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».

Представлен обзор работ. выполненных в последние годы в физической мезомеханике по системному подходу к описанию деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновывается тезис, что поверхностные слои и внутренние границы раздела в нагруженном материале являются важными функциональными подсистемами. Развиваемый подход является основой конструирования материалов новых поколений и методов их упрочнения в современном материаловедении.

Обобщены результаты электронномикроскопического исследования высокодефектных структурных состояний в наноструктурных (НС) материалах (Cu, Ni, Ni3Al, аустенитные стали), полученных в различных условиях интенсивной пластической деформации: кручение в наковальнях Бриджмена, равноканально угловое прессование, большие деформации прокаткой при комнатной температуре. Проанализированы поля локальных внутренних напряжений в этих состояниях. Предложена модель дефектной субструктуры объема и неравновесных границ зерен НС материалов.

Изучено влияние состава материала, давления прессования и температуры спекания на фазовый состав, плотность, прочность и электрическое сопротивление пористых проницаемых элементов систем TiC-Al2O3, и TiC-ZrO2 TiC-TiO2.

Исследовано структурно-фазовое состояние и механические свойства композиционных материалов TiC-TiNi, легированных железом. Установлено, что при спекании каркаса карбида титана с железом и последующей пропитке никелидом титана атомы железа диффундируют в матрицу, образуя градиентную по химическому составу и свойствам В2 структуру с различными температурами мартенситного превращения, что проявляется в расширении и смещении в область низких температур гистерезиса мартенситных превращений при увеличении концентрации железа. Показано, что при комнатной температуре прочностные свойства композиционных материалов TiC-TiNI с радиентной матрицей возрастает при увеличении концентрации железа.

Исследован процесс наноконструирования медного образца в паре трения с инструментальной сталью. Проведен структурный анализ нанокристаллического слоя, образующегося при трении на поверхности образца. Предложен механизм деформации данного слоя, подобный течению вязкой неньютоновской жидкости или гранулированной среды.

Определена износостойкость горячепрессованных модельных металлических композитов на основе переработанной стали ШХ15 при трении в условиях скользящего электроконтакта. Показано, что композиты с фазовым составом медь+графит+сталь ШХ15 и медь+графит+титан+сталь ШХ15 не способны к износостойкому скользящему электроконтакту. Введение свинца или никеля в первичную горячепрессованную структуру вместо титана приводит к реализации относительно высоких износостойкости и электропроводности зоны трения.

Представлены результаты теоретического исследования электронной структуры поверхности соединений, содержащих поверхностные топологически защищенные состояния. Рассмотрены идеальные поверхности и поверхности с отсутствующим внешним слоем атомов халькогена, наблюдающиеся экспериментально в виде многослойных террас. Показано, что имеющееся расхождение между теоретическим положением уровня Ферми и наблюдаемым в фотоэмиссионных экспериментах может быть объяснено наличием состояний типа "оборванной связи" на поверхности террас, образованных атомами полуметалла. Оценена доля таких террас на поверхности.

Приведены результаты исследований физико-математических и триботехнических свойств композиционных микро- и макрогетерогенных материалов матрично-наполненного типа, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана. Показано, что создание многоуровневой демпфирующей структуры позволяет регулировать процесс изнашивания материала, заданием наиболее выгодного для данных условий трения структурного уровня деформирования поверхностного слоя.

Исследованы процессы формирования структуры псевдосплава Cu-(20-40 масс.%)Cr при электронно-лучевой наплавке (ЭЛН). Для наплавки использовали смесь порошков меди и хрома. В процессе наплавки происходит диспергирование частиц хрома, обеспечивающее формирование мелкозернистой и равномерной структуры. В результате перегрева ванны в зоне действия электронного луча происходит растворение хрома в медной матрице с последующим формированием бимодальной структуры при старении наплавленного слоя.

На основе дискретного моделирования исследованы особенности деформирования и разрушения материалов с большой долей границ раздела ("interfacial materials") при воздействии сложных знакопеременных нагрузок. анализировалось влияние частоты циклического воздействия на характер разрушения образцов, их деформируемость, способность диссипировать закачиваемую энергию, а также на распределение деформаций деформаций в объеме материала. Показано, что высокочастотные вибрационные воздействия с частотами, значительно превосходящими собственные, могут значительно повышать деформационную способность материалов с большой долей границ раздела.

Исследованы закономерности локализации пластической деформации при растяжении образцов субмикрокристаллического армко-железа, имеющих полосовую фрагментированную субструктуру. Установлено, что пластическое течение субмикрокристаллического армко-железа в условиях полосовой фрагментированной субструктуры оказывается локализованным вблизи галтельных переходов у головок образцов и реализуется путем распространения мезо- и микрополос пластической деформации. Кривые течения характеризуются короткой стадией сильного деформационного упрочнения и последующим протяженным участком падения деформирующего напряжения. Снижение дефрмирующего напряжения обусловлено распространением макрополос. Показано, что пока сохраняется полосовая фрагментированная структура, имеют место сильная локализация деформации и низкая пластичность субмикрокристаллических материалов. при разрушении полосовой фрагментированной структуры в процессе термического отжига в пластическое течение вовлекается весь объем материала, а кривая "напряжение - деформация" приобретает нормальный вид.

Обобщены результаты электронно-микроскопического исследования высокодефектных структурных состояний и закономерностей их формирования в наноструктурных материалах (Cu, Ni, Ni3Al, аустенитные стали), полученных в различных условиях интенсивной пластической деформации: кручение в наковальнях Бриджмена, равноканальное угловое прессование, большие деформации прокаткой при комнатной температуре. Проанализированы поля локальных внутренних напряжений в этих состояниях. предложена модель дефектной субструктуры объема и неравновесных границ зерен наноструктурных материалов. Проведено обсуждение наиболее важных механизмов деформации и переориентации кристаллической решетки в процессе формирования наноструктурных материалов и их последующей пластической деформации.

В работе исследуются процессы деформации и разрушения материала с покрытием при динамическом воздействии на поверхность. Краевая задача механики решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Для описания механической реакции стальной основы и боридного покрытия используются модели упругопластической среды с изотропным упрочнением и упругохрупкого разрушения соответственно. Геометрия границы раздела "покрытие - подложка" соответствует экспериментально наблюдаемой и учитывается в расчетах явно. проведены численные эксперименты для различных скоростей воздействия на поверхность. Показано, что характер разрушения покрытия существенно зависит от скорости деформирования. При низких скоростях динамического сжатия трещины зарождаются только в областях объемного растяжения и распространяются в направлении приложения нагрузки, а при высоких скоростях воздействия разрушение происходит по смешанному механизму и развивается преимущественно в направлении действия максимальных касательных напряжений.

Методом трансмиссионной электронной микроскопии исследована субмикрокристаллическая структура Мо, полученная в результате интенсивной пластической деформации кручением на 5 оборотов при 400 градусах Цельсия под давлением 6 ГПа, и ее термическая стабильность. Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии исследовано состояние границ зерен субмикрокристаллического Мо после отжига в интервале температур 350-800 гр.Цельсия.

Определены износостойкость и электросопротивление зоны трения порошковых модельных композитов на основе стали Гадфильда (Г13) и переработанной стали ШХ15 в условиях скользящего электроконтакта. Представлены структура материалов и трехмерное изображение поверхности трения. Показано, что композит на основе стали Г13 формирует зону контакта с высокими электросопротивлением и шероховатостью. Обнаружено, что в зоне трения под влиянием электроэрозии происходит перенос материала композитов на стальное контртело.

Предложена двумерная математическая модель соединения инертных материалов с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, которая представляет собой двумерную сопряженную задачу теплопроводности с учетом тепловыделения вследствие химической реакции в соединительном составе и граничными условиями, соответствующими постоянному или импульсному действию внешнего источника в виде горячей пластины. Задача решается численно с использованием неявной разностной схемы, расщепления по координатам и линейной прогонки. В расчетах определяются поля температуры и степени превращения, время полного превращения в системе конечных размеров, время выхода на стационарный режим горения, скорость стационарного режима в зависимости от параметров модели.??.

Исследовано структурно-фазовое состояние и механические свойства композиционных материалов TiC-TiNi, легированных железом. Установлено, что при спекании каркаса карбида титана с железом и последующей пропитке никелидом титана атомы железа диффундируют в матрицу, образуя градиентную по химическому составу и свойствам В2-структуру с различными температурами мартенситного превращения, что проявляется в расширении и смещении в область низких температур гистерезиса мартенситных превращений при увеличении концентрации железа. Показано, что при комнатной температуре прочностные свойства композиционных материалов TiC-TiNi с градиентной матрицей возрастают при увеличении концентрации железа.????.

Численно моделируется взаимодействие одно- и двухслойных оболочек с компактным ударником из изотропной стали. Материал оболочек — ортотропный органопластик, оси симметрии ортотропного материала ориентированы относительно расчетной системы координат под различными углами. При этом тензоры упругих постоянных и тензоры прочности пересчитываются. В качестве критерия разрушения органопластика используется критерий Ву, учитываются различные прочностные характеристики органопластика на растяжение и на сжатие. Для различных скоростей соударения исследовано влияние ориентации свойств материала на процессы разрушения в ортотропном органопластике.??.

Критерий предразрушения, предложенный ранее [1] для композиционного материала «сталь – азотированное покрытие», обобщается для случая двухфазного псевдосплава Cu – 25 % Cr с твердыми частицами.

Проведены испытания на газоабразивный износ струей кварцевого песка спеченных и наплавленных композитов карбид титана – металлическая матрица. Исследована микроструктура испытанных материалов и вид поверхностей износа. Обсуждена зависимость механизма изнашивания и износостойкости от таких характеристик структуры, как объемное содержание и дисперсность упрочняющей карбидной фазы, микроструктура и физико-механические свойства металлической связки.????.

Изучено влияние холодной пластической деформации прокаткой на термостабильность структуры, механические свойства и деформационное поведение при растяжении и ползучести ультрамелкозернистого титана. Обсуждается влияние структурного состояния на характер локализации деформации на мезо- и макромасштабных уровнях при растяжении и ползучести.??.

Исследовано влияние состава и температуры спекания на объемные изменения порошковой смеси Ti–Cu. Установлено, что небольшое количествао меди (12 ат. %) вызывает активацию спекания титана в широком диапазоне температур. Увеличение содержания меди до 30 ат. % вызывает объемный рост образцов. Повышение температуры спекания до 1000 °С вызывает усадку такого порошкового материала. Показано, что температура спекания влияет на динамику уплотнения порошковых материалов Ti–Cu.??.

Методом лазерной двухэкспозиционной спекл-фотографии регистрировались пространственно-временные распределения локальных компонент тензора дисторсии при активной деформации сжатием квазипластичных материалов - соляных горных пород. Получены картины локализации деформации, рассмотрены особенности макроскопической неоднородности деформации при неупругом поведении материала. Произведено сравнение полученных результатов медленных волновых процессов при деформировании соляных пород и ионных кристаллов.

Исследовано влияние контактного трения на форму образцов из алюминиевого сплава и распределение деформации в материале при равноканальной угловой экструзии. Было показано, что смазочный материал эффективно снижает общее усилие прессования, но характер пластического течения материала остается неоднородным, поскольку обусловлен конструкционными особенностями прессового инструмент, используемого при реализации данного способа экструзии.

Исследованы эффекты электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии при сжатии гранита, мрамора и монокристаллов LiF. Обнаружено большое сходство качественного изменения амплитуды измеряемых сигналов различной физической природы с увеличением внешнего напряжения до разрушения. На примере исследования токов поляризации в монокристаллах LiF показано, что существует четкая связь качественного и количественного изменения амплитуды сигнала со стадиями развития локализованных сдвигов в объеме материала. Масштабные уровни локализации пластической деформации кристаллических материалов и горных пород при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Полученные данные анализируются с позиции представлений физической мезомеханики. Обсуждается возможность использования эффектов электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии для предсказания землетрясений.

В работе представлены результаты совместных исследований особенностей развития деформации конструкционных материалов, проведенных с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC и программно-аппаратного комплекса для регистрации акустической эмиссии. Показано, что комбинированное использование методов исследования структурных изменений, происходящих на поверхности и в объеме материала позволяет на основе выявляемой стадийности изменения информативных сигналов устанавливать соответствие между процессами деформации на микро- и мезомасштабном уровнях.

Проведено рентгенографическое исследование поверхности трансформационно-упрочненной керамики Y-TZP после трения без смазочного материала по стали в широком диапазоне скоростей (0,2-11,1 м/с). Выявлены основные тенденции изменения отношения интенсивностей I(002)/ I(200) линий тетрагональной фазы ZrO2 в зависимости от скорости скольжения и от размера зерна керамики. Обсуждены механизмы, ответственные за переориентацию решетки при разных скоростях скольжения.

В настоящей работе с позиций физической мезомеханики численно исследуются процессы формирования деформационного рельефа на поверхности структурно-неоднородных материалов на примере поликристаллических материалов и материалов с покрытиями. В трехмерной постановке исследовано напряженно-деформированное состояние в объеме и на поверхности материалов в условиях одноосного растяжения. Проанализировано влияние внутренних границ раздела на процессы, происходящие на поверхности. Показана роль внутренней структуры в процессе формирования деформационного рельефа на свободной поверхности.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования микроструктуры сплава Мо-47% Re-0,4% Zr после деформации прокаткой при комнатной температуре. Особое внимание уделено исследованию анизотропии формирующихся при этом микрополосовых наноструктурных состояний и высокоэнергетических дефектных субструктур с высокими значениями кривизны кристаллической решетки, плотности дисклинаций и локальных внутренних напряжений. Представлен дисклинационный механизм переориентации как механизм фрагментации внутренней структуры микрополос.

Представлены результаты теоретического исследования объемной и поверхностной структуры PbBi4Te7. Соединение PbBi4Te7 имеет слоистую структуру, содержащую чередующиеся в направлении гексагональной оси пяти- (Bi2Te3) и семислойные (PbBi2Te4) блоки. На основе анализа вызванной спин-орбитальным взаимодействием инвертированности краев запрещенной щели показано, что данное соединение является трехмерным топологическим изолятором. При этом топологические свойства соединения определяются, в основном, слоями PbBi2Te4. На поверхности PbBi4Te7 (0001) в окрестности точки Г формируется дираковский конус вне зависимости от типа слоя, формирующего поверхность ((Bi2Te3 или PbBi2Te4). Показано, что локализация данного состояния может иметь не только поверхностный, но и глубоко подповерхностный характер.

Изучено влияние технологических приемов формирования прочных композиций "покрытие-стальная основа", полученных оплавлением напыленных порошковых материалов из самофлюсующихся никелевых сплавов, на структуру, дюрометрические и прочностные свойства компонентов и композиций в целом.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации на микроструктуру и свойства металлических материалов на примере алюминиевого сплава А85, подвергнутого равноканальному угловому прессованию и циркониевого сплава Г110, подвергнутого ковке с переменой осей осаживания. Установлено, что при деформациях в сплавах формируется промежуточная мелкозернистая структура с бимодальным распределением зерен по размерам. При растяжении образцов из материалов с такой структурой происходит быстрая локализация деформации и образование шейки, способной к значительному утонению.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования неравновесных структурных состояний с высокими значениями кривизны и градиентов кривизны кристаллической решетки. формирующихся в объемных наноструктурных металлических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации. Изложена методика их электронно-микроскопической аттестации, исследования внутренних напряжений и градиентов (моментов) этих напряжений, локализованных на субмикронном масштабном уровне. Предложена структурная модель этих состояний как состояний с высокой континуальной плотностью дефектов (дислокаций и дисклинаций) в объеме и на границах зерен.

С помощью компьютерного моделирования исследовано поведение большеугловой границы зерен специального типа в бикристалле меди в условиях сдвигового нагружения. Обнаружено, что одновременно с относительным проскальзыванием зерен в направлении приложенной нагрузки происходит перемещение положения границы зерен в направлении, перпендикулярном действию сдвиговой деформации. Обнаруженное движение носит дискретный характер. Оно приводит к росту одного зерна за счет другого. В работе анализируется механизм такого перемещения, а также исследовано влияние скорости и направления нагружения на характер поведения границы зерен. Результаты исследований позволяют лучше понять атомные механизмы развития пластической деформации в поликристаллических материалах.

Проведено исследование особенностей распределения деформации в порошковых прессовках, подвергнутых прямой экструузии при комнатной температуре. Использовались алюминиевые порошки разной дисперсности. Установлено, что влияние сил контактного трения на характер распределения деформации в объеме образца мало, величина ее определяется геометрией матрицы. Деформация распределяется по объему образца равномерно. Все порошки принимают одинаковую вытянутую форму независимо от их исходных размеров. Границы между порошками утоняются и спрямляются, и имеют более совершенный вид между мелкими порошками. Плотность прессовок возрастает до значений, близких к теоретическим.

Получены первые результаты по разработке новых металлокермических материалов из диэлектриков и металлической связки при соотношении объемов компонентов в композитах 1:1. Проведены исследования поведения порошковых смесей при прессовании и спекании. Изучены микроструктуры композитов разных составов и зависимости их объемных изменений от температуры спекания.

В работе представлены результаты комплексных исследований структурно-фазового состояния, физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных титана и циркония при ионно-лучевой и микродуговой обработках. Показано, что низкотемпературное ионно-лучевое азотирование титана и циркония существенно (в 25-35 раз) увеличивает износостойкость его поверхностного слоя и на 40% понижает коэффициент трения при фрикционном сопряжении. Микродуговое оксидирование титана в растворе ортофосфорной кислоты, гидроксилапатита и карбоната кальция позволяет создавать кальций-фосфатные покрытия с высокими физико-механическими свойствами. Трибологические испытания в режиме сухого трения и в изотоническом растворе хлорида натрия показали, что биокомпозиционный материал на основе наноструктурированного титана и кальций-фосфатного покрытия демонстрирует достаточно высокий коэффициент трения 0,4-1,0 в процессе фрикционного взаимодействия с сверхвысокомолекуляярным полиэтиленом и костной тканью. Существенное повышение триботехнических свойств наноструктурированных циркония и титана с модифицированными поверхностными слоями делает эти материалы весьма перспективными для применения в медицине и технике.

Показано, что характерными особенностями наноструктурного состояния после большой деформации прокаткой сплава Мо-47% Re-0,4% Zr (вес %) при комнатной температуре являются значительная плотность двойников деформации с сильно фасетированными некогерентными границами микрополос переориентации со специфическим спектром большеугловых разориентировок вокруг направлений типа (110). С использованием представлений о прямых плюс обратных (по альтернативным системам) мартенситных превращениях как механизмах пластической деформации и переориентации кристаллической решетки проведен анализ возможных механизмов формирования этих состояний.

Получены характеристики диаграмм нагружения поликристаллов a-Fe и высокопрочного сплава ВТ-6 с учетом формоизменения образца в зоне формирования шейки перед разрушением. Предложен способ измерения степени пластической деформации в локальной зоне минимального сечения образца. Показано, что для выяснения стадийности процесса деформационного упрочнения материала в процессе нагружения принципиально важен учет локализации пластической деформации в локальном объеме образца на стадии формирования шейки перед разрушением материала.

Проведены исследования локализации пластической деформации при активном одноосном растяжении ГЦК-, ОЦК- и ГПУ-моно- и поликристаллических материалов на разных стадиях кривой нагружения. Установлено, что картины локализации имеют упорядоченный характер и могут быть классифицированы по четырем типам, каждый из которых соответствует определенной стадии кривой нагружения. Наблюдаемые закономерности интерпретируются в терминах самоорганизации в открытых системах. Показано, что все выделанные типы картин локализации можно трактовать как автоволны пластического течения. Проанализированы параметры этих волн и продемонстрировано коренное отличие от известных волн пластичности при ударном нагружении.

Исследована структура корундовой керамики на основе порошков различной дисперсности, получаемых промышленным методом и методом денитрации солей алюминия в плазме высокочастотного разряда. Установлено, что увеличение содержания плазмохимического порошка Al2O3 в системе приводит к смене характера поровой структуры корундовой керамики от высокопористого керамического каркаса с развитой системой каналообразующих пор к керамике с изолированной пористостью. Изменение вида поровой структуры происходит при пористости 50% и сопровождается ростом микроискажений и дроблением кристаллитов. Показано, что с увеличением температуры спекания происходит рост кристаллитов в среднем в два раза, при этом происходит отжиг дефектов по их границам.

Представлены результаты рентгенофазового анализа и механических испытаний на сжатие горячепрессованных композитов Ai-Al43 при двух содержаниях углерода, вводимого в исходную порошковую смесь. Показано, что образующийся при горячем прессовании карбид алюминия приводит к увеличению предела текучести и эффективного модуля упругости тем больше, чем выше его содержание в композите.