Journal of Physical Studies 24(2), Article 2001 [20 pages] (2020)
DOI: https://doi.org/10.30970/jps.24.2001

SEVERE PLASTIC DEFORMATION: METHODS AND MATHEMATICAL MODELS OF NANOMATERIALS FORMATION

A. V. Khomenko 

Sumy State University,
2, Rymskyi-Korsakov St., Sumy, UA-40007, Ukraine

Received 15 November 2019; in final form 23 January 2020; accepted 17 February 2020; published online 29 May 2020

The paper explores methods of obtaining ultrafine-grained and nanostructural materials and corresponding theoretical models. The focus is on the methods of severe plastic deformation: examples of schemes and features of the treatment process are given. Experimental studies of obtaining nanocrystalline structures in various metals or alloys in the process of severe plastic deformation are described. These studies can be used for the synthesis of metals of different classes for the manufacture of constructions for a suitable purpose. In particular, the reasons for the formation of unstable configurations or manifestations of abnormal effects in the material properties, which are common in practice and can lead to premature destruction during operation, have been identified. Theoretical approaches to the description of the process of solids fragmentation during severe plastic deformation are reviewed. The method of nonequilibrium evolution thermodynamics is considered, which makes it possible to unambiguously establish the behavior of nonequilibrium variables during the processing of solids. The phenomenological foundations of the approach that unite the first and the second laws of thermodynamics are presented, and a model is proposed that allows describing the specifics of the process of the fragmentation and formation of a limiting (stationary) structure during the severe plastic deformation. Taking into account the two-defect approximation, the main relationships are determined in terms of effective internal energy, and the stages of the fragmentation process are described. The study shows that the Taylor relation provides a self-consistent feedback between the process of the formation of a stationary structure and the condition of its formation in the form of acting stresses. The conclusion is that there are a number of questions regarding severe plastic deformation that have not yet been fully investigated. It is these questions that should be in the main focus of future studies.

pdf


References
  1. А. М. Глезер, И. Е. Пермякова, Нанокристаллы, закаленные из расплава (Физматлит, Москва, 2012).
  2. S. Rusz et al., Arch. Metall. Mater. 60, 3011 (2015);
    CrossRef
  3. Р. З. Валиев, И. В. Александров, {\em Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства} (ИКЦ "Академкнига", Москва, 2007).
  4. Y. Estrin, A. Vinogradov, Acta Mater. 61, 782 (2013);
    CrossRef
  5. Я. Е. Бейгельзимер, В. Н. Варюхин, Д. В. Орлов, С. Г. Сынков, Винтовая екструзия --- процесс накопления деформации (Фирма ТЕАН, Донецк, 2003).
  6. H. Ueno, K. Kakihata, Y. Kaneko, S. Hashimoto, A. Vinogradov, Acta Mater. 59, 7060 (2011);
    CrossRef
  7. O. V. Prokof’eva, Y. Y. Beygelzimer, R. Y. Kulagin, Y. Z. Estrin, V. N. Varyukhin, Russ. Metall. 2017, 226 (2017);
    CrossRef
  8. M. I. Latypov, I. V. Alexandrov, Y. E. Beygelzimer, S. Lee, H. S. Kim, Comp. Mater. Sci. 60(C), 194 (2012);
    CrossRef
  9. A. Vinogradov, Y. Estrin, Prog. Mater. Sci. 95, 172 (2018);
    CrossRef
  10. I. A. Ovid'ko, R. Z. Valiev, Y. T. Zhu, Prog. Mater. Sci. 94, 462 (2018);
    CrossRef
  11. O. Renk, R. Pippan, Mater. Trans. 60, 1270 (2019);
    CrossRef
  12. Y. Beygelzimer et al., Adv. Eng. Mater. 19, 1600873 (2017);
    CrossRef
  13. В. И. Сергеев, {\em Влияние химического состава, фазового и структурного состояния на свойства материалов. Учебное пособие} (УГАТУ, Уфа, 2007).
  14. R. K. Islamgaliev, K. M. Nesterov, R. Z. Valiev, Vestn. UGATU 17, 81 (2013).
  15. I. G. Brodova, J. Siberian Federal Univ. Eng. Technol. 8, 519 (2015).
  16. S. N. Sergeev et al., Lett. Mater. 2, 117 (2012).
  17. A. A. Mazilkin, B. B. Straumal, S. G. Protasova, O. A. Kogtenkova, R. Z. Valiev, Phys. Solid State 49, 824 (2007);
    CrossRef
  18. A. D. Pogrebnjak et al., J. Alloys Compd. 679, 155 (2016);
    CrossRef
  19. A. M. Glezer, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 71, 1722 (2007);
    CrossRef
  20. А. М. Глезер, Э. В. Козлов, Н. А. Конева, Н. А. Попова, И. А. Курзина, Основы пластической деформации наноструктурных материалов (Физматлит, Москва, 2016).
  21. L. A. Maltseva et al., Fiz. Tekhn. Vysokikh Davleniy 19, 83 (2009).
  22. V. I. Sokolenko, А. V. Маts, V. A. Mats, Fiz. Tekhn. Vysokikh Davleniy 23, 96 (2013).
  23. E. H. Pashinskaya et al., Fiz. Tekhn. Vysokikh Davleniy 25(1-2), 107 (2015).
  24. P. P. Pal-Val et al., Mater. Sci. Eng. A: Struct. 618, 9 (2014);
    CrossRef
  25. I. S. Golovin, P. P. Pal-Val, L. N. Pal-Val, E. N. Vatazhuk, Y. Estrin, Solid State Phenom. 184, 289 (2012);
    CrossRef
  26. G. A. Malygin, Phys. Solid State 44, 1305 (2002);
    CrossRef
  27. G. A. Malygin, Phys. Solid State 44, 2072 (2002);
    CrossRef
  28. G. A. Malygin, Phys. Solid State 57, 967 (2015);
    CrossRef
  29. V. M. Segal, I. J. Beyerlein, C. N. Tome, V. N. Chuvil'deev, V. I. Kopylov, Fundamentals and Engineering of Severe Plastic Deformation (Nova Science Publishers, New York, 2010).
  30. V. N. Chuvil'deev, A. V. Semenycheva, Phys. Solid State 59, 1 (2017);
    CrossRef
  31. Y. Beygelzimer, Mech. Mater. 37, 753 (2005);
    CrossRef
  32. Л. С. Метлов, Неравновесная эволюционная термодинамика и ее приложения (Ноулидж, Донецк,\linebreak 2014).
  33. L. S. Metlov, Phys. Rev. E 90, 022124 (2014);
    CrossRef
  34. L. S. Metlov, A. M. Glezer, V. N. Varyukhin, Russ. Metall. 2015, 269 (2015);
    CrossRef
  35. K. S. Kormout, R. Pippan, A. Bachmaier, Adv. Eng. Mater. 19, 1600675 (2017);
    CrossRef
  36. A. Bachmaier, R. Pippan, Int. Mater. Rev. 58, 41 (2013);
    CrossRef
  37. Y. Beygelzimer, Y. Estrin, R. Kulagin, Adv. Eng. Mater. 17, 1853 (2015);
    CrossRef
  38. R. Kulagin et al., Mater. Lett. 222, 172 (2018);
    CrossRef
  39. R. Kulagin, Y. Beygelzimer, A. Bachmaier, R. Pippan, Y. Estrin, Appl. Mater. Today 15, 236 (2019);
    CrossRef
  40. B. Baretzky et al., Rev. Adv. Mater. Sci. 9, 45 (2005).
  41. B. B. Straumal et al., Mater. Lett. 98, 217 (2013);
    CrossRef
  42. B. B. Straumal et al., Mater. Lett. 145, 63 (2015);
    CrossRef
  43. Yu. V. Khlebnikova, L. Yu. Egorova, V. P. Pilyugin, T. R. Suaridze, A. M. Patselov, Tech. Phys. 60, 1005 (2015);
    CrossRef
  44. I. Y. Litovchenko, A. N. Tyumentsev, A. V. Korznikov, S. A. Akkuzin, Bull. Tambov State Univ. 18, 1970 (2013).
  45. П. В. Бриджмен, Исследование больших пластических деформаций и разрыва (Изд-во иностранной литературы, Москва, 1955).
  46. В. И. Копылов, Д. А. Павлик, В. Ф. Малышев, В. М. Сегал, В. И. Резников, Процессы пластического структурообразования металлов (Навука і тэхніка, Минск, 1994).
  47. V. Segal, in Severe Plastic Deformation, edited by A. Burhanettin (Nova Science Publishers, New York, 2006), Chap. 1.1, pp. 1--22.
  48. Zhibo Zhang et al., Mater. Sci. Eng. A: Struct. 594, 321 (2014);
    CrossRef
  49. D. Orlov et al., Mater. Sci. Eng. A: Struct. 519, 105 (2009);
    CrossRef
  50. A. A. Goncharov, V. V. Petukhov, D. N. Terpii, P. I. Ignatenko, V. A. Stupak, Inorg. Mater. 41, 696 (2005);
    CrossRef
  51. A. A. Goncharov, S. N. Dub, A. V. Agulov, V. V. Petukhov, J. Superhard Mater. 37, 422 (2015);
    CrossRef
  52. A. D. Pogrebnjak, A. A. Goncharov, Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 38, 1145 (2016);
    CrossRef
  53. G. A. Malygin, Usp. Fiz. Nauk 181, 1129 (2011);
    CrossRef
  54. G. A. Malygin, Usp. Fiz. Nauk 169, 979 (1999);
    CrossRef
  55. G. A. Malygin, Phys. Solid State 49, 1013 (2007);
    CrossRef
  56. В. Н. Чувильдеев, Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения (Физматлит, Mосква, 2004).
  57. G. V. Afonin, S. V. Khonik, A. A. Kaloyan, V. A. Khonik, Phys. Solid State 54, 2150 (2012);
    CrossRef
  58. Jianjun Zhu et al., Powder Technol. 331, 129 (2018);
    CrossRef
  59. G. Pál, Z. Jánosi, F. Kun, I. G. Main, Phys. Rev. E 94, 053003 (2016);
    CrossRef
  60. L. S. Metlov, V. N. Varyukhin, Fiz. Tekhn. Vysokikh Davleniy 22, 7 (2012).
  61. Д. С. Трощенко, дис. канд. фіз.-мат. наук (СумДУ, Суми, 2018).
  62. A. V. Khomenko, D. S. Troshchenko, in Advances in Materials Science Research. Vol. 33, edited by M. C. Wythers (Nova Science Publishers, New York, 2018), Chap. 9, pp. 231--273.
  63. A. V. Khomenko, D. S. Troshchenko, L. S. Metlov, Condens. Matter Phys. 18, 33004 (2015);
    CrossRef
  64. O. V. Khomenko, D. S. Troshchenko, L. S. Metlov, Metalofiz. Noveishiye Tekhnol. 39, 265 (2017);
    CrossRef
  65. A. V. Khomenko, D. S. Troshchenko, L. S. Metlov, Russ. Metall. 2018, 295 (2018);
    CrossRef
  66. A. V. Khomenko, D. S. Troshchenko, L. S. Metlov, P. E. Trofimenko, Nanosist. Nanomater. Nanotekhnol. 15, 203 (2017).
  67. A. Khomenko, D. Troshchenko, L. Metlov, Phys. Rev. E 100, 022110 (2019);
    CrossRef
  68. A. M. Glezer, L. S. Metlov, Phys. Solid State 52, 1162 (2010);
    CrossRef
  69. J. M. Rubi, A. Gadomski, Physica A 326(3-4), 333 (2003).
  70. A. Gadomski, J. Siódmiak, I. Santamaría-Holek, J. M. Rubí, M. Ausloos, Acta Phys. Pol. B 36, 1537 (2005).
  71. И. Дьярмати, Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы (Мир, Москва, 1974).
  72. A. G. Knyazeva, Math. Modeling Syst. Process. 13, 45 (2005).
  73. B. B. Straumal et al., Mater. Lett. 159(C), 432 (2015);
    CrossRef
  74. L. D. Landau, E. M. Lifshitz, Course of Theoretical Physics, Vol. 5: Statistical Physics (Butterworth, London, 1999).
  75. E. M. Lifshits, L. P. Pitaevskii, Course of Theoretical Physics, Vol. 10: Physical Kinetics, 1 ed. (Pergamon Press, Oxford, 1981).
  76. A. Choudhury, B. Nestler, Phys. Rev. E 85, 021602 (2012);
    CrossRef
  77. J. Rosam, P. K. Jimack, A. M. Mullis, Phys. Rev. E 79, 030601 (2009);
    CrossRef
  78. Дж. Хирт, И. Лоте, Термодинамическая теория структур, устойчивости и флуктуаций (Атомиздат, Москва, 1972).
  79. V. V. Malashenko, Phys. Solid State 56, 1579 (2014);
    CrossRef
  80. И. П. Базаров, Термодинамика (Высшая школа, Москва, 1991).
  81. F.-J. Pérez-Reche, L. Truskinovsky, G. Zanzotto, Phys. Rev. Lett. 99, 075501 (2007);
    CrossRef
  82. A. V. Khomenko, O. V. Yushchenko, Phys. Rev. E 68, 036110 (2003);
    CrossRef
  83. A. V. Khomenko, I. A. Lyashenko, Phys. Solid State 49, 936 (2007);
    CrossRef
  84. A. V. Khomenko, I. A. Lyashenko, Condens. Matter Phys. 9, 695 (2006);
    CrossRef
  85. A. I. Olemskoi, O. V. Yushchenko, A. Yu. Badalyan, Theor. Math. Phys. 174, 386 (2013);
    CrossRef
  86. O. Yu. Mazur, L. I. Stefanovich, Phys. Solid State 61, 1420 (2019);
    CrossRef
  87. L. I. Stefanovich, O. Yu. Mazur, V. V. Sobolev, Nanosci. Nanotech. -- Asia 9, 344 (2019);
    CrossRef
  88. I. A. Lyashenko, A. V. Khomenko, L. S. Metlov, Tribol. Int. 44, 476 (2011);
    CrossRef
  89. A. V. Khomenko, N. V. Prodanov, J. Phys. Chem. C 114, 19958 (2010);
    CrossRef
  90. A. V. Khomenko, I. A. Lyashenko, J. Frict. Wear 31, 308 (2010);
    CrossRef
  91. М. М. Протодьяконов и др., Расnpеделение и корреляция показателей физических свойств горных пород: Справочное пособие (Недра, Москва, 1981).
  92. Л. М. Качанов, Основи теории пластичности (Наука, Москва, 1969).
  93. В. Л. Покровский, А. З. Паташинский, Флуктуационная теория фазовых переходов (Наука, Москва, 1982).
  94. L. S. Metlov, Phys. Rev. Lett. 106, 165506 (2011);
    CrossRef
  95. L. S. Metlov, Fiz. Tekhn. Vysokikh Davleniy 18, 53 (2008).
  96. L. S. Metlov, Bull. Donetsk Nat. Univ. Ser A 2, 108 (2007).
  97. A. V. Khomenko, I. A. Lyashenko, L. S. Metlov, Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 30, 859 (2008).