В работе проведена первая серия систематических экспериментов по наноструктурированию поверхностных слоев ряда авиационных материалов и их сварных соединений с целью повышения прочностных характеристик обработанных материалов. В основе предложенного подхода лежит концепция клеточного распределения напряжений и деформаций на интерфейсе «наноструктурированный поверхностный слой – подложка» в виде «шахматной доски».

Исследовано влияние наноструктурирования поверхностного слоя алюминий-литиевого сплава 1424 на его механические свойства при растяжении в интервале температур 293-673 К. Показано, что наноструктурирование поверхностного слоя качественно изменяет характер распределения в нем главного пластического сдвига, вызывая его микроволновой характер. Это обуславливает повышение пластичности материала его технологических характеристик. Температура перехода в сверхпластичное состояние снижается на 50 К.

Работа посвящена теоретическому исследованию влияния геометрических (ширина) и механических характеристик межфазных границ на прочность, величину предельной деформации и работу разрушения металлокерамических композиционных материалов. Исследование проведено путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов с использованием развитой «мезоскопической» структурной модели композита, явным образом учитывающей наличие широких переходных зон «армирующие включения - матрица». Показано, что формирование в материале относительно широких межфазных границ, характеризующихся плавным изменением механических свойств материала при переходе от керамических включений к связующему, позволяет существенно повысить механические характеристики композита. При этом большое значение имеет не только ширина, но и величина градиента изменения механических свойств в переходной зоне. Так, наличие в межфазных областях дефектов и включений наноскопического и атомарного масштабных уровней может приводить к росту внутренних напряжений в интерфейсных зонах, формированию в них резкого градиента механических свойств и, как следствие, снижению деформационных характеристик и работы разрушения композита.

Изменение структурного состояния поверхностных слоев образцов альфа-титана сильно влияет на механизмы их усталостного разрушения и усталостную долговечность. При знакопеременном изгибе образцов альфа-титана развивается усталостная трещина поперечных сдвигов, в которых происходит слабое расслоение материала. Наводораживание поверхностных слоев образцов сохраняет тип трещины поперечных сдвигов, но резко увеличивает в них расслоение материала. Расслоение происходит в наводороженных поверхностных слоях. Наноструктурирование поверхностных слоев вызывает повышение их нанотвердости, модуля упругости и обусловливает развитие усталостной трещины нормального отрыва. Усталостная долговечность уменьшается в три раза при наводораживании поверхностных слоев и возрастает в четыре раза при их наноструктурировании.

The paper reports on theoretical study to elucidate the influence of geometric (width) and mechanical characteristics of phase interfaces on strength, ultimate strain, and fracture energy of metal ceramic composites. The study was performed by computer simulation with the movable cellular automaton method and a well-developed mesoscale structural composite model that takes explicit account of wide transition zones between reinforcing inclusions and the matrix. It is shown that the formation of relatively wide “ceramic inclusions-binder” interfaces with gradual variation in mechanical properties allows a considerable increase in the mechanical properties of the composite. Of great significance is not only the interface width but also the gradient of mechanical properties in the transition zone. The presence of defects and inclusions of nano- and atomic scales in interface regions can increase internal stresses in these regions, induce a steep gradient of mechanical properties in them, and hence decrease strain characteristics and fracture energy of the composite.

Changes of structural states in near-surface layers of alfa-titanium strongly affect its fatigue life and fatigue fracture mechanisms. In alfa-titanium subjected to alternate bending a sliding mode crack develops, resulting in slight delamination of the material. Hydrogenation of alfa-titanium surface layers preserves their sliding mode cracking but greatly enhances their delamination. Nanostructuring of alfa-titanium surface layers increases their nanohardness and elastic modulus and causes opening mode cracking. The fatigue life of the material after surface hydrogenation decreases three times, and after surface nanostructuring, it increases four times.

Электронно-лучевая закалка поверхностных слоев стали 50 позволила достичь существенного уровня упрочнения, что связано с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. Обнаружено существование линейных зависимостей твердости, износостойкости и глубины зоны полной фазовой перекристаллизации от удельной поверхностной энергии излучения. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными позволило определить значение температуры аустенизации при нагреве электронным пучком.

При деформации растяжением сталей с покрытиями обнаружен волновой характер процесса множественного растрескивания покрытия. В зависимости от отношения толщин и микротвердости основы и покрытия проявляются такие нелинейные волновые процессы, как волны переключения и заселения. С помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса показано, что инициированные развивающимися трещинами зоны локализованной деформации определяют неоднородный характер деформации и разрушение исследованных композиций типа «сталь – покрытие».

Проведены исследования элементного состава и микротвердости поверхностного слоя образцов инструментальных сталей с карбидным упрочнением после восстановительной термообработки и последующей имплантации ионов Ti в различных режимах. Исследования износостойкости выполнены на пуансонах, служащих для холодного выдавливания корпусов веловтулок. Установлена корреляция между характером изменения элементного состава и служебными характеристиками изделий в зависимости от режимов имплантации.