Предложена математическая модель импульсной электронно-лучевой обработки гетерогенного материала с позиции механики гетерогенных сред. Каждая фаза (частицы и матрица) характеризуется своей концентрацией диффундирующего углерода и температурой. Учитываются процессы переноса тепла и массы в частицах и матрице и обменные процессы между фазами. Проиллюстрировано влияние внешнего теплового потока на поля температуры и концентрации диффундирующего углерода.

Предложена модель формирования неравновесного поверхностного слоя в процессе электронно-лучевой модификации композиционного материала. Учитываются особенности процессов переноса в матрице и во включениях, а также характер границ раздела между ними. Приведены примеры численного исследования модели для случая идеального контакта между частицами и матрицей. Показан различный характер формирования диффузионных зон в окрестности частиц, расположенных на разном расстоянии от внешней поверхности.

Предложена математическая модель электронно-лучевой закалки углеродистых сталей при облучении в пучке релятивистских электронов с учетом изменения условий кристаллизации в результате попадания в расплав инертных частиц. Модель основана на аналогии с теорией двухфазной зоны. Задача решается численно.

С помощью оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного фазового анализа исследована структура и фазовый состав плазменно-напыленного покрытия на основе железа. Обнаружено изменение структуры и фазового состава при обработке покрытия высокоэнергетическими методами: ультразвуком, электронным лучом.

Теоретически и экспериментально исследованы различные методы электронно-лучевой обработки металлических и неметаллических материалов: получение отливок повышенной чистоты из тугоплавких металлов, в частности изготовление новых и восстановление изношенных катодов, мишеней, упрочнение поверхностных слоев сталей из стали и сплавов титана с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя; нанесение на поверхность металлических изделий упрочняющих порошковых покрытий; получение неразъемных соединений керамика-металл, металл-металл. Представлены электронно-лучевые технологии получения металлорежущих инструментов, оснащенных пластинками из кубического нитрида бора, упрочнения методами электронно-лучевой наплавки, закалки с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя, получения биметаллических катодов, мишеней. Монография рассчитана на научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области высокоэнергетических методов обработки материалов, может быть полезна аспирантам и студентам технических вузов.

Представлен обзор работ авторов по моделированию физико-химических превращений в ванне расплава, сопровождающих формирование фазовой и химической структуры покрытия в процессе электронно-лучевой наплавки. Выделены типы подмоделей, анализ которых позволяет установить качественные закономерности, присущие системам различных типов. Указано на аналогию критических явлений, наблюдаемых в моделях отдельных стадий сложных технологических процессов (электронно-лучевая наплавка с модифицирующими частицами и электронно-лучевая наплавка с использованием синтеза в конденсированной фазе), и критических явлений, известных из тепловой теории горения.

Исследовано влияние импульсного облучения мощным электронным пучком на структуру плазменных металлокерамических покрытий, напыленных композиционными порошками TiC-(Ni-Cr). Установлено, что импульсное электронное облучение приводит к нагреву покрытия вплоть до его полного переплава. С увеличением размера частиц напыляемого композиционного порошка эффективность нагрева слоя покрытия повышается.

Предложена двумерная модель синтеза покрытия в условиях электронно-лучевой обработки. Представлены результаты численного исследования модели, иллюстрирующие роль технологических параметров в режимах превращения. Показано, что степень превращения и состав покрытия существенно зависят от режима обработки.

В работе исследуется влияние нелинейных эффектов поверхностной неравновесной активации и внутренних механических напряжений, наблюдаемых в процессах электронно-лучевой модификации TiNi-сплавов, на диффузию кислорода из адсорбционного слоя вглубь материала. Предложенная математическая модель включает уравнения теплопроводности, диффузии и кинетики с соответствующими импульсной электронно-лучевой обработке начальными и граничными условиями. Приводятся оценки кинетических параметров. Рассчитываются распределения температуры, концентрации и напряжений по пространству и времени для широкой области изменения параметров. Определяется глубина зон прогрева и диффузии, проводится сравнение результатов с учетом активации и без нее.

Иллюстрируются возможности применения идей теории горения к моделированию высокотемпературных технологических процессов. В качестве примеров рассмотрены модель процесса кислородной резки, в которой учитываются кинетические особенности реакции окисления; модель электронно-лучевой обработки материала с покрытием, в котором может протекать экзотермическая реакция, приводящая к изменению свойств покрытия. Обсуждаются проблемы механической устойчивости, возникающие в некоторых технологических процессах.??.

Предложена математическая модель неизотермической диффузии азота в поверхностном слое металлокерамического сплава на основе карбида титана с Ni-Cr связующим за время действия одиночного импульса облучения мощным электронным пучком. Показано, что в результате такой обработки образуется диффузионная зона с концентрацией азота 1,5-2,0 ат.%.

В ИФПМ СО РАН разработана технология электронно-лучевой наплавки композиционных порошковых материалов на детали металлургического производства. Технология позволяет формировать градиентные покрытия различного функционального назначения с использованием твердых тугоплавких соединений (карбиды, нитриды, бориды). Получаемые покрытия обладают высокими значениями твердости, износостойкости и имеют литую структуру. Многолетний опыт развития электронно-лучевой наплавки в ИФПМ СО РАН позволил разработать и внедрить на Западно-Сибирском металлургическом комбинате (г. Новокузнецк) уникальную многоцелевую установку электронно-лучевой наплавки «ЛУНа-10» для упрочнения деталей металлургического оборудования.

Исследованы процессы формирования структуры псевдосплава Cu-(20-40 масс.%)Cr при электронно-лучевой наплавке (ЭЛН). Для наплавки использовали смесь порошков меди и хрома. В процессе наплавки происходит диспергирование частиц хрома, обеспечивающее формирование мелкозернистой и равномерной структуры. В результате перегрева ванны в зоне действия электронного луча происходит растворение хрома в медной матрице с последующим формированием бимодальной структуры при старении наплавленного слоя.

На основе дискретного моделирования исследованы особенности деформирования и разрушения материалов с большой долей границ раздела ("interfacial materials") при воздействии сложных знакопеременных нагрузок. анализировалось влияние частоты циклического воздействия на характер разрушения образцов, их деформируемость, способность диссипировать закачиваемую энергию, а также на распределение деформаций деформаций в объеме материала. Показано, что высокочастотные вибрационные воздействия с частотами, значительно превосходящими собственные, могут значительно повышать деформационную способность материалов с большой долей границ раздела.

Сборник объединяем статьи по результатам основных работ института в области металловедения цветных металлов и сплавов на их основе. Рассмотрены особенности формирования структуры и свойств материалов, полученных методом испарения и конденсации в вакууме. Представлены статьи, посвященные исследованию поведения стареющих сплавов при термической и термомеханической обработке и принципам выбора пружинных и дисперсноупрочненных материалов на основе меди, а также исследованию структуры и свойств сплавов на основе серебра и алюминия, применяемых для электрических контактов и эмиттеров вторичных электронов. Рассчитан на широкий круг научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области металловедения и использования сплавов на основе меди, серебра и алюминия.

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.

Показано, что в поверхностном слое цементированной стали 15Н3МА после обработки импульсным низкоэнергетическим электронным пучком формируется сложное структурно-фазовое состояние, которое характеризуется наличием феррита, аустенита и цементита. Образование мартенсита зависит от длительности импульсов и их количества. Ультразвуковая ударная обработка цементированной стали, предшествующая электронной, кардинально изменяет фазовый состав поверхностного слоя, в котором остается лишь феррит.??.

В монографии с современных позиций показаны новейшие технологии прессования полидисперсных порошковых материалов. Описаны технологические системы, изложены рекомендации по повышению эффективности процесса консолидации порошков при получении плотноупакованных изделий. Книга предназначена для студентов вузов, обучающихся по специальности "Машины и технология обработки металлов давлением", может быть использована при изучении курсов "Теория обработки металлов давлением", "Специальные способы обработки металлов давлением", "Основы физического металловедения", а также может быть использована для студентов, обучающихся по специальности "Порошковая металлургия и композиционные материалы". Печатается в авторской редакции.

С помощью трехмерного бесконтактного профилометра Micro Measure 3D Station исследован микрорельеф поверхности углеродистой стали после у.з. финишной обработки. Рассмотрено влияние на микрорельеф получаемой поверхности исходных параметров поверхности. Описаны особенности формирования микрорельефа в режиме упрочняющей и отделочно-упрочняющей обработки. Для устранения перенаклепа поверхностного слоя предложено вводить в зону обработки геоактивирующий материал.

Методом рентгеноструктурного анализа исследована структура интерметаллида TiNi подвергнутого поверхностной электронно-лучевой модификации. выявлено 3, дифференцированных по микрокристаллической структуре слоя: внешний остротекстурированный слой толщиной 1:3 мкм с текстурой в направлении [100]В2 и уменьшенным на 1% параметром периодичности решетки в направлении нормали к поверхности, промежуточный градиентно-напряженный слой толщиной 10:15 мкм с текстурой исходно слитка и неизмененный материал. Поверхностный слой, как и промежуточный, находится в растянутом вдоль поверхности и сжатом нормально поверхности состоянии. Это искажение решетки максимально в поверхностном слое и убывает вглубь материала.

В работе на основе математической модели нестационарного многомерного процесса теплопереноса и металлографических исследований рассмотрены особенности термических условий формирования структуры и свойств стали 45 при электронно-лучевом воздействии. Проведены численные расчеты температурных полей и средних скоростей охлаждения в зоне оплавления и в зоне термического влияния. Показано, что температурно-временные условия нагрева и охлаждения материала, зависящие от плотности мощности электронного луча, определяют характер протекающих структурных превращений.

Представлены результаты исследований in vivo закономерностей формирования тонких пленок, мягких и твердых (костных) тканей органической природы на поверхностях имплантатов из никелида титана с поверхностными слоями, модифицированными ионными и электронными пучками, их коррозионной стойкости, анализа накопления продуктов коррозии - металлических ионов в удаленных от импланта органах животного (сердце, легкие, печень, селезенка, почки) и в тканях, прилежащих к имплантату. Обнаружено, что структура органических тканей, формирующихся на поверхности имплантата, зависит от материала имплантата. Сформированные на поверхностях имплантата из никелида титана ткани - более однородны по структуре, равномернее обволакивают имплантат, чем на поверхностях имплантата из титанового сплава ВТ6. Установлено, что морфология органических тканей зависит от способа поверхностной модификации металлического имплантата. Показано, что модификация поверхности с использованием ионов циркония, молибдена, а также электронно-лучевая обработка весьма эффективно повышает коррозионную стойкость и биосовместимость имплантатов из никелида титана, что проявляется в формировании тонкостенной обволакивающей капсулы, быстром восстановлении капиллярной системы вокруг имплантата, отсутствии (выше контрольных пределов) накопления металлических элементов (например, циркония, никеля) в тканях внутренних органов животных. Полученные результаты позволяют рекомендовать обработки ионными (со специальным выбором сорта иона) и электронными пучками в качестве финишных обработок поверхностей материалов и изделий, предназначенных для изготовления имплантатов для медицины.

Изучены коррозионно-стойкие покрытия, полученные методом электронно-лучевой наплавки на воздухе. Показано, что свойства покрытий зависят от содержания в них хрома, скорости охлаждения наплавленного металла и наличия остаточных закалочных напряжений.

Исследовано влияние обработки пучком ионов молибдена на трибологические свойства подшипниковой стали ШХ-15 с MoSx покрытием, напыленным электронно-лучевым методом. Установлено, что ионно-лучевая обработка снижает трение и износ материала, при этом величина эффекта зависит от толщины пленки, дозы облучения и схемы испытания образцов.

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.

Методами электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализов исследованы особенности эволюции структурно-фазового состояния наноструктурного сплава Ti-6Al-4V-H в процессе вакуумного отжига и облучения пучком электронов. Показано, что сочетание предварительного легирования водородом, горячего прессования и изотермического отжига в вакууме позволяет сформировать в сплава Ti-6Al-4V субмикрокристаллическую структуру со средним размером зерен менее 0,3 мкм. Установлено, что использование для дегазации по водороду облучения электронным пучком снижает не только температуру выхода водорода. но также и температуру рекристаллизации СМК структуры.

Методом электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов карбидов вольфрама и хрома и последующей импульсной обработки низкоэнергетическими электронами сформирована нано- и ультрадисперсная зеренная структура, пронизанная системой наноразмерных пор. Показано, что в зоне вторичного импульсного воздействия нанотвердость и модуль упругости достигают аномально высоких значений. Модифицированный приповерхностный слой с наноструктурой и хаотическим распределением нанопор может служить барьером для развития хрупкого разрушения.

В работе методом вакуумной электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов на поверхности низкоуглеродистой стали Ст3 сформированы покрытия на основе карбидов хрома и вольфрама, которые затем повторно обработаны низкоэнергетическим импульсным электронным пучком с целью получения ультрадисперсной и наноразмерной структуры. исследованы структура и фазовый состав покрытий и слоев вторичной импульсной обработки, изучена возможность измерения в них скорости ультразвука. Установлена связь между скоростью ультразвука, структурой, составом, дефектностью решетки наплавленных покрытий до и после импульсной электронно-лучевой обработки.

В работе развит метод гибридных клеточных автоматов, предназначенный для изучения поведения гетерогенных материалов и контрастных сред. Метод представляет собой комбинацию двух подходов - классических и подвижных клеточных автоматов. Верификация метода проведена путем равнения результатов моделирования сорбции углекислого газа в лигните с экспериментальными данными, предоставленными исследовательским отделом Веленской угольной шахты (Словения). С использованием полученных оценок параметров модели проведено численное исследование влияния газовой фазы на прочность и разрушение образцов лингита. Показано, что присутствие газовой атмосферы с давлением даже в 0.1 МПа приводит к изменению эффективной прочности угольных образцов и характера их разрушения. Разработанный метод может быть использован для исследования особенностей поведения сложных многокомпонентных сред, таких как угольные пласты в зоне горных выработок.

Исследованы композиционные покрытия "карбид титана - сплав на основе железа", нанесенные методом электронно-лучевой наплавки. Структура наплавленных покрытий подобна структуре спеченных карбидосталей, причем стальная связка закаливается в процессе нанесения покрытия, что обеспечивает дополнительное повышение его твердости.

Проведена модификация поверхности полимерных волокон DRE-плазмой. Установлено, что DRE- обработка приводит к повышению смачиваемости и адгезионных характеристик поверхности полимерных волокон. Показана возможность использования полипропиленовых волокнистых материалов в качестве подложки для закрепления частиц оксигидроксида алюминия.

В работе проведена первая серия систематических экспериментов по наноструктурированию поверхностных слоев ряда авиационных материалов и их сварных соединений с целью повышения прочностных характеристик обработанных материалов. В основе предложенного подхода лежит концепция клеточного распределения напряжений и деформаций на интерфейсе «наноструктурированный поверхностный слой – подложка» в виде «шахматной доски».

Различными физико-химическими методами, включая дифференциальный термический анализ, термогравиметрию, газовую хромотографию, оптическую и электронную микроскопию, изучено поведение наноразмерного порошка алюминия при смешении с пластифицированным нитроэфирами полимером. Определены перспективные способы предварительной химической обработки, обеспечивающие сохранность свойств порошка при длительном хранении и неизменность его свойств в составах энергетических материалов.