные адреса и телефоны
634050, Россия, Томск, пр. Ленина, 36, Томский госуниверситет, физический
факультет.
Телефон (382-2)-530394, факс (382-2)-533034, E-mail Korotaev@phys.tsu.ru
