В работе представлены результаты расчетов полной (латеральной и вертикальной) релаксации поверхностей меди (001) и (111) в присутствии малого кластера из адатомов Со (димер), локальных плотностей колебательных состояний и поляризации этих состояний. расчеты проводились с использованием потенциалов межатомного взаимодействия, построенных в приближении сильной связи (tight-binding approximation). Анализ полученных результатов показал, что присутствие димера кобальта приводит к модификации колебательных состояний повеехности меди, а также возникновению новых мод локализованных как на адатомах кластера. так и на поверхностных атомах подложки. Обнаруженная анизоропия релаксации поверхностей в направлении [001] приводит к деформации межатомных связей и расщеплению колебательных мод димера. Значения времени жизни колебательных состояний димера для обеих рассмотренных поверхностей практически равны, однако обнаружен частотный сдвиг.

Систематизированы сведения о физических процессах формирования ионизационных спектров и применении ионизационной спектроскопии для диагностики поверхности. Описано преобразование спектра электронов в спектрометре и указан порядок определения его функции пропускания. Изложены методы исследования элементного и химического состава, гомогенности образца, толщины и сплошности тонких слоев. Приведены образцовые спектры 26 элементов и 11 соединений. Для научных работников и инженеров, занимающихся анализом поверхности твердого тела.

В книге подробно рассматривается кинетическая теория формирования полупроводниковых наноструктур на поверхности твердого тела, описываются основные физические концепции и модели процессов образования эпитаксиальных пленок, квантовых точек и нитевидных нанокристаллов (нановискеров). Излагаются основы теории нуклеации и конденсации и возможности ее применения для моделирования ростовых процессов, морфологии и физических свойств эпитаксиальных наноструктур. Особое внимание уделяется теоретическим моделям формирования квантовых точек и нановискеров полупроводниковых соединений III—V. Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными, полученными для различных систем материалов и условий осаждения. Никаких предварительных знаний по теории нуклеации, физической кинетике, физике поверхностных явлений не требуется, все необходимые сведения приведены в тексте. Для студентов, бакалавров и аспирантов, специализирующихся в области физики, материаловедения и некоторых других технических дисциплин, а также для ученых и инженеров, желающих глубже понять теоретические основы современной физики и технологии наноструктур.

С использованием межатомных потенциалов взаимодействия, полученных в приближении сильной связи, исследованы колебательные свойства малых кластеров кобальта (димер и тример), адсорбированных на поверхность меди (111). Обсуждаются полная (латеральная и вертикальная) релаксация поверхности, локальная плотность фононных состояний, а также поляризация колебательных мод кластеров и атомов подложки. Показано, что адсорбция малых кластеров кобальта приводит к локальной модификации колебательных свойств поверхности подложки, а также к возбуждению новых вибрационных мод, локализованных как на адатомах кластера. так и на поверхностных атомах подложки. Увеличение размера кластера приводит к снижению интенсивности и уширению пиков локальной плотности состояний, а также к сдвигу их частот.

Методами теории функционала электронной плотности впервые проведены систематические расчеты из первых принципов адсорбции водорода на двух поверхностях (оо1) и (110) В-2 титана с учетом полной релаксации системы. Определены равновесные положения водорода на металлических поверхностях в зависимости от структуры и окончания поверхности (surface termination). Показано, что адсорбция водорода на поверхности (001) в исследованной серии сплавов титана более предпочтительна на поверхности, оканчивающейся титаном. Релаксационные эффекты изменяют величину энергии адсорбции на 0.10 - 0.25 еV, хотя в целом тендеции, полученные для идеальных пленок, остаются неизменными. Среди исследованных положений водорода на поверхности TiMe(110) наиболее предпочтительной является псевдотрехкратно центрированная F1-позиция с преобладанием атомов титана для сплавов начала серии (TiFe, TiCo). Для сплавов TiNi, TiPd и TiPt энергии адсорбции в F1-позиции и титановой мостиковой позиции практически равны. Рассчитанные кривые локальных и парциальных плотностей состояний используются для объяснения механизмов взаимодействия водорода с поверхностью.

В учебнике рассмотрены вопросы физико-химического строения металлических и неметаллических материалов, термической обработки и поверхностного упрочнения, понятия о механических свойствах и методах их определения, основы теории и технологии получения заготовок литьем, давлением, сваркой и пайкой, механической обработкой и рекомендации по их применению. Включен раздел по производству металлов, порошковой металлургии. Для студентов вузов, обучающихся машиностроительным специальностям. Может быть использован студентами соответствующих техникумов и колледжей.

В работе показана возможность изучения закономерностей поведения и диагностики структуры и свойств поверхностных слоев и покрытий на основе спектрального анализа акустических колебаний и силы сопротивления при трении. Исследования проведены на наноскопическом масштабе с использованием численного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Развита методика анализа упругих волн на основе обработки зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений, регистрируемых в определенной точке поверхности контртела. Идентифицированы основные пики на спектрах регистрируемых данных, обусловленные собственными частотами системы, геометрическими и адгезионными параметрами модели, а также шероховатостью взаимодействующих поверхностей. Показано, что спектры изменения давления в модели качественно подобны акустическим спектрам записи звука в реальном эксперименте. Теоретически обосновывается возможность применения трибоспектрального анализа на основе вычисления силы трения для диагностики неоднородностей и несплошностей наноскопического масштаба в поверхностном слое толщиной до 100 нм. Результаты изучения показали возможность оценки ряда параметров наноскопических несплошностей, таких как характерный пространственный период их расположения и линейные размеры. Обсуждаются области применения предложенного подхода как перспективного неразрушающего метода исследования поведения и диагностики структуры и поврежденности покрытий и поверхностных слоев наноскопической толщины.

В работе исследуются процессы деформации и разрушения материалов с покрытиями различной толщины. Краевая задача механики решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Для описания механического отклика стальной подложки и боридного покрытия используются модели упругопластической среды с изотропным упрочнением и упруго-хрупкого разрушения соответственно. Геометрия границы раздела «покрытие - подложка» соответствует экспериментально наблюдаемой и учитывается в расчетах явно. Проведены серии численных экспериментов при варьировании толщины покрытия. Показано, что в пределах тонкого поверхностного слоя (около 80 мкм) концентрация напряжений вблизи границы раздела «покрытие - подложка» увеличивается при уменьшении толщины покрытия, т.е. по мере приближения данной границы к свободной поверхности образца. Установлено, что данный эффект проявляется уже на упругой стадии и усиливается по мере развития пластической деформации в подложке.

На основе анализа экспериментальных результатов последних лет сделано заключение, что поверхностные слои нагруженных твердых тел являются самостоятельной подсистемой, в которой развиваются волновые механизмы пластического течения, определяющие зарождение первичных деформационных дефектов всех видов. Эти процессы являются синергетическим активатором пластического течения о объеме деформируемого твердого тела.

Исследован элементный состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев никеля и титана, легированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на ионно-плазменном, вакуумно-дуговом источнике "Радуга-5". Установлено, что происходит формирование ионно-легированных слоев толщиной до 1000 нм (Ni) и 2000 нм (Ti) в процессе ионной имплантации. Показано, что поверхностные модифицированные слои содержат наноразмерные (средний диаметр 20-70 нм) интерметаллидные фазы Me3Al, MeAl (Me=Ni, Ti) и твердые растворы переменного по глубине состава, соответствующие равновесным диаграммам состояния систем Ni-Al и Ti-Al. Обнаружено, что увеличение дозы облучения титановых мишеней ионами алюминия приводит к росту толщины ионно-легированного слоя и среднего размера зрен интерметаллидных фаз. Установлена обща закономерность в локализации фаз, сформированных в процессе имплантации, по глубине легированных слоев металлов. Поверхностные слои содержат несколько многофазных зон, количество фаз в которых уменьшается по мере удаления о облучаемой поверхности. Область, содержащая интерметаллиды Me3Al, MeAl и наиболее близко расположенная к поверхности, способствует улучшению физико-механических свойств материалов.

Исследованы циклические вольтамперные характеристики формирования биокерамических покрытий на титане в импульсном микроплазменном режиме с помощью компьютерной системы измерений. Показано, что форма циклических вольтамперных характеристик зависит от режимов микроплазменного процесса, состава и концентрации электролита. Использование вольтамперных зависимостей позволяет прогнозировать, конструировать и контролировать качество покрытия в процессе его формирования, так как вольтамперные зависимости отражают динамику роста и качества покрытия.

Исследовано влияние времени микроплазменной обработки на форму вольтамперной кривой. получаемой на стадии микроплазменного формирования биокерамических покрытий на титане и его сплавах в растворах различных электролитов. Показано, что вольтамперные характеристики отражают динамику роста и качества покрытия и позволяют контролировать и корректировать микроплазменный процесс формирования покрытий и получать биокерамические покрытия с заданными свойствами.

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.

Книга посвящена вопросам практического применения сканирующей (растровой) электронной микроскопии с рентгеноспектральным микроанализом. В первой части описаны основные принципы и устройства, используемые в сканирующей электронной микроскопии. При этом изложен минимум информации, необходимый для понимания возможностей этого метода, правильной постановки задач для сканирующей электронной микроскопии, интерпретации результатов исследований. Во второй части подробно разобрано и систематизировано более 50 примеров практического применения сканирующей электронной микроскопии с рентгеноспектральным микроанализом. Большинство примеров относится к деятельности заводской лаборатории и иллюстрирует решения практических задач. также приведены примеры решения исследовательских задач. Все примеры подобраны таким образом, чтобы дать наиболее полное представление о типах задач, решаемых с помощью сканирующей электронной микроскопии, о подходах к их решению и общей методологии. В качестве учебного пособия книга предназначена для инженеров, аспирантов и студентов, повышающих свою квалификацию или обучающихся по специальностям, связанным с машиностроением и материаловедением. Ее можно использовать как вводный курс для операторов или непосредственных пользователей санирующих электронных микроскопов. Книга также будет полезна специалистам, которым приходится ставить задачи, требующие применения сканирующей электронной микроскопии с рентгеноспектральным микроанализом.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн рассчитана электронная структура AL2O3 в структуре корунда в объеме и на поверхности (0001). используется также псевдопотенциальный подход и несколько приближений для обменно-корреляционного потенциала. Показано, что расчет воспроизводят структурные свойства в согласи с экспериментом. Обсуждается влияние релаксации поверхности на структуру поверхностных состояний.

Методами ОЭС, ПЭМ и рентгеновского фазового анализа исследован элементный состав, морфология и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя титана, имплантированного ионами алюминия. Установлено, что в имплантированном слое толщиной 2.6 мкм со структурой твердого раствора алюминия в титане образуются мелкодисперсные (-70 нм) фазы интерметаллидов Ti3Al и TiAl, которые могут объединяться в конгломераты размером до 584 нм, а также соединения состава TiAl3. Модифицированный поверхностный слой ионо-имплантированного титана характеризуется повышенными физико-механическими свойствами.

В работе проводится исследование и тестирование алгоритма оценки деформации твердых тел на мезомасштабном уровне, основанного на построении полей векторов перемещений и расчете компонент деформации. Проверка метода проводилась путем сравнения аналитически вычисленных компонент деформации с экспериментальными расчетными данными, полученными по модельным изображениям, а также на изображениях, записанных с помощью оптико-телевизионной измерительной системы TOMSC, при растяжении металлических и полимерных образцов. Показано, что оценки компонент деформации, получаемые в результате корреляционного анализа изображений, хорошо согласуются с результатами их аналитического расчета при известных параметрах нагружения и размерах анализируемых изображений. Результаты проведенных исследований являются наглядным доказательством правомочности использования комплекса TOMSC для оценки локальных деформаций, реализуемых путем обработки изображений поверхности образцов нагруженных материалов.

Обнаружен новый механизм деформации в наноструктурированных поверхностных слоях деформируемого твердого тела и тонких пленках — развитие локализованного пластического течения в виде двойных спиралей. Сформулированы условия развития нового механизма деформации мезомасштабного уровня. Показано, что подобный механизм деформации может развиваться только в многоуровневой среде, имеет волновую природу и хорошо согласуется с полевой теорией неупругой деформации.

В работе исследуются условия возникновения и особенности проявления согласованного движения большого количества атомов вблизи свободной поверхности нагруженного кристалла. Отмечаются особенности инициации согласованного коллективного движения частиц как элемента самоорганизации при зарождении и развитии пластической деформации. Описываются результаты моделирования трехмерного кристаллита меди со свободными границами, подвергнутого одноосному сжатию, и исследуются процессы, протекающие в таком кристаллите как на активной стадии нагружения, так и на начальном этапе процесса релаксации. Показано, что развитие пластической деформации проявляется в виде распространения полос локализации атомных смещений от свободной поверхности вглубь материала. В работе отмечается, что аккомодационные процессы в материале в условиях высокоскоростного нагружения являются инерционными и продолжают активно протекать после снятия внешнего воздействия. Кроме того, показано, что в нагруженном материале могут возникать динамические периодически формирующиеся согласованные коллективные смещения атомов вихреобразного характера, выступающие в роли своеобразных сбросов напряжений в упругой области. Проанализированы результаты моделирования нелинейного поведения материалов, содержащих систему микропор в условиях высокоскоростного нагружения. Обнаружено, что при определенной ориентации микропор внутри кристаллита может реализоваться согласованное «вихреподобное» движение ансамбля атомов. Показано, что внутренние поверхности, наряду с внешними, являются концентраторами зарождения полос локализации атомных смещений.

Работа посвящена теоретическому анализу механизмов множественного растрескивания упрочненных поверхностных слоев при растяжении плоских образцов сталей 65Х13 и 12Х1МФ с двухсторонним поверхностным упрочнением. Рассмотрено влияние распространения зигзагообразной макрополосы локализованного сдвига в объеме деформируемого образца на развитие поверхностных трещин. Даны энергетические оценки условия образования и распространения в объеме образца макрополосы локализованного сдвига.

Проведена серия численных экспериментов, нацеленных на выявление закономерностей формирования возмущений на внутренних границах раздела и поверхностях твердого тела при внешней приложенной механической нагрузке. Применен разработанный авторами стохастический алгоритм, использующий как базовые понятия классической теории упругости на макромасштабном уровне, так и результаты, полученные в рамках вероятностных подходов для более низких масштабных уровней. Обнаружено, что деформационный профиль поверхностного слоя нагруженного твердого тела имеет многоуровневую самоподобную структуру, где форма поверхности фронта возмущений на более высоком масштабном уровне подобна форме фронтов возмущений от концентраторов напряжений на более низких масштабных уровнях. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – подложка» имеет «шахматный» характер.

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.

Сформулирована и исследована математическая модель роста покрытия при магнетронном напылении. В оценке средних механических напряжений учитывается вклад как термической, так и диффузионно-химической природы. Показано. что кинетика реакции на поверхности играет не меньшую роль в эволюции напряжений, чем соотношение механических свойств растущего покрытия и подложки.

Экспериментально исследовано влияние электрического потенциала на сопротивление микроиндентированию образцов из алюминия и циркония. Сравнивается влияние собственно электрического потенциала, подаваемого на образец, и потенциала, возникающего из-за контактной разности потенциалов при соединении металлов с разной работой выхода электрона. Обнаружена качественная эквивалентность этих двух типов электрического воздействия. Установлена возможность заметного (свыше 10%) изменения микротвердости металлов за счет указанных воздействий.

На основе анализа собственных результатов и литературных данных показано, что образование твидовой структуры, наблюдаемой на поверхности кристаллов алюминия при циклическом растяжении, происходит в условиях нестабильности Гринфельда при напряжениях выше предела текучести. Экспериментально измеренный период твидовой структуры и высота шаровидных выступов удовлетворительно согласуются с теоретическими оценками на основе модели Гринфельда в линейном приближении. Изменение формы профиля поперечных сечений твидовой структуры с ростом числа циклов нагружения качественно согласуется с результатами численного моделирования эволюции нестабильности Гринфельда в нелинейном приближении. Принимается во внимание, что при циклическом растяжении кристаллов алюминия в приповерхностных слоях под окисной пленкой формируется высокодефектная сдвигонеустойчивая область, которая может рассматриваться как дефектная фаза, находящаяся в равновесии с кристаллической фазой алюминия. В этой дефектной области в условиях периодической модуляции плотности упругой энергии возникает градиент химического потенциала, в поле которого происходит перераспределение материала и образование твидовой структуры, что обеспечивает дополнительный и альтернативный дислокационному скольжению канал снижения упругой энергии нагруженного кристалла. Обсуждаются особенности структуры кристаллов алюминия, обеспечивающие возникновение нестабильности Гринфельда при циклическом растяжении, и возможные механизмы массопереноса в приповерхностных слоях. Сделан вывод, что нестабильность Гринфельда является прямым свидетельством особой роли поверхностного слоя как самостоятельного структурного уровня пластической деформации и разрушения материалов, которая обосновывается в рамках подхода физической мезомеханики.

Экспериментально исследовано влияние импульсного электронного облучения на микроструктуру поверхности и стойкость в режиме резания металла инструментальной металлокерамики на основе карбида титана с никель-хромовой связкой.

Определены износостойкость и электросопротивление зоны трения порошковых модельных композитов на основе стали Гадфильда (Г13) и переработанной стали ШХ15 в условиях скользящего электроконтакта. Представлены структура материалов и трехмерное изображение поверхности трения. Показано, что композит на основе стали Г13 формирует зону контакта с высокими электросопротивлением и шероховатостью. Обнаружено, что в зоне трения под влиянием электроэрозии происходит перенос материала композитов на стальное контртело.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн изучено взаимодействие водорода с B2-TiMe (001) (Me = Fe, Ni, Pd) и PdTa (001) поверхностями. Анализируются адсорбционные свойства поверхностей сплавов. Обсуждаются изменения электронной структуры, вносимые палладиевым покрытием в поверхностные слои B2-TiMe (001). Предлагается микроскопическое объяснение локальной поверхностной активности.??.

Приводятся экспериментальные данные о развитии в поверхностных слоях поликристаллов при их циклическом нагружении каналированных локальных структурных превращений вдоль направлений максимальных касательных напряжений. Данный процесс развивается стадийно. На первой стадии нагружения происходит каналированная экструзия островков материала поверхностного слоя, на второй стадии - их коагуляция во фрагментированные складчатые структуры. Геометрические параметры складчатых структур коррелируют с энергией дефекта упаковки материала. Полученные результаты подтверждают концепцию физической мезомеханики о «шахматном» распределении растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе «ослабленный поверхностный слой - кристаллическая подложка материала».

Разработана методика аттестации шероховатости поверхности твердых тел, основанная на вычислении фрактальной размерности изображений, получаемых с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Путем тестирования на модельных самоаффинных броуновских поверхностях определены условия корректного измерения фрактальной размерности. Разработанный алгоритм применен для численного описания шероховатости поверхности тонких пленок SiO2, нанесенных при различных температурах. Показано, что в отличие от перепада высоты и среднеквадратичной шероховатости, фрактальная размерность демонстрирует хорошую корреляцию с морфологией поверхности тонких пленок оксида кремния.

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.

Рассмотрены физические и технологические основы азотирования конструкционных материалов на основе металлов, сплавов и керамических материалов с применением ионных пучков и плазменных потоков. Приведена краткая характеристика используемого оборудования. Изложены результаты исследований структурно-фазовых превращений и изменения физико-механических свойств поверхностных слоев широкой гаммы конструкционных материалов под действием ионных пучков и плазменных потоков азота. На основании проведенных исследований предложены практические рекомендации использования полученных результатов для повышения эксплуатационных свойств конструкционных материалов. Монография рассчитана на специалистов научно-исследовательских институтов, объединений и предприятий, занимающихся вопросами упрочняющей обработки металлов. сплавов и керамических материалов. Может быть полезна студентам высших учебных заведений и аспирантам соответствующих специальностей.

В работе представлены результаты совместных исследований особенностей развития деформации конструкционных материалов, проведенных с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC и программно-аппаратного комплекса для регистрации акустической эмиссии. Показано, что комбинированное использование методов исследования структурных изменений, происходящих на поверхности и в объеме материала позволяет на основе выявляемой стадийности изменения информативных сигналов устанавливать соответствие между процессами деформации на микро- и мезомасштабном уровнях.

В работе описана методика выявления на оптических изображениях элементов деформационного рельефа, формирующегося в результате локализованного развития деформации в области вершины усталостной трещины, с использованием аппарата анализа изображений. Предложена численная характеристика, основанная на вычислении отношения площади элементов деформационного рельефа к площади фона, как интегральный параметр оценки степени деформированности поверхности.

Приведены данные по выполнению всех операций технологических процессов получения покрытий: методика приготовления растворов и электролитов, их составы, режимы обработки в них, корректирования и эксплуатации, основные неполадки, возможные при процессах нанесения покрытий, их причины и способы устранения. Описаны классификация, свойства и область применения гальванических покрытий на диэлектриках. Для ИТР, мастеров и квалифицированных рабочих гальванических цехов.