Развита методика рентгеноструктурного анализа неоднородного по глубине материала. Исследована структура интерметаллида TiNi, подвергнутого поверхностной электронно-лучевой модификации. Выявлено три дифференцированных по микрокристаллической структуре слоя: внешний остротекстурированный слой с текстурой в направлении [100]И2 и уменьшенным на 1% параметром периодичности решетки в направлении нормали к поверхности, промежуточный градиентно-напряженный слой с текстурой исходного слитка и неизмененный материал. Кристаллическая решетка поверхностного слоя, как и промежуточного, находится в растянутом вдоль поверхности и сжатом нормально поверхности состоянии. Это искажение решетки максимально в поверхностном слое и убывает вглубь материала.

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.

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.

В работе исследуются нелинейные процессы, сопровождающие диффузию кислорода з адсорбционного слоя в глубь сплава в условиях воздействия импульсного электронного потока высокой мощности на основе математической модели. учитывающей неравновесную активацию и плавление. Модель включает уравнение теплопроводности, диффузии и кинетики с соответствующими импульсной электронно-лучевой обработке начальными и граничными условиями. Приводятся оценки кинетических параметров. Рассчитываются распределение температуры и концентрации кислорода по пространству и времени при различных значениях плотности потока и длительности импульса; определяется глубина зоны прогрева и диффузии, проводится сравнение результатов с учетом активации и без нее.

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.??.

Методом рентгеноструктурного анализа исследованы структурно-фазовые состояния в поверхностных слоях никелида титана с покрытиями из Мо толщиной 200 нм и 500 нм, сформированными методом магнетронного напыления. Материал в покрытии имеет однокомпонентный химический состав и однофазную ОЦК-кристаллическую структуру Мо. Исследованы особенности тонкой атомно-кристаллической структуры материала в покрытии и в слоях подложки, прилежащих к нему. Установлено, что кристаллическая ОЦК решетка Мо в покрытии характеризуется наличием ориентированных микродеформаций разных знаков: сжатия вдоль поверхности образца и растяжения перпендикулярно к ней. Кристаллическая структура В2 фазы никелида титана в области, сопряженной с покрытием, имеет увеличенный параметр элементарной ячейки. измеренный в направлении нормали к поверхности.

Методом рентгеноструктурного анализа исследовано влияние электронно-пучковых воздействий на структурно-фазовые состояния в поверхностных слоях образцов никелида титана с покрытиями и молибдена. Показано, что электронно-лучевая обработка (потоки электронов низких энергий) образцов никелида титана с покрытиями из молибдена в случае высоких плотностей энергии в электронном пучке (Е=30Дж/см2) приводит к формированию на их поверхности слоя, легированного молибденом, с увеличенным параметром элементарной ячейки В2-фазы TiNi, в то время как внутренние объемы не претерпевают существенных изменений. В случае малых плотностей энергии (Е=15Дж/см2) покрытие только частично растворяется в подложке, параметры элементарных ячеек В2-фазы TiNi и ОЦК-Мо покрытия уменьшается относительно исходных значений. Выявлено, что размеры D областей когерентного рассеяния в фазе В2 подложки и ОЦК-Мо-покрытий образцов после электронно-лучевых обработок ни изменились относительно значений в исходных образцах.

В работе проведено сравнение результатов количественной оценки остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов никелида титана после электронно-пучкового воздействия при использовании различных рентгеновских методик измерения этих напряжений из картин рентгеновской дифракции, полученных в симметричной и асимметричной геометрии съемок. В работе представлен подход, демонстрирующий возможности эффективного использования рентгеновских методов для количественной оценки величины остаточных напряжений в материалах с градиентным изменением микроструктуры и физических свойств, в том числе модуля упругости.

Цель работы - исследовать коррозионные свойства и цитотоксичность образцов никелида титана после модификации их поверхности пучками ионов кремния, а также пролиферативную способность мезенхимальных стволовых клеток костного мозга крысы на ионно-модифицированных поверхностях образцов этого сплава. Показано, что ионно-пучковая обработка кремнием образцов NiTi привела к повышению коррозионной стойкости этих материалов в водных растворах NaCl (имитатор физиологического раствора) и плазмы крови человека почти в 2 раза и существенному снижению концентрации никеля после длительного содержания образцов в этих растворах (для раствора плазмы крови примерно в 20 раз). Обнаружено, что образцы NiTi-Si, содержащие кремний в поверхностном слое, приобрели свойства, благоприятствующие пролиферации мезенхимальных стволовых клеток (МСК) на их поверхности по сравнению с образцами NiTi, не подвергавшимися ионно-пучковой обработке.

Проведено исследование влияния числа импульсов п воздействия низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП) микросекундной длительности на фазовый состав и топографические характеристики поверхности, а также микротвёрдость поверхностного слоя сплава TiNi. Сделана оценка средней шероховатости поверхности образцов TiNi после электронно-пучковых обработок с различным числом импульсов воздействий. Установлено, что с увеличением числа импульсов воздействия НСЭП более п = 20 поверхность образцов TiNi выглаживается, освобождается от включений и вместе с тем сохраняет интегральные физикомеханические характеристики, близкие к исходным в сплаве TiNi до облучения.??.

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.

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.

Исследованы структурно-фазовые состояния поверхностны слоев никелида титана с покрытиями из молибдена толщиной 200 и 500 нм, сформированных методом магнетронного напыления. Обсуждаются особенности тонкой атомно-кристаллической структуры материала в покрытии и прилежащих к нему слоях подложки. определен характер микродеформации кристаллической решетки молибдена, изучены закономерности ее изменения по толщине покрытия. установлено, что кристаллическая решетка молибдена в покрытии характеризуется наличием ориентированных микродеформаций разных знаков: сжатия вдоль поверхности образца и растяжения по нормали к ней. Кристаллическая структура В2-фазы никелида титана в области, сопряженной с покрытием, имеет увеличенный параметр элементарной ячейки.

Экспериментально изучены закономерности формирования неравновесных структурных состояний, сформированных в приповерхностных слоях сплава на основе никелида титана в результате электронно-пучковых воздействий в режимах импульсного плавления поверхностного слоя. Методами рентгеноструктурного анализа, оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии показано, что поверхностный слой толщиной 8-10 мкм характеризуется однофазной структурой на основе фазы В2 и неоднородной по величине микродеформацией кристаллической решетки. Нижележащий слой, расположенный на глубине 10-20 мкм от облучаемой поверхности, кроме фазы В2 с незначительными искажениями кристаллической решетки и нерасплавленных частиц фазы Ti2Ni, содержит небольшое количество (до 5 об. %) фазы со структурой мартенсита В19'. В результате электронно-пучковой обработки произошло изменение химического состава поверхностного модифицированного слоя в сторону обогащения титаном вследствие растворения в нем частиц фазы Ti2Ni. Исследования с использованием просвечивающей электронной микроскопии показали, что мартенситной фазы в модифицированном слое не наблюдается. Предполагается, что в результате импульсного электронно-пучкового воздействия на поверхность никелида титана в модифицированном слое сформировалась неравновесная, сильноискаженная структура на основе ОЦК-решетки.

В работе представлены новые результаты по исследованию структуры и физико-механических свойств приповерхностных слоев титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-22 после имплдантации ионов (W, Mo) и последующего термического отжига при температуре 550 гр. в течение двух часов. Использовались методы: резерфордовского обратного рассеяния ионов (РОР) гелия и протонов, растровой электронной микроскопии (РЭМ) с микроанализом (EDS, WDS), индуцированного протонами (ионами) рентгенофазового анализа в скользящей геометрии, мессбауэровской спектроскопии. Проведены исследования нанотвердости и модуля упругости, износа при трении цилиндра по плоскости. Обнаружено увеличение твердости почти в два раза, уменьшение износа и повышение усталостной прочности за счет формирования мелкодисперсных (наноразмерных) фаз нитридов, карбонитридов и интерметаллидов.

Исследованы параметры трения никелида титана - коэффициент трения, температура и скорость износа - в зависимости от величины нагрузки и скорости скольжения. триботехнические испытания проводили по схеме диск-палец; контртелом являлась термообработанная сталь 9ХС. показано, что мартенситное превращение способствует снижению коэффициента трения сплава; материал выдерживает значительные нагрузки и скорости без катастрофического изнашивания и деградации свойств и может быть использован в качестве триботехнического материала.

Определены вольт-амперная характеристика и интенсивность изнашивания скользящих электроконтактов из композитов на основе сталей Г13, а также на основе стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама. Показано, что сталь ШХ15 имеет высокую износостойкость вследствие формирования наноструктур при деформации поверхностных слоев в зоне трения. Установлено, что при скольжении с плотностью тока более 100 А/см2 окисляется поверхность трения контртела из закаленной стали, поэтому сталь не может применяться в качестве контртела.

Осуществлен комплекс исследований физико-механических свойств и структуры упрочненного слоя, полученного способом диффузионного легирования углеродистой стали. Выявлены закономерности разрушения поверхностных слоев упрочненной и неупрочненной стали в абразивно-коррозионной среде. Показано, что более высокую стойкость к коррозии и износу имеют карбидные слои, полученные в результате многокомпонентного насыщения.

Проведены эксперименты по упрочнению поверхностного слоя стали электроннолучевым легированием с использованием в качестве легирующих добавок порошковых смесей на основе хрома и карбидов вольфрама и бора. исследована зависимость структуры и свойств (твердости, износостойкости) от весовых соотношений компонентов в смесях. Найдены оптимальные соотношения, при которых достигается максимальный уровень свойств. Показана возможность дальнейшего улучшения структуры при введении модификаторов.

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.

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.

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.

Исследованы закономерности влияния интенсивной пластической деформации (ИПД) при ультразвуковой обработке (УЗО) на эволюцию дефектов кристаллического строения в поверхностных слоях никелида титана со структурой моноклинного мартенсита В19'. Установлено, сто при возрастании величины ИПД резко увеличивается концентрация как вакансионных, так и плотность дислокационных дефектов и одновременно происходит сильная фрагментация зеренно-субзеренной структуры. В наноструктурном состоянии преимущественно наблюдаются дефекты вакансионного типа на границах зерен, средний объем которых меньше объема равновесных вакансий в TiNi и сравним с величиной свободных объемов в аморфизированных сплавах на основе никелида титана. Обсуждается роль дефектов кристаллического строения в механизмах формирования наноструктурного состояния при ИПД.

В приближении малых деформаций с использованием модели мартенситных превращений, основанной на концепции "замерзания" кооперативных тепловых колебаний атомов плотно упакованных плоскостей в металлах, проведен теоретический анализ тензора дисторсии при образовании {113} двойника деформации механизмом прямого плюс обратного (по альтернативной системе) мартенситного превращения в В2-фазе никелида титана. Показано, что в рамках этого механизма хорошо описывается не только угол переориентации, но и плоскость габитуса двойника.

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

Представлены экспериментальные данные о формировании наноструктуры в крупнозернистом и субмикрокристаллическом никелиде татана при глубокой пластической деформации в предмартенситном состоянии и последующем отжиге. Рассмотрено влияние размера зерен при нано- и субмикрокристаллической структурах на развитие мартенситных превращений.

Методами электронной просвечивающей микроскопии исследованы механизмы пластической деформации кристаллов TiNi(Fe, Mo) при сжатии в интервале мартенситного превращения, наведенного напряжением. Установлено, что важным механизмом деформации в этом интервале, наряду с механическим (1000 двойникованием мартенсита В19. является формирование двойников В2-фазы путем обратного мартенситного превращения по другой системе.

Исследована температурная зависимость напряжений предела текучести/мартенситного сдвига, кривых сжатия s(e) и механизмов пластической деформации в монокристаллах сплава TiNi(Fe, Mo), ориентированных вдоль направления [001]. Показано, что инициированное напряжением мартенситное В2 ® В19¢ превращение и механическое двойникование в В2-фазе являются основными микромеханизмами деформации во всем исследованном интервале температур (300-773 K). Переход к локальному действию этих механизмов на мезоуровне деформации при Т > Мd приводит к изменению наклона кривых s0.1(Т) при сжатии.

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.

В приближении малых деформаций с использованием модели мартенситных превращений, основанной на концепции «замерзания» кооперативных тепловых колебаний атомов плотноупакованных плоскостей в металлах, проведен теоретический анализ тензора дисторсии при образовании {113}-двойника деформации механизмом прямого плюс обратного (по альтернативной системе) мартенситного превращения в В2-фазе никелида титана. Показано, что в рамках этого механизма хорошо описывается не только угол переориентации, но и плоскость габитуса двойника.??.

Изучен промышленный порошок ПН55Т45 в процессе его отжига в вакууме. Показано, что c повышением температуры происходит смещение состава интерметаллида TiNi в сторону увеличения содержания никеля, а также образование интерметаллидов с увеличенной концентрацией никеля. Это связано с образованием устойчивого соединения Ti2NiOx. На поверхности спеченного образца в большом количестве образуется фаза кубической структуры, подобной структуре сложных оксидов на основе никеля.????.

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.

Проведено электронно-микроскопическое исследование структурных превращений в [001] монокристаллах TiNi(Fe,Mo) при интенсивной пластической деформации кручением под давлением (ИПДК) в зависимости от степени деформации.

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".

Термоупругие мартенситные превращения в сплавах на основе никелида титана - сложный иерархический процесс, происходящий на разных масштабно-структурных уровнях. Однако возможность протекания и температуры данных превращений во многом обусловлены особенностями электронной структуры данных сплавов. В данном обзоре на основе собственных экспериментальных результатов по исследованию электронной структуры и анализа зонно-структурных расчетов анализируется природа структурной нестабильности высокотемпературной В2-фазы сплавов на основе TiNi и В2-интерметаллидов титана. Показано, что представление о том, что в основе мартенситных превращений в интерметаллидах TiMe лежит склонность титана к полиморфному превращению, которое становится возможным в решетке соединения, позволяет сформулировать критерии, опираясь на которые, можно управлять температурами мартенситных превращений. Анализируются также особенности электронной структуры, обусловливающие прекурсорные эффекты в данных сплавах.

Исследовано влияние импульсного воздействия низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на поверхностные слои никелида титана с многослойным покрытием из Ti и Zr. Методами РС и ОЭС показано, что после однократного воздействия происходит оплавление покрытия и формирование композиционного поверхностного слоя, содержащего фазы на основе элементов покрытия. После пятикратного воздействия образуется тонкий субмикрокристаллический слой, под которым располагается слой, состоящий из легированной цирконием трехкомпонентной фазы со структурой В2 на основе TiNi и мартенситной фазы со структурой В19. Проанализировано распределение микродеформации решетки фазы В2 по глубине.

Представлены результаты исследования влияния на пролиферацию культуры мезенхимальных стволовых клеток (МСК) и оценки цитотоксичности поверхностей образцов никелида титана, подготовленных специальными механическими и электрохимическими методами и различающихся морфологией и шероховатостью. Показано, что образцы сплава на основе никелида титана не оказывают токсического действия на МСК крысы. При культивировании в присутствии тестируемых материалов или на их поверхности МСК сохраняли жизнеспособность, адгезивные, морфологические свойства и способность к пролиферации in vitro, что подтверждено методами: подсчета клеток в камере Горяева, МТТ, проточной цитометрии, световой и флуоресцентной микроскопии. Установлено, что на поверхности образцов ТН1(Б), шероховатость класса С10-11 у которых достигалась путем многоступенчатого механического шлифования "до зеркального блеска" и последующей электролитической полировки, процессы пролиферации МСК выражены слабо. Напротив, шероховатость класса С7 поверхности образцов ТН1(А), достигнутая путем химического травления и последующей электролитической полировки, более оптимальны для пролиферации МСК.