Изложены базовые основы конструирования композитов. Дан сравнительный анализ свойств, методов производства и областей применения основных групп композиционных материалов. Выделен синергетический, мультидисциплинарный подход к проектированию и использованию потенциальных возможностей композитов в технологиях будущего. Рассмотрены новые типы композиционных материалов, такие как нано-, биокомпозиты, кейвориты и др. Для студентов и аспирантов материаловедческих специальностей вузов, а также для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и созданием материалов и изделий новой техники.

С использованием метода рентгеноструктурного анализа исследованы величина и характер распределения макроискажений кристаллической решетки, возникающих в результате электронно-лучевой наплавки износостойкого покрытия со структурой азотистого аустенита на сталь 65Г. Показано, что модифицирование наплавочного порошка тугоплавкими частицами V(CN) снижает величину макродеформаций в покрытии, но не влияет на характер их распределения в двухфазной аустенитно-мартенситной зоне сплавления.

Представлена модель, описывающая начальные стадии формирования барьерного слоя при высоковольтной импульсной поляризации при формировании оксидно-керамических покрытий, в которой скорость процесса определяется скоростью доставки кислородсодержащих ионов к поверхности. Получено согласие расчетных вольтамперных зависимостей с экспериментальными кривыми.

В рамках дискретного метода подвижных клеточных автоматов (метода МСА) разработана методика определения сдвиговых компонент тензора напряжений и деформаций в произвольном элементарном объеме образца. Проведены расчеты для различных распределений кальция по глубине покрытия, соответствующих разным способам его нанесения или разному времени его пребывания в организме. По результатам расчетов выполнена оценка упругих свойств, а также деформаций и напряжений сдвига в зависимости от распределения элементов по покрытию. Для выбранных составов покрытий определены распределения кальция, при которых в покрытии реализуются наибольшие и наименьшие величины напряжений и деформаций сдвига.

Приведено теоретическое и экспериментальное обоснование высокой эффективности повышения макромеханических характеристик конструкционных и инструментальных материалов путем наноструктурирования их поверхностных слоев или нанесения наноструктурных покрытий. Нагруженное твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой поверхностные слои являются самостоятельной подсистемой. Особое внимание уделяется интерфейсу "поверхностный слой (покрытие) - подложка", на котором возникает "шахматное" распределение нормальных и касательных напряжений и связанных с ними концентраторов напряжений различного масштаба.

Представлены результаты исследования морфологии и физико-химических параметров биокопозита на основе объемного наноструктурного титана и микродугового Ca-Р покрытия до и после их растворения в биологической жидкости. Растворение Ca-Р покрытия происходит преимущественно в зонах концентраторов напряжений, при этом параллельно с ионами кальция накапливаются фосфатные группы, приводящие к снижения pH раствора. На основе предложенной математической модели диффузионного взаимодействия имплантанта с раствором определен эффективный коэффициент диффузии кальция в растворе.

Методами металлографии, электронной микроскопии и рентгенографии исследована структура и проведен подробный химический и фазовый анализ покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на воздухе порошковых смесей. Определен оптимальный режим наплавки. обеспечивающий высокую износо- и коррозионную стойкость покрытий на малоуглеродистой стали Ст.3.

Представлены результаты теоретического исследования электрон-фононного взаимодействия в состоянии квантовой ямы, образованном монослойным покрытием Na на Cu (111). Расчеты показали, что константа электрон-фононной связи в этом состоянии уменьшается незначительно (1%) в сравнении со значением для чистой поверхности меда. Соответствующий электрон-фононный вклад во врем жизни состоянии квантовой ямы увеличивается в 1.5 раза по отношению к чистой поверхности Cu (111).

Высокий коэффициент деформационного упрочнения азотистого аустенита определил перспективность его использования в качестве основы (матрицы) при создании новых композиционных материалов и покрытий. В работе экспериментально исследованы структура, фазовый состав и свойства покрытия из хромомарганцевого чугуна, легированного азотом, а также зоны сплавления его с подложкой.

Исследованы структура и свойства покрытий, полученных наплавкой смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь Ст3. Показано, что износостойкость наплавленных слоев определяется характером образующейся структуры, а коррозионная стойкость — содержанием в них хрома. Подобран режим наплавки, позволяющий получить бифункциональные покрытия, обладающие одновременно достаточно высокими значениями износостойкости и коррозионной стойкости.

С применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) получены композиционные порошки «карбид титана – связка из высокохромистого чугуна или быстрорежущей стали Р6М5». Электронно-лучевые покрытия, наплавленные синтезированными порошками, исследованы методами металлографии и рентгеноструктурного анализа. Обсуждено влияние микроструктуры и фазового состава, а также объемного содержания и морфологии карбидной фазы в наплавленных покрытиях на их твердость и абразивную износостойкость.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учеб. для студентов вузов, обучающихся по специальности 110800 - "Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия". Изложены теоретические основы и практика процессов формования и спекания металлических порошков и их смесей с неметаллическими порошками. Рассмотрены процессы подготовки порошков к формованию, условия деформации, изменения плотности и свойств порошков в процесс их прессования, изостатического формования, прокатки и других методов обработки давлением. в том числе при его импульсном приложении. Суммированы имеющиеся данные по теории и технологии спекания порошковых формовок. Приведены сведения о свойствах порошковых изделий и методах и х определения, а также способах обработки порошковых изделий, охране труда и технике безопасности при осуществлении основных операций, составляющих сущность метода порошковой металлургии. Может быть полезна студентам соответствующих вузов при изучении основ металлургического производства и технологии обработки металлов, а также инженерно-техническим работникам металлургического и машиностроительного производства.

Обобщены принципы создания электродных материалов для электроискрового легирования и разработаны новые электродные материалы с использованием самофлюсующихся и минеральных добавок. Установлен взаимосвязь свойств электроискровых покрытий с режимами их нанесения и свойствами материала легирующего электрода. Книга рассчитана на широкий круг научных и инженерно-технических работников, занимающихся электрофизическими методами упрочнения и созданием электродных материалов для электроискрового легирования.

Проведено изучение структуры, микротвердости и износостойкости аустенитных покрытий с карбидным упрочнением, нанесенных с помощью аргонодуговой наплавки. Установлено, что в процессе наплавки и старения в покрытии формируется структура с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, которая приводит к равномерному распределению микротвердости и повышению абразивной износостойкости упрочненного слоя.

Исследованы структурные характеристики и трибомеханические свойства покрытий на основе системы Ti-Al-N, полученных в условиях магнетронного напыления без и с сопровождением ионной бомбардировкой, а также путем послойного напыления с ионнолучевой обработкой каждого слоя. Установлен характер влияния температуры осаждения и способа ионной обработки на микро- и нанотвердость, модуль упругости и износостойкость покрытий. На основании анализа фазового и химического состава покрытий и определения уровня внутренних упругих напряжений, параметра решетки, среднего размера и кристаллографической ориентировки зерен основной фазы Ti1-хAlхN обсуждаются возможные механизмы наблюдаемого изменения свойств покрытий.

Представлены результаты экспериментального исследования модификации покрытий на основе TiN комбинированным потоком ионов Al + B. Сформулирована модель процесса поверхностной обработки, учитывающая основные физико-химические явления, приводящие к изменению фазового состава и структуры покрытия. Проведена оценка параметров модели. Показано ее качественное соответствие данным эксперимента.

Исследовано влияние тонких слоев из молибдена или тантала, созданных магнетронным напылением на поверхности никелида титана, на его физико-механические свойства, в том числе - сверхэластичность (СЭ), реактивные напряжения, а также микротвердость покрытий и спряженных с ними областей материала подложки.

Исследовано влияние нанокомпозитных покрытий на основе Fe-Cr-Ni-N и Fe-Cr-Ni, нанесенных на образцы из высокопрочной стали 38ХН3МФА с помощью магнетронного напыления с нагревом подложки до температуры 300С, а также в условиях ионной бомбардировки, на нанотвердость и износостойкость металлической компоненты при работе в паре трения с контртелом из полиамида ПА-66. Установлен характер изменения трибомеханических свойств в зависимости от режима и условий осаждения покрытий. На основании анализа фазового состава, параметра решеток, среднего размера зерен и уровня внутренних упругих напряжений II рода, определенных рентгеноструктурным методом, обсуждается взаимосвязь свойств покрытий с их структурно-фазовым состоянием.

Изучены химический, фазовый состав и структура слоев, полученных электронно-лучевой наплавкой на воздухе смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь. Определена микротвердость слоев по их толщине. Проведены испытания на изгиб, коррозионную стойкость, абразивный износ стали с наплавкой. Рассмотрен предположительный механизм формирования свойства покрытий: твердости, износостойкости, трещиностойкости и прочности на изгиб.

Предложена и исследована двумерная модель синтеза покрытия на подложке в условиях регулируемого нагрева, учитывающая кинетические и тепловые явления. В качестве модельной системы покрытия выбрана смесь порошков Ti и Ni, в качестве подложки - сталь. Система химических реакций записана в соответствии с диаграммой состояния Ti-Ni. В модели учитывается, что химические реакции тормозятся слоем продукта. Задача решена численно. Определены распределения температуры и концентраций элементов и соединений в различные моменты времени для различных условий синтеза. Показано, что при любой организации процесса синтезированный материал оказывается химически неоднородным.

Предложена модель изотермического отжига материала с двухслойным покрытием с учетом взаимовлияния процессов диффузии и деформирования. Даны оценки концентрационных напряжений в диффузионной зоне в процессе отжига. Показано, что учет влияния напряжений на массоперенос может иметь принципиальное значение для формирования распределения концентраций.

При деформации растяжением сталей с покрытиями обнаружен волновой характер процесса множественного растрескивания покрытия. В зависимости от отношения толщин и микротвердости основы и покрытия проявляются такие нелинейные волновые процессы, как волны переключения и заселения. С помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса показано, что инициированные развивающимися трещинами зоны локализованной деформации определяют неоднородный характер деформации и разрушение исследованных композиций типа «сталь – покрытие».

С использованием энергии релятивистских электронов на поверхности низкоуглеродистой стали сформированы слои наплавки, высоколегированные хромом, бором и углеродом. Исследована зависимость структуры, фазового состава, твердости и износостойкости от состава легирующей смеси. Установлено существование режимов легирования, приводящих к образованию в поверхностном слое структур, аналогичных структуре твердого сплава и обеспечивающих достижение максимальных уровней твердости, износостойкости и противоударной стойкости.

В работе предлагается метод оценки прочностных свойств наполненного полимерного композитного покрытия, основанный на компьютерном моделировании и методах вычислительной механики. Предлагаемый подход позволяет связать уровень внешней нагрузки, способ ее приложения, характеристики рельефа подложки, наконец, состав материала композиции с локальными распределениями параметров напряженно-деформированного состояния и оценить прочность материала покрытия.

Методом микроплазменного оксидирования в растворе силикатного электролита на поверхности циркония, напыленного на медную подложку, сформированы оксидно-керамические покрытия. Определены оптимальные режимы микроплазменной обработки. Установлена корреляция между вольтамперными характеристиками процесса оксидирования и свойствами формируемых покрытий. Показано, что свойства оксидного покрытия зависят от технологии получения компонентов электролита.

Отработаны технологические режимы вибропомола стружковых отходов быстрорежущей стали Р6М5, обеспечивающие наибольший выход фракции, пригодной для электронно-лучевой наплавки покрытий. Исследована микроструктура, фазовый состав и твердость электронно-лучевых покрытий, наплавленных порошком из стружки и промышленным распыленным порошком. Обсуждены причины различия твердости и фазового состава покрытий, наплавленных распыленным и молотым порошком.

Исследованы триботехнические характеристики композиционных покрытий, полученых методом электронно-лучевой наплавки на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридами титана. Показано, что с ростом содержания карбонитридов титана в матрице Х20АГ20 абразивная износостойкость возрастает. При испытании по схеме "вал - две плоские колодки" при комнатной температуре исследуемые покрытия с увеличением в них доли карбонитридов титана показывают более высокую износостойкость. Дополнительная термическая обработка покрытий улучшает их триботехнические характеристики и увеличивает диапазон допустимых скоростей скольжения и удельных нагрузок.

Показана возможность моделирования синтеза нанообъектов на основе метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия использован метод погруженного атома. Исходным материалом для получения наноструктур являлась бислойная наноразмерная кристаллическая пленка, один слой которой был составлен из атомов меди, а другой из атомов алюминия. Исследован процесс синтеза нанотрубок в зависимости от толщины слоев и длины пленки. Изучены механическая устойчивость нанотрубок, их отклик на ударные воздействия, а также поведение полученных нанообъектов при повышении температуры вплоть до плавления. Предложена принципиальная схема конструирования и использования полученных нанообъектов в качестве компонентов интеллектуальных наноустройств, преобразующих тепловую энергию в механическую.??.

Предложена модель диффузионного взаимодействия имплантата с многослойным покрытием и физиологического раствора. Эта модель представляет собой сопряженную задачу многокомпонентной диффузии. Принято условие малости коэффициентов диффузии в твердой фазе по сравнению с жидкостью, что позволило пренебречь распределением концентраций элементов в физиологическом растворе. Проанализированы частные варианты модели. Определены поля концентраций в твердой фазе и среднее содержание концентраций в растворе в различные моменты времени при варьировании параметров модели. В реальной ситуации варьирование коэффициентов диффузии достигается за счет изменения состава покрытий.????.

Для промышленного производства теплоотражающих покрытий (ТОП) на архитектурном стекле изготовлена установка ТОПаз-3М со шлюзованием кассеты двухстороннего размещения стекла и системой транспортировки через рабочую камеру. Максимальный размер листового стекла - 2750x1605 мм. Установка имеет автоматическую систему диагностики и управления работой вакуумного и технологического оборудования. Длительность цикла - 20-25 минут в режиме "зеркало", 40-60 минут в режиме "низкоэмиссионное стеклоTiO2", 25-30 минут в режиме "низкоэмиссионное стекло SnO2". Представлены технические характеристики установки, технологические параметры нанесения ТОП-состава TiO2-Ag-TiO2, SnO2-Ag-SnO2, а также оптические свойства полученных многослойных покрытий в видимом и инфракрасном диапазонах.

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.

Предложен новый метод получения термостойкого оксида циркония в слоистом композиционном покрытии на сплаве меди. Метод заключается в высоковольтном импульсном воздействии на образец, помещенный в раствор электролита, в результате которого происходит модификация поверхностного слоя циркония без участия нижних слоев подложки с последующим образованием оксида. характеризующегося повышенной термостойкостью. Подобные покрытия могут быть использованы, например, на внутренней обшивке сопла в двигателях для аэрокосмической промышленности.