ФІЗИКА МІЦНОСТІ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

На основі робіт академіка В. Н. Гріднєва та його послідовників по вивченню фазових перетворень в нерівноважних умовах сформовані фізичні уявлення про механізми дифузійних і бездифузійних процесів і природі метастабільних станів, що цілеспрямовано створенні при швидкісному нагріванні в сталях та забезпечують їх унікальні фізико-механічні властивості.

Розвиток теоретичних і експериментальних досліджень у цьому напряму сприяло розробці методів швидкісної електротермічної, лазерної, електроіскрової, термоциклічної, термомеханічної, ультразвукової, механічної ударної обробок, а також розширенню класу матеріалів, таких як титанові та жароміцні нікелеві сплави, в яких в істотно нерівноважних умовах формуються структурно-фазові стани, що забезпечують високий рівень властивостей.

Розроблено фізичні основи оптимального легування конструкційних матеріалів з метою одержання заданих властивостей при значній економії дефіцитних легуючих елементів, зокрема, алюмінієвих і інварних сплавів, сталей із над рівноважним вмістом азоту.

Встановлено механізми пластичної деформації металевих матеріалів і створені фізичні моделі руйнування конструкційних матеріалів у складних зовнішніх полях напружень, високотемпературної міцності металів та  інтерметалідів.

Результати фундаментальних досліджень склали фізичні основи розробки нових конструкційних матеріалів і технологічних процесів.

Сьогодні школою керує д.т.н., проф., акад. НАН України О. М. Івасишин

Фазові перетворення і фазові рівноваги

Розпочаті академіком Г. В. Курдюмовим піонерські роботи з фізики мартенситного перетворення в сплавах дали поштовх для систематичних досліджень цього явища, як в Інституті, так і в світі в цілому. Під керівництвом академіка В. М. Свєчникова в Інституті розпочаті й успішно розвиваються дослідження фазових рівноваг і побудови фазових діаграм багатокомпонентних сплавів з високими показниками жароміцності, жаростійкості і зносостійкості.

Вченими Інституту розроблені фізичні моделі фазових перетворень в різних сплавах, вперше виявлено явище аномально низькою і аномально високою тетрагональності  мартенситу, що лягло в основу численних експериментальних і теоретичних досліджень структурного стану мартенситу в загартованих сплавах впровадження та заміщення.

Виявлено різноманітність структурних станів при нагріванні загартованих сплавів в області низьких температур і запропоновано механізми структуроутворення, в основу яких покладені процеси релаксації внутрішніх напружень, дифузійного перерозподілу та упорядкування атомів.

В Інституті виявлено і досліджено явище політипізму в сплавах. Академіком Г. В. Курдюмовим і професором Л. Г. Хандросом відкрито явище термопружної рівноваги при фазових перетвореннях мартенситного типу (ефект Курдюмова), що обумовлює унікальні фізико-механічні властивості, зокрема, пам'ять форми, надпружність, аномально високе демпфірування металевих матеріалів.

В Інституті детально досліджено нове фізичне явище - магнітний ефект пам'яті форми в Гейслерових сплавах, який обумовлює так званий магнітний крип. Розвиток експериментальних і теоретичних досліджень фазових перетворень розширило коло металевих систем і створило наукову основу для розробки нових низькотемпературних і високотемпературних сплавів з ефектом пам'яті форми.

Наукова робота академіка В. І. Данилова покладена в основу робіт його учнів і послідовників з дослідження структури рідких і аморфних металів і сплавів і процесів їх кристалізації. Створені фізичні моделі гомогенного зародкоутворення при формуванні литих структур, встановлені закономірності кінетики та визначено механізми зародження центрів кристалізації, структуроутворення багатокомпонентних металевих розплавів в умовах їх глибокого переохолодження в залежності від структурних неоднорідностей, різних типів включень, поведінки фронту кристалізації. Результати досліджень процесів кристалізації і структуроутворення покладені в основу розробок швидкозагартованих аморфних і нанокристалічних сплавів з унікальними властивостями, нових технологій їх виготовлення і конструювання виробів з цих матеріалів.

Сьогодні школою керує д.т.н., проф., чл.-кор. НАН України Ю. М.Коваль

ТЕОРІЯ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ З НЕІДЕАЛЬНОЮ КРИСТАЛІЧНОЮ СТРУКТУРОЮ

Під керівництвом академіка А. А. Смірнова і в наступних роботах його учнів створені статистико-термодинамічні теорії: сплавів заміщення, впровадження і віднімання, які упорядковуються або розпадаються; електричних і магнітних властивостей сплавів; структурних фазових перетворень, далекого і ближнього порядків в розміщенні атомів і їх дифузії в сплавах; міжатомних взаємодій у твердих розчинах впровадження та заміщення.

До досягнень Інституту в цьому напрямку належить створення теорій: електронних властивостей невпорядкованих кристалів з урахуванням кореляційних ефектів в розташуванні атомів; флуктуонних станів і концентраційних ефектів у перебудові спектрів елементарних збуджень в неідеальних твердих тілах.

Роботи чл.-кор. НАН України М. О. Кривоглаза є основоположними в області теорії розсіювання випромінювання дефектними кристалами. Він та його учні створили кінематичну і динамічну теорії розсіювання рентгенівських променів і нейтронів неідеальними кристалами з дефектами; в рамках цих теорій дана класифікація дефектів різних типів по їх впливу на картину розсіювання випромінювання, що є основою сучасної структурної діагностики матеріалів в багатьох лабораторіях світу.

Розроблено наукові основи та принципи експериментальної діагностичної бази якісно нового рівня інформативності, чутливості і експресності.

ЕЛЕКТРОННА СТРУКТУРА І СПЕКТРОСКОПІЯ ТВЕРДОГО ТІЛА

Роботи академіка В. В. Немошкаленко покладені в основу застосування методів рентгенівської емісійної, фотоелектронної і оже-спектроскопії для дослідження металів і сплавів, що збагатило уявлення про електронну структуру та електронних властивостях широкого класу матеріалів: металів, сплавів, інтерметалідних з'єднань, оксидів, нітридів, карбідів, гідридів перехідних металів, а також про основні закономірності їх змін при фазових переходах, впорядкуванні, аморфізації та структурних перетвореннях в поверхневих шарах і плівках.

Експериментальні роботи супроводжувалися стрімким розвитком методів обчислювальної фізики, що забезпечило надалі якісно новий рівень наукових робіт Інституту. До досягнень у цьому напрямку відноситься відкриття академіком В. В. Немошкаленко і професором В. Г. Альошиним властивості неокислюванності  ультрадисперсних форм простих речовин, що знаходяться на поверхні космічних тіл.

Значним внеском у розвиток напряму є роботи в області: електродинаміки надпровідників і надпровідникових композицій в магнітних полях; фізики надпровідників з високими критичними параметрами і анізотропних неідеальних надпровідників II-го роду зі структурними дефектами, нових надпровідникових композицій і багатошарових структур. Досліджено новий клас надпровідників - ферропніктіди; виявлена ​​орбітальна вибірковість електронів, які формують в них надпровідниковоий конденсат.

У роботах цього напряму визначена роль хімічних і структурних факторів у процесах іонізації розсіяних атомів, встановлено особливості структури та динамічні властивості поверхні металів і сплавів порівняно з об'ємними властивостями з урахуванням впливу магнітних перетворень на поверхневі фонони. На цій основі створено нові методи і прилади для локального і пошарового фізико-хімічного аналізу поверхневих шарів металів і сплавів.

ФІЗИКА НАНОСТРУКТУРНИХ СИСТЕМ

Роботи А.П.Шпака покладені в основу розв’язання низки проблем спектроскопії електронних і екситонних станів низькорозмірних конденсованих систем. Показана можливість ефективної діагностики квазінульвимірних систем оптичними і електрооптичними методами. Розглянуто питання, пов’язані з теоретичними дослідженнями спектрів квазічастинок у низькорозмірних системах, складних гетероструктурах, квантових нитках, сферичних періодичних структурах і надґратках квантових точок.

Запропонована концепція нанопор як фазово-структурних неоднорідностей у конденсатах на поверхні твердого тіла. Розроблено комплекс рентгенографічних методик та методів квантово-механічного моделювання, які дали змогу дослідити особливості просторового розміщення атомів у розплавах, аморфних сплавах, а також установити зв’язок структури з фізичними властивостями у невпорядкованих середовищах.

Розвинута теорія взаємодії електромагнітного випромінювання з наночастинками та матричними дисперсними середовищами різної природи. Обгрунтовано підвищення міцності наношарових металевих композиційних матеріалів порівняно з адитивною міцністю їхніх компонентів,  доведена перспективність розробки нових способів структурування  металів для суттєвого підвищення механічних властивостей багатошарових матеріалів та покриттів. Створено нові теоретичні моделі для аналізу наноматеріалів методом фотоелектронної спектроскопії.

Створено низку наноструктурованих препаратів і матеріалів медикобіологічного призначення. В хірургічну практику впроваджено медичні препарати на основі синтетичних мінералів кістки. Описано ряд ефектів наноструктур біологічного походження в умовах протікання фізичних та біохімічних процесів.  Прикладним результатом цих досліджень було створення нового офтальмоскопу для спектрального аналізу  функціональних елементів ока та виявлення патологій у режимі реального часу.

Роботи А.П.Шпака були покладені в основу концепції створення  цільової комплексної програми фундаментальних досліджень НАН України «Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології» та Державної цільової науково-технічної програми «Нанотехнології та наноматеріали», науковим керівником яких він був.

Становлення методології синтезу та вивчення властивостей наноструктур, що проводились А.П.Шпаком сприяли формуванню нової парадигми в розумінні процесів на нанорівні.