Представлены результаты количественного исследования структурно-фазового состояния титана в мелкозернистом состоянии до и после имплантации ионами алюминия. В материале выделено два типа зерен а-Ti, различающихся по фазовому составу, дефектной структуре и размерам: мелкие зерна в интервале 0.1-0.5 мкм и крупные зерна в интервале 0.5-5 мкм. Установлено присутствие в материале двух типов частиц TiO2: частицы округлой формы, расположенные на дислокациях в объеме зерен а-Ti, и частицы пластинчатой формы, расположенные только внутри крупных зерен а-Ti. Формирование фазы Ti3Al наблюдается в виде пластинчатых выделений по границам зерен и округлых частиц в тройных стыках. Обнаружено, что частицы фазы TiAl3 выделяются с меньшей объемной долей, по сравнению с фазой Ti3Al, и локализуются по границам крупных зерен титановой матрицы. Установлено, что в результате ионного облучения изменяются существенно зеренное состояние и дефектная структура материала: происходит значительное увеличение плотности дислокаций и внутренних напряжений в мелких зернах относительно исходного состояния титана.

Исследовано влияние режимов термообработки (ТО) на структурно-фазовое состояние жаропрочной ферритно-мартенситной стали ЭК-181. Показано, что применение промежуточных (между закалкой и отпуском) отжигов при пониженных температурах приводит к увеличению дисперсности наночастиц карбонитрида ванадия по сравнению с традиционной термической обработкой. Найдены режимы ТО, обеспечивающие высокую плотность наночастиц при одновременном снижении иненсивности отпуска мартенсита.

Исследованы изменения структуры и фазового состава ультрамелкозернистого алюминиевого сплава, полученного интенсивной пластической деформацией, при растяжении в условиях сверхпластичности. Показано, что обусловленные распадом твердого раствора фазовые превращения ускоряются в поверхностном слое в условиях сверхпластической деформации вследствие интенсивного развития в нем зернограничного проскальзывания. Методом скользящего пучка установлено, что наибольшие изменения в структурно-фазовом состоянии указанного сплава происходят в приповерхностном слое толщиной ~ 10 мкм.

Метод точных МТ-орбиталей (ТМТО) относится к третьему, новейшему, поколению первопринципных ме¬тодов расчета электронной структуры материалов в так называемом приближении маффинтин (МТ) орбиталей в рамках теории функционала плотности. Проведено исследование его применимости для моделирования термодинамических и механических свойств чистых компонентов сплавов на основе Ti и Zr. Проведены расчеты полных энергий Ti, Zr, Nb, V, Мо, и А1 в трех кристаллических структурах - гранецентрированной кубической (ГЦК), объемно-центрированной кубической (ОЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ). Для всех элементов и кристаллических структур рассчитаны теоретические значения параметров решетки, упругие постоянные и уравнения состояния. Определены стабильные кристаллические структуры. Во всех случаях расчеты методом ТМТО предсказывают правильную структуру основного состояния. Для стабильных структур проведено сравнение полученных результатов с экспериментом и с расчетами полнопотенциальными методами. Продемонстрирована надежность метода ТМТО и сделан вывод о возможности его дальнейшего применения для эффективного моделирования свойств неупорядоченных сплавов на основе Ti и Zr.

В данной работе приведено описание метода точных МТ-орбиталей (ТМТО) и проведено исследование его применимости для моделирования термодинамических и механических свойств чистых компонентов сплавов на основе Ti и Zr. Проведены расчёты полных энергий Ti, Zr, Nb, V, Mo и Аl в гранецентрированной кубической (ГЦК), объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурах. Рассчитаны теоретические значения параметров решётки, упругие постоянные и уравнения состояния. Во всех случаях расчёты методом ТМТО предсказывают правильную структуру основного состояния. Для стабильных структур проведено сравнение полученных результатов с экспериментом и с расчётами полнопотенциальными методами.

Изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов блочной среды на ее деформационный отклик при динамических воздействиях. Показано, что приведенная величина сдвигового напряжения и среднее напряжение являются основными факторами, определяющими деформационный отклик границы раздела. Для аналитического описания зависимости величины инициированного необратимого смещения на границе от приведенного сдвигового напряжения предложено использовать логистическую функцию, центральная точка которой соответствует переходу от квазиупругой к квазипластической стадии сдвигового деформирования межблочной границы. Показана значимость полученных эмпирических зависимостей для понимания закономерностей накопления необратимых деформаций во фрагментах разломных зон и, в частности, для развития предложенного ранее авторами подхода к оценке характерного уровня действующих сдвиговых напряжений на отдельных участках тектонических разломов.

Проведены исследования эволюции структурно-фазового состояния титанового сплава переходного класса ВТ22 после радиально-сдвиговой прокатки и последующего старения. Показано, что в результате прокатки в интервале температур 1123-1023 К наблюдается формирование ультрамелкозернистой зеренно-субзеренной структуры с размером элементов около 0.5 мкм с повышенным (более чем в 2 раза по сравнению с исходным состоянием) содержанием бетта-фазы и мелкодисперсными частицами альфа-фазы размером около 0.3 мкм. Последующий отжиг (старение) при температуре 723 К приводит к распаду деформированной в процессе прокатки бетта-фазы с уменьшением ее объемной доли и формированию наноразмерных пластинок пересыщенного молибденом твердого раствора бетта1-фазы и мартенситной альфа"-фазы.

Представлены результаты влияния электронно-ионно-плазменной обработки поверхности инструментальных твердых сплавов в плазмообразующих газах с различной энергией ионизации при различной атомной массе на структурно-фазовое состояние поверхностного слоя, его стойкость к абразивному износу и стойкость при резании металла.

The paper studies how the stress state of the interface between structural elements in a block-structured medium affects its deformation response to dynamic loading. It is shown that the normalized shear stress and mean stress are the major factors that determine the deformation response of the interface. We propose to describe the dependence of the value of induced irreversible displacement at the interface on the normalized shear stress using a logistic function. The central point of this function is the point of transition from the quasi-elastic to quasi-plastic stage of the interface shear deformation. The obtained empirical dependences are important for understanding the mechanism of irreversible strain accumulation in fault zone fragments and, particularly, for the development of an earlier proposed approach to estimate the characteristic level of active shear stresses in separate tectonic fault regions.

Масштабная инвариантность в механическом поведении наноструктурного твердого тела связана с эффектом пластической дисторсии, которая является основным механизмом структурных трансформаций на нано- и микромасштабных уровнях. Интенсивное зернограничное скольжение (микромасштабный уровень) в аномально развитой планарной подсистеме (границы нанозерен) обусловливает прогрессивное возрастание кривизны кристаллической решетки деформируемого материала (наномасштабный уровень) и развитие пластической дисторсии атомов, которая вызывает образование неравновесных вакантных узлов в наноструктуре. Движение неравновесных точечных дефектов в зонах кривизны наноструктуры обусловливает вязкое некристаллографическое пластическое течение, растворение (или диспергирование) исходных фаз и возникновение неравновесных фаз в деформируемом материале. Возможность обратимых структурно-фазовых трансформаций в условиях сильной кривизны кристаллической решетки позволяет получить эффект значительного возрастания усталостной долговечности поликристаллических материалов при наноструктурировании их поверхностных слоев.

Представлены результаты исследований фазового состава и механических свойств покрытий системы Al-Si-N, полученных методом импульсного магнетронного напыления на подложках кварцевого стекла марки КВ. Методом ренгеноструктурного анализа обнаружено, что полученные покрытия системы Al-Si-N различной толщины содержат фазу AIN (ГПУ). Нанесение покрытий системы Al-Si-N позволяет не только увеличить нанотвердость поверхностного слоя образцов кварцевого стекла до 29 ГПа, но и сохранить высокий уровень упругих свойств (We >0.70). Также проведены лабораторные испытания по воздействию потоков высокоскоростных частиц железа на защитные покрытия системы Al-Si-N различной толщины, полученных методом импульсного магнетронного напыления. При воздействии потока высокоскоростных частиц железа на исследуемые образцы установлено, что увеличение толщины формируемых защитных покрытий системы Al-Si-N от 1 до 10мкм приводит к уменьшению поверхностной плотности кратеров в 4 раза.

Развивается подход к проведению акустико-оптического контроля механического состояния композиционных материалов. Его тестирование проведено на примере циклического нагружения плоских образцов листового стеклопластикового композита. По результатам испытаний проводилось сравнение данных, зарегистрированных датчиком перемещений испытательной машины, с таковыми, полученными при помощи предлагаемого акустико-оптического метода. Анализируемыми параметрами акустических сигналов (прошедших вдоль рабочей зоны образца) являются энергия спектра мощности, максимальное значение огибающей сигнала, а также дисперсия разности огибающих двух сигналов. Для оптических изображений рассчитывали среднюю энтропию. Обсуждается характер изменения информативных параметров по мере увеличения циклов наработки, проводимый на основании выделения ключевых стадий разрушения, что позволяет оценить текущее механическое состояние объекта контроля и прогнозировать усталостную долговечность.

The scale-invariant mechanical behavior of a nanostructured solid is associated with plastic distortion as a major mechanism of nano- and microscale structural transformations. Active grain boundary sliding in a deformed material (microscale) within its highly developed planar subsystem (nanograin boundaries) causes a progressive increase in lattice curvature and plastic distortion of atoms which produces nonequilibrium vacant sites in the nanostructure. The motion of nonequilibrium point defects in nanostructure curvature zones provides conditions for noncrystallographic plastic flow, dissolution or dispersion of initial phases, and formation of nonequilibrium phases in a deformed material. The possibility of reversible structural phase transformations in the presence of high lattice curvature opens the way to greatly increase the fatigue life of surface nanostructured polycrystalline materials.

Методами электронной микроскопии высокого разрешения, спектроскопии характеристического рентгеновского излучения и ЭПР исследованы микроструктура и состав MoZSM-5 катализаторов с содержанием молибдена 4.0 мае. %. Показано, что в ходе неокислительной конверсии метана при 750°С в цеолите стабилизируются два вида молибденсодержащих частиц: частицы карбида молибдена с размерами 2-10 нм, находящиеся на поверхности цеолита, и кластеры (размеры менее 1 нм) внутри его каналов. По данным ЭПР обнаруженные кластеры содержат окисленную форму молибдена Мо5+. Поверхностные частицы Мо2С дезактивируются на начальном этапе реакции, что связано с конденсацией на их поверхности углерода в форме графита. Центрами активации метана являются, преимущественно, кластеры окисленного молибдена, локализованные в открытых молекулярных порах цеолита. Дезактивация катализатора происходит после накопления кокса на поверхности и в порах цеолита после 420 мин его работы.

Методами электронной микроскопии и измерения микротвердости исследовано влияние ионного азотирования в газовом разряде на структурно-фазовое состояние и механические свойства поверхностных слоев феррито-перлитной стали 40Х и аустенитной стали 12Х18Н10Т. Показано, что повышение твердости азотированного слоя в аустенитной стали вызвано образованием высокодисперсных нитридов хрома в нитриде железа. Скорость азотирования стали 40Х оказалась ниже, а стали 12Х18Н10Т - существенно выше ожидаемой исходя из значений коэффициента диффузии азота в аустените и азотистом феррите, что связано с влиянием на скорость диффузии азота поверхностного слоя оксида и нитрида железа (сталь 40Х) или фазового превращения в полях упругих напряжений азотированного слоя (сталь 12Х18Н10Т). Максимальное упорчнение поверхностного слоя достигается при температуре азотированя 773-873 К.

Методами атомно-силовой и просвечивающей электронной микроскопии исследованы морфология поверхности и структура тонких пленок двуокиси кремния, нитрид бора, а также их двухслойной композиции. Пленки наносились методом газофазного химического осаждения по подложки GaAs. Показано, что температура подложки оказывает существенное влияние на рельеф поверхности и внутреннюю микроструктуру диэлектрических пленок. Слои, нанесенные при 473К, имеют аморфное строение с кристаллическими включенииями, а при 573К и выше являются нанокристаллическими. Усатновлено качественное соответствие между морфологией поверхности и структурой исследованных пленок.

Проведено электронно-микроскопическое исследование микроструктуры аустенитной стали 02Х17Н14М2 после больших пластических деформаций прокаткой и кручением в наковальнях Бриджмена при комнатной температуре. Обнаружены эффекты деформационно стимулированных фазовых превращений с образованием частиц второй фазы с кристаллической решеткой а-мартенсита. Обсуждается влияние этих превращений на особенности пластической деформации и переориентации кристаллической решетки.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплава V-4%Ti-4%Cr в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

С применением методов растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей модификации зеренной и гетерофазной структуры сплава системы V-Zr-C (вес.%) в зависимости от режимов его термомеханической обработки. Показано, что применение разработанных режимов приводит к формированию высокодисперсных (до 5 нм) частиц второй фазы, однородно распределенных по объему материала, что обеспечивает существенное увеличение прочностных характеристик при комнатной и повышенной (800 гр.С) температурах, с сохранением технологически приемлемых значений пластичности. Обсуждается влияние различных факторов упрочнения на параметры механических свойств сплава V-Zr-C.

Исследовано абразивное изнашивание чистого СВМПЭ и дисперсно-армированных композитов на его основе, образованных наполнением микрочастицами АlO(OH) и Al2O3. Установлено, что абразивная износостойкость указанных микрокомпозитов может возрастать до (16-18) раз в сравнении с исходным СВМПЭ в зависимости от зернистости абразива. Методами оптической профилометрии, ИК-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии и растровой электронной микроскопии исследованы надмолекулярная структура и поверхность трения образцов указанных антифрикционных материалов. Показано, что абразивная износостойкость композитов определяется природой, содержанием и в большей степени соотношением размеров микронаполнителя и зернистости абразива. Обсуждается механизм абразивной износостойкости микрокомпозитов на основе СВМПЭ.

Исследовано абразивное изнашивание нанокомпозитов на основе СВМПЭ с нанонаполнителями Al2O3, C, Cu, SiO2. Установлено, что нанонаполнители, в отличие от микронаполнителей, в существенно меньшей степени (до 55%) повышают абразивную износостойкость СВМПЭ (при использовании абразива зернистостью Р 240). Методами оптической профилометрии и микроскопии, ИК-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии и растровой электронной микроскопии исследованы структура и поверхность изнашивания образцов СВМПЭ и нанокомпозитов на его основе. Показано, что абразивная износостойкость нанокомпозитов слабо зависит от типа наполнителя и определяется структурой (кристалличностью, упорядоченностью) матрицы и зернистостью абразива контртела. Проведен сравнительный анализ механизмов изнашивания нанокомпозитов на основе СВМПЭ при наличии абразива и в условиях сухого трения скольжения.

С помощью профилометрии, оптической и просвечивающей электронной микроскопии исследована микроструктура поверхностных слоев малоуглеродистой ферритно-перлитной стали после точения и ультразвуковой финишной обработки. Показано, что выступы и впадины точения имеют разную микроструктуру, что обусловливает наличие на поверхности детали технологической наследственности. При ультразвуковой финишной обработке происходит интенсивная пластическая деформация поверхностного слоя, в результате чего устраняется технологическая наследственность, сформировавшаяся в процессе точения.

Исследованы особенности модификации зеренной и гетерофазной структуры сплава системы V-Zr-C в зависимости от режимов термомеханической обработки (ТМО). Формирование структурных состояний с высокой плотностью однородно распределенных по объему материала высокодисперсных (до 5 нм) частиц второй фазы обеспечивает существенное увеличение прочностных характеристик при комнатной и повышенной (800 гр.С.) температурах с сохранением технологически приемлемых значений пластичности. Рассмотрено влияние различных факторов на прочность сплава V-Zr-C.

Методами просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования влияния легирования водородом на рост и распределение по размерам элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры сплава Ti-6Al-4V в интервале температур 673-973 К. Изучена кинетика и определены значения энергии активации роста элементов зеренно-субзеренной структуры сплава при свободном отжиге и в условиях растяжения. Установлено активизирующее влияние деформации и диффузии водорода на миграцию границ зерен и рост элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры.

Исследовано структурно-фазовое состояние поверхностного слоя медной подложки, обработанного ионами титана. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что после обработки в поверхностном слое образуются интерметаллиды системы Cu—Ti. Методом растровой электронной микроскопии установлено, что в поверхностном слое формируется сетчатая микропористая структура с характерным поперечным размером горизонтальных и вертикальных элементов приблизительно 1—2 мкм.

Методами ренттеноструктурного анализа, растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа исследовано изменение фазового состава сплава АМг5 в зоне термического влияния при сварке методом трения с перемешиванием. Проанализированы возможные причины изменения фазового состава.

Исследована конверсия этана в ароматические углеводороды на высококремнеземном цеолите ZSM-5 структурного типа, модифицированном цинком с использованием метода пропитки. Методами термопрограммированной десорбции аммиака, дифференциального термического анализа, просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и спектроскопии характеристического рентгеновского излучения изучен процесс дезактивации Zn-содержащего цеолитного катализатора на различных стадиях конверсии этана и установлены природа и распределение активных фаз и коксовых отложений на его поверхности. Показано, что катализатор Zn/ZSM-5 характеризуется относительно высокой активностью и стабильностью в процессе превращения этана в ароматические углеводороды.

Методом магнетронного осаждения получены нанокомпозитные покрытия на основе аморфного углерода, легированного титаном, никелем и хромом. Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа исследованы особенности микроструктуры и фазового состава указанных покрытий. Показано, что структура покрытий представлена наноразмерными частицами TiC и NiCr, находящимися в аморфной углеродной матрице. Рассматриваемые покрытия на подложке из титанового сплава повышают микротвердость в ~7 раз (до 14 ГПа) и снижают более чем в 2 раза (до мю<0.2) коэффициент трения. Обсуждаются физические причины повышения твердости и снижения коэффициента трения, а также перспективы модифицирования фазового состава нанокомпозитных покрытий на основе аморфного углерода и возможности использования полученных покрытий на изделиях из титановых сплавов.

Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии в сплаве V-4Ti-4Cr-(C, N, О) с дисперсным (наноразмерными частицами оксикарбонитридной фазы) упрочнением проведено исследование дефектной субструктуры и особенностей разрушения после деформации методом активного растяжения при температурах 20 и 800 °С. Показано, что важными особенностями деформации при повышенной температуре являются, во-первых, активизация зернограничных механизмов деформации и разрушения, во-вторых, явление локализации деформации с переориентацией кристаллической решетки. Обсуждаются причины этих особенностей.

Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии исследованы фазовый состав, макро- и микронапряжения, а также микроструктура Ti 1-хAlxN покрытия и подложки. Покрытия наносились методом магнетронного распыления мишени в реакционной смеси газов аргона и азота на подложку из аустенитной стали 12X18Н10Т, которая подвергалась предварительной обработке ионным пучком титана. Установлено, что увеличение длительности предварительной ионной обработки подложки приводит к увеличению сжимающих макронапряжений и измельчению нанокристаллической столбчатой структуры в покрытии.??.

Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на фольгах и репликах исследованы дислокационная структура, дефектная структура границ зерен и их параметры в сплаве Ni3Fe с ближним (БП) и дальним (ДП) атомным порядком на разных стадиях пластической деформации. Обнаружено, что атомное упорядочение приводит к уменьшению пластифицирующего эффекта от двойников сигма3, увеличению плотности зернограничных дефектов, ослаблению их аннигиляции в процессе деформации и, соответственно, к увеличению микронапряжений в тройных стыках границ зерен.

Монография посвящена описанию фундаментальных явлений в наноструктурных материалах. Дано систематическое изложение современного состояния исследований формирования наноразмерных интерметаллидных фаз в объеме и в поверхностных слоях металлов. Представлены результаты комплексных исследований, выполненных авторами, приведен обзор результатов, опубликованных другими исследователями. Обобщены экспериментальные результаты по влиянию нанокристаллического состояния на микроструктуру и физико-механические свойства металлов, сплавов и твердофазных соединений. рассмотрены методы и возможности ионно-плазменного воздействия на металлы. Показано, что вследствие изменения структуры и химического состава поверхностных слоев имеет место изменение физико-механических свойства материалов. Рассмотрены фундаментальные аспекты использования интерметаллидов в качестве упрочняющих фаз в имплантированных слоях и нанесенных покрытиях. Книга предназначена для специалистов в области физики конденсированного состояния и физики взаимодействия потоков ускоренных заряженных частиц и плазмы с твердым телом, научных работников, занимающихся вопросами физики, химии и механики наноструктурных материалов, а также для аспирантов и студентов, специализирующихся в области поверхностного упрочнения.

Данная книга адресована тем читателям, которые занимаются решением прикладных задач с помощью расчетно-теоретических методик, использующих понятие "уравнение состояния". Цель книги - дать читателям последовательное и критическое представление об том понятии. В книге описано становление, развитие, обобщения и применения термина "уравнение состояния". В трех первых главах выделено и упорядочено все самое главное в общей теории. Эти главы - самая формализованная часть книги. В них введены основные величины; сформулированы аксиомы, которые "управляют" этими величинами; сформулированы вытекающие из аксиом основные теоремы. Однако эти аксиомы (в отличие от аксиом геометрии) вовсе не являются самоочевидными истинами. Происхождение, мотивировка аксиом обсуждаются в необязательных дополнениях к трем первым главам. В заключительной четвертой главе (и необязательных дополнениях к ней) описаны некоторые приемы "конструирования" уравнений состояния. Кроме того, во всех дополнениях приводится много технических деталей. Книга рассчитана на подготовленного читателя, который имеет достаточные знания в математике (частные производные), в классической и квантовой механике (самые основы), в механике сплошной среды (понятия плотности вещества, давления). Не требуется никаких предварительных знаний по термодинамике. Данная книга может быть альтернативным учебником по термодинамике. В ней также затронуто много методологических вопросов, поэтому она может представлять интерес не только для студента, но и для преподавателя.

Цель настоящих лекций заключается в том, чтобы продемонстрировать, как метод диаграмм фейнмана применяется к решению конкретных задач современной теории конденсированного состояния. Выбор этих задач, а основном относящихся к теории электронных свойств металлов, обусловлен прежде всего их важностью - некоторые из них еще не решены "до конца". Поэтому, дальнейшее развитие излагаемых здесь подходов может стать предметом самостоятельного исследования. В большинстве случаев приводятся все детали вычислений и различных методических приемов, что делает книгу полезной как для грамотных специалистов, так и для начинающих теоретиков.

Настоящее пособие представляет собой раздел специального курса, читаемого в течение ряда лет автором для студентов-физиков Томского государственного университета, специализирующихся в области физики металлов и физического металловедения.В пособии систематически изложены общие термодинамические принципы построения диаграмм состояния многокомпонентных систем, подробный анализ всех существенных черт бинарных диаграмм состояния и некоторых закономерностей диаграмм состояния трехкомпонентных систем. Большое внимание уделено графическим методам анализа (геометрической динамике).