Изложены результаты по исследованию влияния ультразвуковой обработки на микро- и мезорельеф, микроструктуру и фазовое состояние поверхности материала с эффектом памяти формы на основе никелида титана. Методами микроиндентирования, оптической профилометрии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей туннельной микроскопии и позитронной аннигиляционной спектроскопии показано, что интенсивная пластическая деформация поверхностных слоев приводит к появлению мезорельефа, сильному (в 2–3 раза) упрочнению поверхностного слоя, его нанофрагментации и изменению фазового состава. В наноструктурном состоянии наблюдается высокая концентрация вакансий на границах зерен.

Представлен обзор современных ключевых проблем, касающихся теоретических и экспериментальных физических исследований сплавов на основе никелида титана, рекордных по конструкционным и функциональным характеристикам среди материалов с термоупругими мартенситными превращениями и эффектами памяти формы, широко применяемых в технике и социально значимых сферах деятельности. Обсуждаются общие подходы к описанию фазовых переходов мартенситного типа, вопросы устойчивости кристаллической решетки при термоупругих мартенситных превращениях, микроскопические модели предпереходного состояния, механизмы зарождения и роста мартенситных фаз в сплавах на основе TiNi. Подробно освещены закономерности стуруктурообразования, фазовых превращений (бездифффузионных и диффузионно контролируемых), влияние многокомпонентного легирования. Приведены фазовые диаграммы бинарных сплавов, тройных и ряда четверных, охватывающие практически все важные материалы на основе никелида титана. Рассмотрены неупругое поведение и эффекты памяти формы, сверхупругости, сверхпластичности, физические и механические свойства сплавов. Отдельно исследуются поведение и свойства монокристаллов данных сплавов. Анализируются электронные свойства, природа и роль точечных дефектов в сплавах, метастабильных по отношению к мартенситным переходам. Монография адресована широкому кругу специалистов в области физики сплавов, материаловедения, инженерных и медицинских наук, а также преподавателям, аспирантам и студентам физических, металлургических, технических и медицинских вузов.

Представлены результаты цикла исследований, связанных с изучением влияния на коррозионные свойства и биосовместимость никелида титана in vivo, наличия тонких безникелевых барьерных слоев, сформированных на его поверхности с использованием ионно- и электронно-лучевых воздействий. Элементом легирования выбран титан. Показано, что для достижения положительного эффекта особое значение имеет специальная подготовка поверхностного слоя материала подложки. В случае предварительной электронно-лучевой обработки подложки барьерный слой, сформированный ионно-лучевым воздействием ионами Ti, более однороден п составу и почти не содержит никеля по всей своей глубине. Это приводит к понижению концентрации никеля в биопробах почти в два раза, что повышает биосовместимость имплантатов с модифицированной поверхностью. Обнаружено, что гистопатологические особенности "протеино-подобной" (ПП)- и "коллагено-подобной" (КП)-пленок прямо коррелируют с физико-химическими и морфологическими свойствами поверхностей имплантатов из никелида титана. На основе полученных результатов сделаны рекомендации использования обработок ионными и электронными пучками как финишные обработки поверхностей имплантатов для медицины.

На основе результатов экспериментальных исследований температурной зависимости предела текучести монокристаллов TiNi сплавов и механизма механического двойникования В2-фазы как локального обратимого фазового превращения мартенситного типа проведено исследование асимметрии механического поведения при растяжении и сжатии указанных мматериалов в направлении [001], показано, что особенностью этого механизма является то, что критической модой дисторсии, определяющей напряжения механического двойникования, является однородная деформация превращения типа деформации Бейна. Для анализа асимметрии этих напряжений при растяжении и сжатии введено понятие фактора нормальных напряжений. приведенных к главным осям тензора однородной деформации превращения. Показана возможность использования этого фактора для анализа асимметрии механического поведения монокристаллов сплавов TiNi.

Приводятся результаты по исследованию влияния ультразвуковой обработки на рельеф, микроструктуру и фазовое состояние поверхности никелида титана. Показано, что ультразвуковое воздействие приводит к сильному упрочнению поверхностного слоя, его нанофрагентации и к изменению фазового состава.

Рассмотрены методы оценки адгезионной прочности, изучена морфология поверхности, проведен послойный элементный анализ в приповерхностном объеме никелида титана с покрытиями из Мо и Та различной толщины. Показано, что механическая и адгезионная прочность покрытий зависит от химического состава пленки и подложки, а также толщины покрытия.

Метод рентгеноструктурного анализа с использованием асимметричной схемы отражения развит до получения одномерных распределений структурно-чувствительных физических величин по глубине. Из получаемого в эксперименте набора усредненных величин по различным толщинам эффективно отражающего слоя, методика позволяет восстанавливать координатную зависимость этих величин. Методика может быть полезна при изучении физической и химической неоднородностей в поверхностном слое материала, создаваемых закалкой, различными видами поверхностного облучения, поверхностным легированием, наплавкой, нанесением пленок и т. д. В работе она применена для получения распределений по глубине нормальной и касательной микродеформаций, связанных с напряжениями 1-го рода, в подвергнутых электронному облучению образцах никелида титана с плоской поверхностью.

Монография содержит критический обзор состояния минерально-сырьевой базы титана и других металлов в мире и в России, анализ современных технологий получения диоксида титана из природных концентратов. Особое внимание уделено новейшим разработкам в технологии металлического титана и его сплавов. Впервые изложена субхлоридная металлургия титана и алюминия, которая характеризуется наивысшей из всех известных технологий производительностью восстановления металлов из их хлоридов и оксидов. Ее промышленное внедрение может способствовать решению известной проблемы получения дешевого титана и его сплавов. Предложены новые подходы в комплексной безотходной переработке поликомпонентного сырья на примере ильменитовых и титаномагнетитовых концентратов. Книга рассчитана на специалистов в области химической технологии и металлургии редких, цветных и черных металлов, а также студентов старших курсов и аспирантов.

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.

По данным испытаний малоразмерных образцов с шевронным надрезом определены характеристики трещиностойкости технического титана ВТ1-0, титанового сплава ВТ6, трубной стали 12ГБА и сплава Fe-Ni с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, полученной методами интенсивной пластической деформации (ИПД). В качестве основной характеристики трещиностойкости определена удельная энергия разрушения. Предложена новая характеристика вязкости разрушения при испытании малоразмерных образцов с шевронным надрезом — относительная величина смещений точек приложения нагрузки, не связанная с изменением податливости образца в результате распространения трещины. Исследовано изменение удельной энергии разрушения в процессе нагружения образцов с шевронным надрезом.

В работе представлены результаты исследований элементного состава, структурно-фазовых состояний, свойств пластичности и прочности тонких поверхностных слоев, сформированных в сплавах на основе TiNi при облучении направленными пучками заряженных частиц — ионов и электронов. На примере сплава Ti49.5Ni50.5 продемонстрирована связь между выявленными в работе микроструктурными свойствами поверхностных слоев, исходных и модифицированных облучением, и закономерностями распространения в таких сплавах деформационного процесса.??.

В результате исследований выявлен ряд закономерностей, связанных с толщиной покрытия и формированием промежуточных слоев, содержащих атомы примесных элементов - С и О; влияние сорта имплантируемых ионов на топографию поверхности, на механизмы разрушения и критические значения параметров адгезионной прочности системы "покрытие/подложка".

Электронно-микроскопическим и рентгенодифракционным методами исследованы микроструктура и фазовый состав сплава Ni50Ti40Zr10, изучены особенности его атомно-кристаллической и тонкой структур, сформировавшихся после применения двух термообработок, различающихся только скоростями охлаждения образцов после отжига при одинаковой температуре. Сделан вывод и о сильном влиянии скорости охлаждения на полноту мартенситного превращения (МП). Учитывая, что в сплавах на основе никелида титана изменение химического соотношения компонентов Ni и Ti является главным рычагом в управлении МП, можно предполагать, что неполное МП в закаленном сплаве и, напротив, почти полное МП в медленно охлажденном сплаве являются следствием различия химического состава исходной фазы В2, установившегося после образования вторичных фаз.

Линейным методом МТ-орбиталей (ЛМТО) рассчитано изотермическое уравнение состояния В2-фазы никелида титана. В интервале давлений до 8 GPa построена экспериментальная зависимость объемных изменений в сплаве Ti50Ni48Fe2. Наблюдается хорошее согласие экспериментальных и теоретических результатов.

Методами дифракции обратнорассеянных электронов проведено исследование изменения микроструктуры приповерхностного слоя никелида титана после импульсных воздействий на поверхность образцов сплава потоками ионов кремния средних энергий. Показано, что после ионно-пучкового облучения поверхности образцов наблюдается изменение и фрагментация структуры приповерхностного слоя на глубину 5-15 мкм, меньшую среднего размера исходного зерна исследуемого сплава. Установлено, что характерными особенностями слоя с фрагментированной структурой являются присутствие в нем мартенситной фазы В19' и высокая концентрация межфазных и внутрифазовых границ раздела, линейные размеры фрагментов превышают 1 мкм, измельчение структуры слоя под облученной поверхностью неоднородно и зависит от кристаллографической ориентации исходного зерна. Высказано предположение, что одной из причин интенсивной фрагментации отдельных зерен исходной фазы В2 после ионно-пучковой обработки является близость ориентации основных систем скольжения направлению воздействия ионными пучками. Возможно, это привело к более раннему, по сравнению с остальными зернами, запуску процесса пластической деформации таких зерен и, как результат, частичной фрагментации их структуры.

Методом оптической микроскопии in-situ и рентгеноструктурного анализа исследовано развитие термоупругого мартенситного превращения при изотермическом нагружении сплава Ti49.4Ni50.6 в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Приведены данные, свидетельствующие об эстафетном механизме распространения мартенситного превращения при обеих зеренных структурах. Рассмотрены обнаруженные особенности локализации мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях при субмикрокристаллической структуре. Установлена взаимосвязь между локализацией мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях и деформационным поведением сплава Ti49.4Ni50.6 в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Развита концепция, согласно которой локализация мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях при изотермическом нагружении в предмартенситном состоянии является следствием неоднородности напряженного состояния поликристаллического агрегата.

Проведено сравнительное исследование кинетики абразивного изнашивания и износостойкости металлокерамических композитов с карбидной упрочняющей фазой и сплавов на основе железа. Результаты обсуждены с привлечением результатов металлографических исследований структуры материалов. Предложен механизм абразивного изнашивания исследованных композитов.

Выполнено исследование влияния дорекристаллизационных отжигов на микроструктуру и механические характеристики наноструктурного титана, полученного методом многократного одноосного прессования и последующей прокатки. Показано, что сформированная микроструктура обеспечивает высокие механические характеристики наноструктурного титана (предел прочности при растяжении составил 1160 МПа, предел текучести — 1100 МПа), соответствующие титановым высокопрочным сплавам. Отжиг при 250 °С не меняет наноструктурное состояние титана и его прочностные характеристики и увеличивает пластичность до 6 % при растяжении.

Методом оптической металлографии in-situ исследованы закономерности развития мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях в крупнозернистом и субмикрокристаллическом никелиде титана в ходе изотермического нагружения при 295 K. Установлены особенности развития мартенситного превращения в субмикрокристаллическом состоянии по сравнению с крупнозернистым состоянием.??.

Показано, что холодная прокатка формирует нанокристаллическую структуру в субмикрокристаллическом исходном сплаве Ti49.2Ni50.8 (ат. %) с последовательностью мартенситных превращений В2<->R<->В19` (кубическая, ромбоэдрическая и моноклинная фазы, соответственно) и монофазной структурой В19` ниже 260 K. 90 % объема нанокристаллического сплава сохраняют В2-структуру с высоким уровнем остаточных напряжений при 140 K. Увеличение объемной доли нанокристаллического сплава с мартенситными превращениями В2<->R<->В19` и повышение температур этих мартенситных превращений коррелирует с релаксацией искажений кристаллической решетки В2-фазы в процессе последующих отжигов до начала активного роста зерен.??.

В монографии изложены современные тенденции в наноструктурном материаловедении, сформулированы нерешенные проблемы. Систематизированы многочисленные данные о влиянии размерных эффектов и поверхностей раздела на физические, физико-химические и механические свойства наноматериалов, обобщены и проанализированы сведения о термической , радиационной, деформационной и коррозионной стабильности. Рассмотрены особенности наиболее характерных наноматериалов на основе соединений титана, кремния и их сплавов. Для научных работников, преподавателей, инженеров, аспирантов и студентов, специализирующихся в области нанотехнологии и наноматериалов.

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.