В монографии представлены результаты исследований по одному из основных научных направлений "Фундаментальные закономерности, физико-математические и структурные модели синтеза и функциональные свойства нанокристаллических частиц, материалов и покрытий" Научно-образовательного центра Томского госуниверситета "Физика и химия высокоэнергетических систем", организованного по гранту Фонда гражданских исследований и развития (CRDF) российско-американской программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" (BRHE). Исследования посвящены проблемам синтеза наночастиц в конденсированных средах, компьютерному моделированию формирования биметаллических нанотрубок и их поведения в условиях внешних воздействий, закономерностей деформации и разрушения наноматериалов при динамическом нагружении, экспериментальным исследованиям механических свойств нанокристаллических металлических и керамических материалов при различных условиях нагружения. Для специалистов в области создания нанотехнологий и наноматериалов конструкционного назначения, а также студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

В издании на совершенно доступном уровне, но на основании абсолютно точных физических посылок излагаются особенности структуры и свойств трех основных классов материалов, используемых в современной жизни - металлов, полимеров и керамики. Книга прежде всего адресована студентам и преподавателям, однако огромный справочный материал. содержащийся в книге делает ее настольной и для действующего инженера. Издание иллюстрировано прекрасными фотографиями. Оно содержит многочисленные задачи-проблемы, ставящиеся перед студентами, примеры и их решения. В книге содержатся точные определения и описание конкретных современных материалов, а также перспективы создания новых материалов. Авторы говорят о сложных вещах понятным языком, почти не прибегая к математике. что делает учебник доступным при подготовке инженеров любого направления. Книга построена именно как учебник: в ней есть последовательность и логика изложения, контрольные вопросы, выделены основные понятия и термины, приведен обширный фактический цифровой материал.

В работе исследовано механическое поведение при активной деформации сжатием керамики на основе диоксида циркония. Деформационные диаграммы имеют нехарактерный для хрупких консолидированных материалов прогиб вниз. Показано, что отклонение от линейности в деформационном поведении не связаны с перемещением микрообъемов материала, имеет место только упругая деформация. Полученные результаты характеризуют отклик образца, представляющего собой деформируемую систему, образованную в результате технологического процесса "прессование - спекание", на одноосное нагружение. Обнаруженный эффект механической микронеустойчивости ячеистой микроструктуры, образованной вследствие разрушения сферических частиц, составляющих исходный порошок, приводит к механической устойчивости макроскопических структурных элементов.

Изложены результаты структурных исследований композита диоксид циркония/многостенные углеродные нанотрубки, полученного электрофоретическим соосаждением компонентов. На основе данных калориметрии, Раман-спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии показано существенное влияние углеродных нанотрубок на кинетику спекания диоксида циркония, а также структуру и фазовый состав спеченной керамики.

В работе представлено обобщение метода построения регулярных сеток на трехмерную область на основе уравнений механики деформируемого твердого тела, описывающих деформацию конечного объема. Представлены расчеты разрушения керамических композитов с включениями на основе разработанной модели квазихрупкой среды с учетом накопления повреждений.

The regular grid generation method was generalized for a 3D region based on the solid mechanics equations that describe deformation of a finite volume. Test calculations of fracture of ceramic composites with inclusions are represented which are based on the developed model of quasi-brittle media with regard to damage accumulation.

В учебно-справочном руководстве изложены основы материаловедения машиностроительных материалов: металлов, полимеров, керамики, древесины и композитов на их основе. Приведены сведения о физико-химических процессах формирования структуры материалов при различных видах энергетических воздействий. Для всех типов материалов дан анализ взаимосвязи их структуры и свойств. Рассмотрены технико-экономические аспекты выбора материалов для различных узлов машин и механизмов. В издании впервые изложена ведущая тенденция современного материаловедения: эволюция материалов от обычных к многофункциональным, далее к активным. а затем к "умным", уделено внимание специальным материалам с особыми физическими свойствами (магнитные, высокоомные материалы, сверхпроводники, сплавы с "эффектом памяти" и др.), а также методам инженерии поверхности и высокоэнергетическим технологиям модифицирования поверхностных слоев машиностроительных изделий, высокоскоростной кристаллизации материалов, нанесению покрытий и др. Для студентов машиностроительных и технологических специальностей. Книга будет полезна магистрантам и аспирантам, а также слушателям системы послевузовской подготовки, конструкторам и технологам промышленных предприятий.

С целью разработки биосовместимых антифрикционных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в первой части работы определены механические и триботехнические характеристики гибридной полимерной матрицы в виде смеси СВМПЭ с политетрафторэтиленом (ПТФЭ) в условиях сухого трения, граничной смазки и абразивного износа. Показано, что интенсивность изнашивания указанного материала в условиях сухого трения скольжения снижается более, чем вдвое в сравнении с чистым СВМПЭ. При этом механические характеристики изменяются несущественно. В условиях граничной смазки (дистиллированная вода) износостойкость матричного материала близка к таковой при сухом трении скольжения. В условиях абразивного изнашивания износостойкость композиций мало отличается от износостойкости исходного СВМПЭ. Обсуждаются механизмы изнашивания полимерной смеси СВМПЭ—ПТФЭ в условиях сухого трения скольжения и абразивного изнашивания.??.

Работа посвящена исследованию возможностей метода механических воздействий на твердые тела для создания новых материалов и материалов с улучшенными характеристиками. Основная цель работы - установление закономерностей протекания физико-химических процессов в твердых неорганических веществах, возникающих при механохимических воздействиях, а также исследование влияния механической обработки на реакционную способность твердых тел с последующим использованием этих знаний для создания технологий синтеза керамических и композиционных материалов с улучшенными свойствами. В работе предложены методы оценки эффективности механического воздействия на обрабатываемое вещество аппаратов, используемых в качестве химических реакторов, На основе обнаруженных закономерностей разрушения и агрегации твердых тел под влиянием механических воздействий разработаны методы выделения мельчайших частиц твердых веществ и их агрегатов для создания материалов с новыми свойствами.

Исследованы механические свойства керамики ZrO2-3 вес. % MgO в зависимости от количественного фазового состава. Показано, что. уровень механических свойств керамики обусловлен количеством моноклинной фазы, содержащейся в материале. Обнаружено, что помимо, механизма трансформационного превращения, полученная керамика упрочнена микротрещинами. Также изучены триботехнические свойства керамик ZrO2=3 вес.% MgO, упрочненной микротрещинами и мартенситным превращением в условиях сухого трения по стали. Обсуждаются факторы, влияющие на поведение такой керамики при трении и износе.

Получены зависимости электропроводности контакта и интенсивности изнашивания металлических материалов от плотности электрического тока в условиях трения скольжения. Установлено, что легирование основы материала приводит к ускорению разрушения поверхности трения. Методом оже-спектрометрии определено присутствие кислорода около 40 ат. % в поверхностном слое. Методом рентгенографии показано, что в поверхностном слое формируется оксид FeO, который способствует увеличению электропроводности контакта.

Изучены процессы изнашивания керамики на основе тетрагонального диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (Y-TZP), при высокоскоростном скольжении по стали без смазочного материала. Испытания проводились по схеме палец-диск до скоростей скольжения 47 м/с. Показано, что в процессе испытаний на изнашивание на поверхности керамических материалов Y-TZP и Y-TZP-Al2O3 возникают трибослои сложного состава, которые являются причиной немонотонного изменения интенсивности изнашивания. На первой стадии при увеличении скорости скольжения (от 0,1 до 4 м/с) имеет место смена типа изнашивания от нормального к катастрофическому с высокой интенсивностью изнашивания. На второй стадии (в диапазоне скоростей от 6 до 47 м/с) интенсивность изнашивания уменьшается практически до начальных значений, характерных для малых скоростей скольжения (0,1 м/с). В этом диапазоне скоростей имеет место практически безысносное трение керамик Y-TZP и Y-TZP-Al2O3.

Проведено численное исследование деформации и разрушения мезообъема композиционного материала на металлической основе. Иерархическое моделирование подразумевает 1) явный учет внутренней структуры композита, как возможности введения масштабного фактора, 2) введение различных моделей для описания механического поведения пластичной матрицы и хрупких керамических включений, дающих возможность описания различных физических процессов и их взаимовлияния, а именно: пластического течения с учетом деформационного упрочнения и разрушения. Критерий разрушения типа Губера учитывает различия в критических величинах для разных типов локальных состояний - растяжения и сжатия. Показано, что комплексное механическое поведение мезообъема композита как целого контролируется взаимосвязанными процессами формирования полос локализованного сдвига в матрице и растрескивания включений. Установлено, что даже в условиях одноосного внешнего сжатия в композиционном материале могут возникать локальные области растяжения, величина напряжений в которых имеет существенное значение: порядка 30% от величины сжимающих нагрузок для исследуемого типа структуры. Показано, что незначительная модификация критерия наибольшей интенсивности касательных напряжений применительно к структурно-неоднородной среде позволяет правильно описать направление распространения трещин при отрыве для разных способов нагружения (растяжение, сжатие).

В работе рассмотрены физически обоснованные модели пластической деформации и разрушения. Иерархическое моделирование подразумевает явный учет внутренней структуры композита как возможности введения масштабного фактора, введение различных моделей механического поведения пластичных матриц и подложек, хрупких и квазихрупких включений и т.д. для описания разных физических процессов и их взаимовлияния. Проведена серия численных экспериментов по нагружению металлов и сплавов, которые используются в качестве подложки и матрицы при разработке материалов с покрытиями и композитов на металлической основе, в широком диапазоне температур и скоростей деформирования. Предложен критерий разрушения типа Хубера, который учитывает различия в критических величинах для разных типов локальных состояний: растяжение и сжатие. Исследованы процессы разрушения мезообъемов композита Al–Al2O3 и материалов, поверхностно упрочненных методами электронно-лучевой наплавки и диффузионного борирования, в том числе с градиентным подслоем. Показано, что комплексное механическое поведение композиции как целого контролируется взаимосвязанными процессами формирования полос локализованного сдвига в матрице/подложке и растрескивания включений/покрытий.

Методом остаточной прочности исследована термостойкость спеченных металлокерамических композиционных материалов на основе TiC. Обнаружена сильная зависимость термостойкости и коэффициента вариации остаточной прочности от химического состава металлической связки и объемной доли карбидной фазы в материале. Сделан вывод об определяющем значении для термостойкости композиционных материалов величины сжимающих напряжений в объеме материала, которая, в свою очередь, определяется разностью коэффициентов термического расширения карбидной и металлической фазы.

Справочник содержит информацию о современных неметаллических полимерных машиностроительных материалах. Он создан авторским коллективом специалистов ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей" под руководством В. Е. Бахаревой и Г. И. Николаева. Справочник обобщает опыт большого научного коллектива и посвящен разработке новых полимерных композиционных материалов, технологии изготовления из них машиностроительных, электротехнических, корпусных деталей, теплозвукоизоляционных, конструктивно- и декоративно-отделочных материалов, а также организации промышленного производства и внедрения их в промышленность. Первая часть справочника посвящена характеристике антифрикционных полимерных материалов в триботехнике. Особое внимание уделено новым антифрикционным высокопрочным углепластикам и конструкциям на их основе. Во второй части справочника подробно описаны электротехнические радиопрозрачные полимерные композиционные материалов (ПКМ). Части третья и шестая посвящены применению звукоизоляционных, конструктивно- и декоративно-отделочных материалов, а в части седьмой - сведения по применению и свойствам лакокрасочных покрытий. Восьмая часть посвящена средствам и системам электрохимической катодной и протекторной защиты. Справочник предназначен для научных, инженерно-технических работников, научно-исследовательских институтов, машиностроительных, в том числе судостроительных и приборостроительных предприятий, работников топливно-энергетического комплекса, энергетического и тяжелого машиностроения, обслуживающего персонала гидротурбин, насосов, судовых механизмов, трубопроводов и арматуры, проектно-конструкторских организаций. Он может быть также использован в качестве учебного пособия преподавателями, аспирантами и студентами университетов.

Изложены современные представления об особенностях технологических процессов получения слоистых композиционных материалов (СКМ), широко применяющихся в промышленности. Приведены данные о взаимодействии алюминия с титаном, сталью, медью, магнием. Значительное внимание уделено особенностям получения СКМ сваркой взрывом и выбору оптимальных параметров процесса. Впервые описаны особенности сварки взрывом алюминиевых и магниевых сплавов. Подробно рассмотрены основные факторы, влияющие на формирование структуры СКМ при сварке взрывом и последующей термообработке. Для работников машиностроительных предприятий и научно-исследовательских учреждений. Может быть полезна студентам и аспирантам и технических вузов.

Исследованы количественные параметры структур, возникающих на поверхности, и износостойкость керамики ZrO2-Y2O3 после трения по стальному диску. Показано, что на поверхностях трения керамики формируются квазипериодические трещины и образуется слой переноса. Обнаружено, что интенсивность изнашивания коррелирует с расстоянием между трещинами вдоль направления скольжения и количеством элементов стального контртела на поверхности керамики.

Разработаны принципиально новые композиционные покрытия, состоящие из трехмерных капиллярно-пористых (ТКП) плазменных титановых покрытий и биоактивных керамических (БК) покрытий, формируемых микродуговым оксидированием. Композиционные покрытия предназначены для использования на поверхности внутрикостных тазобедренных имплантатов. Сочетание ТКП с открытой макропористостью в виде впадин и биоактивного покрытия способствует формированию сравнительно высокой (до 75%) объемной доли костной ткани на поверхности имплантата, что свидетельствует о высоких остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойствах разработанных композиционных покрытий.

Исследована поровая структура и ее влияние на механическое поведение керамики с пористостью, изменяющейся в широких пределах (от 0 до 70 %). Показано, что существует критическое значение пористости, при котором характер деформирования принципиально изменяется: материал разделяется на две подсистемы, по-разному деформирующиеся под действием внешнего нагружения. При этом происходит потеря устойчивости малозвенных стержневых структур, сформированных при спекании пористого тела, причем возможна их значительная макродеформация как структурных элементов, осуществляемая в упругой области. Обнаружена корреляция между размерами кристаллитов и пористостью, связанная с переходом поровой структуры из изолированной в сообщающуюся, а пористость 20 % соответствует первому порогу перколяции.??.

Приведены результаты исследования структуры поверхностей трения и триботехнических характеристик двухфазной керамики Y-TZP (97 мол.% ZrO2 + 3 мол.% Y2O3) и сплавов TiC-NiTi после трения по стальному диску в широких диапазонах скоростей (0,9+9,4 м/с для композитов с металлической матрицей и 0,2+11,1м/с с керамической матрицей) при давлении 5МПа. При трении при малых скоростях износостойкость Y-TZP и TiC-NiTi напрямую зависят от способности матрицы испытывать мартенситное превращение, а при высоких не зависят от нее. В случае керамики Y-TZP, формирующийся на поверхности трения сплошной слой переноса служит в качестве "мягкого" защитного покрытия, снижающего интенсивность изнашивания при высоких скоросях трения. В случае TiC-NiTi поведение материалов при скоростях >4 м/с контролируется процессами экструзии связки в размягченном/расплавенном состоянии из межкарбидного пространства в зону трибоконтакта.

В работе изучены керамические образцы, синтезированные из высокодисперсных порошков на основе ZrO2. Методом рентгеноструктурного анализа исследованы параметры тонкой кристаллической структуры и фазовый состав на поверхности после спекания и в объеме. Установлено, что размер кристаллитов слабо зависит от количества стабилизирующий добавки. С увеличением оксид магния в системе происходит уменьшение доли высокотемпературной кубической фазы. В объеме материала во всех образцах наблюдалось уменьшение кубической модификации ZrO2 и возрастание количества моноклинной. Наблюдалось уменьшение размера кристаллитов моноклинного и кубического ZrO2 и возрастание микродисторсии.

Обсуждаются методика и результаты численного анализа внутренних напряжений и деформаций в дисперсно-наполненном полимерном материале при изменении его температуры, когда матрица и включения имеют различные теплофизические свойства. Пространственно-временные распределения температуры определяют постановку задач на мезоуровне, где рассматривается представительный объем (мезообъем) материала как матрица с относительно небольшим числом включений. Анализ детального распределения напряжений и деформаций в окрестности включения позволяет сформулировать утверждение, что одной из причин образования межфазного слоя на границе "матрица-включение" могут служить возникающие особенности напряженно-деформированного состояния. Этим же обстоятельством можно объяснить существенные расхождения получаемых теоретических макрохарактеристик высоконаполненного полимерного композитного материала с их экспериментально полученными значениями.

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.

Приведены результаты исследований физико-механических свойств материалов антифрикционного и фрикционного назначения из порошковых шламовых отходов шарикоподшипникового производства и технология их получения.

Методами ИК-спектроскопии, РФА с применением кинетических исследований и термодинамического моделирования разработан и реализован в виде методики атомно-эмиссионного анализа материаловедческий подход, позволяющий с учетом фазовых превращений экспрессно проводить аналитический контроль материалов на основе ZrO2.

Изучено поведение нанокристаллического порошка диоксида циркония при прессовании и спекании. Установлено, что даже при небольшом давлении прессования 50 МПА, происходит интенсивное разрушение структурных элементов порошка. Активное взаимодействие нанокристаллических частиц на стадии нагрева приводит к формированию пористого каркаса, устойчивого к дальнейшему уплотнению при изотермической выдержке в процессе спекания.

Проведено исследование закономерностей ударного разрушения на разных масштабных уровнях образцов эпоксидных композиционных материалов, армированных дисперсным наполнителем (микрочастицами карбида кремния) в различной концентрации. Показано, что высокая степень структурной неоднородности эпоксидных композиционных материалов на различных структурных уровнях является одним из факторов, определяющих их физико-механические свойства. При динамическом деформировании в материале действует развитая иерархия структурных уровней деформации, которая обуславливает самосогласованное деформирование и разрушение всего объема материала при ведущей роли поворотных мод деформации. По этой причине развитие микротрещин (микроскол) обусловлено малой величиной сдвиговой деформации, дополнительно ограниченной наличием частиц упрочняющей фазы. При старте магистральной трещины определяющим является микроуровень, в то время как продвижение фронта трещины определяется макромеханизмами разрушения.

Shock fracture mechanisms of different scales were investigated on epoxy composite materials reinforced with silicon carbide microparticles of different concentrations. It is shown that the high heterogeneity of the epoxy composites at different structural scales is one of the factors responsible for their physical and mechanical properties. Under dynamic loading, the material reveals a developed structural scale hierarchy which provides self-consistent deformation and fracture of the material bulk with the lead of rotational deformation modes. As a result, microcracks develop due to low shear strain limited in addition by reinforcing particles. At the start of a main crack, microscale mechanisms dominate, whereas the propagation of its front is governed by macroscale fracture mechanisms.

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.

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.

Приведены принципы создания композиционных материалов (КМ), сведения о составе, структуре и свойствах основных видов армирующих волокон и матричных материалов различной природы, технологические процессы их совмещения и физико-механические свойства получаемых КМ. Даны основы расчетов, проектирования и технологии изготовления элементов конструкций из КМ, технологические процессы, оборудование и оснастка, а также примеры эффективного использования КМ в современных конструкциях. Для инженеров-конструкторов и технологов, занимающихся созданием и внедрением перспективных КМ во всех отраслях машиностроения, может быть полезен студентам втузов.

Определена износостойкость модельных металлических композитов при трении в условиях скользящего токосъема. Приведены вольтамперные характеристики триботехнического контакта исследуемых материалов. Показаны более низкие электрическое сопротивление трибоконтакта и интенсивность изнашивания материала, содержащего переработанную сталь ШХ15, в сравнении с этими свойствами серийно изготовленного токосъемного материала.