В работе проведено теоретическое исследование влияния содержания и характера распределения частиц включений-агломератов мягкой фазы в основе керамического композитного образца на его прочностные и деформационные характеристики. Для этого с использованием метода подвижных клеточных автоматов моделировалось одноосное сжатие двумерных образцов композитного материала с равным соотношением сторон. Установлено, что прочностные и деформационные свойства генерируемых композитов нелинейно уменьшаются с ростом объемного содержания включений. Показано, что средний размер включений-агломератов при сохранении объемной доли частиц мягкой фазы оказывает слабое влияние на прочностные и деформационные свойства моделируемых образцов. Полученные результаты теоретического исследования могут быть полезными при разработке новых керамических материалов, например композитных керамик, сохраняющих постоянство размера при температурных изменениях.

В работе моделируется численным методом разрушение преград из алюминиевого сплава, характеризующегося высокой степенью анизотропии предельных деформаций при разрушении. Разрушение материала преград моделируется в трехмерной постановке при ударном нагружении стальными ударниками со скоростями 200-600 м/с. Применяется критерий разрушения анизотропного материала преграды, записанный с использованием предельных накопленных пластических деформаций при растяжении и сдвиге. Получены отличия между распределением зон разрушения в анизотропном и изотропном материалах преграды. Показано формирование дополнительных зон разрушения в преградах из анизотропных материалов, по сравнению с изотропным материалом преграды, с увеличением начальной скорости ударного нагружения.

The paper is a theoretical study into the influence of the content and distribution of soft-phase inclusion agglomerates in the matrix of a ceramic composite specimen on its strength and deformation properties. The movable cellular automata method was used to simulate uniaxial compression of two-dimensional composite material specimens with an aspect ratio of 1:1. It is found that the strength and deformation properties of the generated composites decrease nonlinearly with the growing volume fraction of inclusions. The average size of inclusion agglomerates at the same volume fraction of the soft-phase particles slightly affects the strength and deformation properties of the simulated specimens. The obtained theoretical results can be used to develop new ceramic materials, such as composite ceramics with dimensions preserved at varying temperature.

Исследовано влияние кристаллографической ориентации монокристаллического полого цилиндра на особенности зарождения и развития в нем пластической деформации в условиях высокоскоростного осесимметричного нагружения. Преимуществом предлагаемой схемы нагружения является одновременная реализация всех вариантов нагружения в рамках выбранной кристаллографической плоскости основания цилиндра, а также достижения различных степеней деформации вдоль сечения образца. С использованием молекулярно-динамического моделирования показано различие в деформационных свойствах нагружаемого образца в зависимости от выбранной кристаллографической ориентации плоскости основания. Результаты исследования могут быть использованы для понимания основных механизмов пластического деформирования кристаллических тел.

В работе представлен анализ нелинейных особенностей поведения горных пород, которые наблюдаются на диаграммах нагружения, но в рамках традиционных моделей упругопластических сред, как правило, игнорируются. Рассмотрены начальный этап деформирования и разгрузка образцов горных пород. Нелинейность поведения на данных этапах нагружения интерпретируется с позиции частичного закрытия трещин, которые образовались в ходе деформировании за пределом упругости или за предыдущую историю нагружения. Предложены феноменологические соотношения, позволяющие учесть указанные нелинейные особенности при численном моделировании. Рассмотрен этап запредельного деформирования, соответствующий стадии локализации деформации и образования магистральных трещин, и предложены поправки для более корректного определения параметров моделей.

The paper studies the effect of the amount and distribution pattern of nanoinclusions in a high-strength mesocomposite matrix on its plastic deformation under dynamic loading. The study is performed on mesocomposite specimens shaped as hollow thick-walled cylinders subjected to combined shear/compression loading with an explosive. It is found that homogeneous strain decreases with the growing volume fraction of nanoinclusions. The mechanical texture formed by the distribution of nanoinclusions in mesocomposite bars is shown to influence the deformation and cracking mechanisms. Additionally, the influence of structure is studied by computer simulation. The simulation has revealed that plastic deformation is rotational in the mesocomposite with chaotic structural distribution.

The paper studies the localization of plastic deformation and fracture in a material with a porous coating. A dynamic boundary value problem in the plane strain formulation is solved. The numerical simulation is performed by the finite difference method. The composite structure corresponds to the experimentally observed one and is specified explicitly in the calculation. A generation procedure of the initial finite-difference grid is developed to describe the coating structure with adjustable porosity and geometry of the substrate-coating interface. Constitutive equations for the steel substrate include an elastic-plastic model of an isotropically hardening material. The ceramic coating is described by a brittle fracture model on the basis of the Huber criterion which accounts for crack nucleation in triaxial tension zones. It is shown that the specific character of deformation and fracture of the studied composite results from the presence of local tensile regions in the vicinity of pores and along the coating-substrate interface, in both tension and compression of the coated material. The interrelation between inhomogeneous plastic flow in the steel substrate and crack propagation in the coating is studied.

Рассмотрены закономерности, сопровождающие развитие локализованной пластической деформации твердых тел. На примере анализа локализованного пластического течения металлов и неметаллов обнаружена корреляция произведений линейных и скоростных параметров процессов ynpyroй и пластической деформации. На этом основании высказана гипотеза о взаимосвязи характеристк упругой и пластической деформации. Обнаружена связь закономерностей пластического течения с квантово-механическими характеристиками.

Предложена модель диффузии легирующего элемента в поверхностном слое материала, активированного ионно-лучевым воздействием. В рамках модели процесс характеризуется временем и глубиной активации. Продемонстрировано принципиальное значение учета активации поверхностного слоя для описания формирования диффузионной зоны. Теоретически показана возможность экспериментального определения параметров модели.

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.

Проведены расчеты температурных профилей и градиента температур, возникающих в поверхностном слое металлокерамического сплава (50%(об.) TiC - 50%(об.) сплава Ni - 20% Cr) при электронно-импульсном облучении его поверхности с различными плотностью энергии в электронном пучке, длительностью, количеством и частотой импульсов облучения.

Электронно-лучевая закалка поверхностных слоев стали 50 позволила достичь существенного уровня упрочнения, что связано с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. Обнаружено существование линейных зависимостей твердости, износостойкости и глубины зоны полной фазовой перекристаллизации от удельной поверхностной энергии излучения. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными позволило определить значение температуры аустенизации при нагреве электронным пучком.

Изучена микроструктура поверхностного слоя металлокерамического сплава (TiC - никельхромовый сплав) после его облучения электронными пучками с разными плотностью энергии и длительностью импульсов облучения. Установлены закономерности формирования структуры в поверхностном слое металлокерамического сплава в зависимости от режимов электронно-импульсного облучения.

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.

Исследованы элементный состав, структурно-фазовое состояние и механические свойства поверхностных слоев никеля, модифицированных в процессе ионной имплантации титана с использованием вакуумно-дугового ионно-плазменного источника "Радуга-5". С увеличением дозы имплантации наблюдается рост толщины имплантированного слоя никеля 0от 0.6 до 1.6 мкм). установлено, что ионно-легированные поверхностные слои никеля содержат мелкодисперсные интерметаллидные фазы (NiTi, Ni3Ti, NiTi2) и твердый раствор Ti в Ni. Показано, что пов6рхностные слои никеля, легированные ионами Ti, имеют более высокие значения микротвердости по сравнению с исходным материалом мишени.

Исследовано влияние закалки в пучке релятивистских электронов на структуру и свойства поверхностного слоя стали 50. Обнаружен эффект упрочнения, связанный с образованием мартенситной структуры. Показано, что основными параметрами, которые влияют на дисперсность мартенсита, глубину закаленного слоя, размеры переходной зоны, твердость и износостойкость, является время воздействия электронного пучка и погонная энергия процесса Q. Наблюдается линейная зависимость характеристик упрочненного слоя от величины Q.

Исследованы микроструктура и фазовый состав поверхностных слоев ферритно-мартенситной 12%-й хромистой стали ЭК-181, формирующиеся при различных сочетаниях ультразвуковой и термической обработок. Показано, что нанокристаллическая структура alfa-фазы, по границам зерен которой выделяются частицы карбидов ванадия, образуется только в случае ультразвуковой обработки, выполняемой между закалкой и старением. Промежуточная ультразвуковая обработка обусловливает максимальное увеличение предела текучести исследуемых образцов при одноосном растяжении. Установлена корреляция между микроструктурой, механическими характеристиками и типом излома. Ключевые слова: микроструктура, фазовый состав, наноструктурирование поверхностных слоев, механические свойства, фрактография излома.

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.

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.

Показано, что структура и свойства поверхностных слоев, наплавленных при воздействии пучка релятивистских электронов на смесь порошков тугоплавких соединений, кардинально отличаются от основного металла. Исследована зависимость структуры, фазового состава, твердости и износостойкости наплавленных слоев от типа и состава легирующих смесей на основе хрома, карбида бора, а также от параметров облучения при поступательном перемещении пучка электронов и его поперечном сканировании. Определены оптимальные режимы легирования, обеспечивающие образование в поверхностном слое структуры, аналогичной структуре твердого сплава, и достижение максимальной твердости, износостойкости и противоударной стойкости покрытия.

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».

Исследовано изменение нанотвердости и износостойкости поверхностного слоя, усталостных характеристик образцов сталей 38ХН3МФА и ШХ-15 при облучении высокоэнергетическими пучками ионов Hf + B. Наблюдаемые эффекты связываются с наноструктурированием поверхностного слоя при имплантации композиции ионов, которое исследовалось методами просвечивающей электронной микроскопии.

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.

Представлены результаты экспериментального исследования микроструктуры и фазового состава поверхностных легированных слоев никелевой мишени, сформированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на вакуумно-дуговом источнике ускоренных ионов "Радуга-5". Установлено формирование наноразмерных интерметаллидных фаз Ni3Al и NiAl и твердого раствора переменного состава системы Ni-Al.

Предлагается метод микролегирования приповерхностных слоев полупроводников ионами водорода с использованием плазменно-пучкового разряда. Проведенный эксперимент на арсениде галлия показал, что данный метод является эффективным по сравнению с известными способами модифицирования приповерхностных слоев.

На основании количественных расчетов температурных полей в интерметаллическом соединении Ni3Al при импульсной электронно-пучковой обработке определены параметры облучения, обеспечивающие нагрев поверхностного слоя на глубину до 50 мкм до температур, превышающих температуру плавления. Показано, что при определенных режимах импульсного электронного облучения в условиях направленной кристаллизации происходит формирование субмикро- и нанокристаллической структуры поверхностного слоя. Продемонстрирована возможность контролируемого изменения фазового состава поверхностного слоя интерметаллида методом электронно-пучковой обработки.

В модели погруженного атома проведены расчеты вибрационных мод на поверхностях Pd (100), Pd (110), Pd (111). Найдено, что в случае поверхности Pd (111) наблюдается отличное согласие рассчитанной и экспериментальной частот релеевской моды в точке К. Несколько худшее согласие с имеющимися экспериментальными данными получено для поверхностей (110) и (100).

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.

Показана возможность существенного упрочнения стали легированием поверхностного слоя, расплавленного с использованием энергии релятивистских электронов. Изучено влияние различных параметров обработки (ускоряющего напряжения, тока пучка, скорости перемещения образца, его температуры и др.) на структуру, глубину, твердость и износостойкость легированного слоя. Разработано несколько типов легирующих смесей на основе карбидов вольфрама, хрома и бора, включающих дополнительные присадки и модификаторы. Подобрано оптимальное соотношение в них компонентов. Проведено сравнение технологии легирования в пучке релятивистских электронов с технологией вакуумного электронно-лучевого легирования. Для дополнительного улучшения структуры слоев использована термическая обработка.

Высокая стойкость наплавленных слоев против абразивного изнашивания достигается при введении в наплавленный металл карбида вольфрама. для замены дорогостоящего карбида вольфрама в настоящее время стремятся использовать более дешевые наплавочные материалы, содержащие в качестве основного легирующего элемента хром, а также углерод и бор. В данной работе исследована возможность повышения твердости и износостойкости стали при использовании высокохромистых смесей вместо карбида вольфрама при электронно-лучевой наплавке.

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.

Получены зависимости электропроводности контакта и интенсивности изнашивания металлических материалов от плотности электрического тока в условиях трения скольжения. Установлено, что легирование основы материала приводит к ускорению разрушения поверхности трения. Методом оже-спектрометрии определено присутствие кислорода около 40 ат. % в поверхностном слое. Методом рентгенографии показано, что в поверхностном слое формируется оксид FeO, который способствует увеличению электропроводности контакта.

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.

Исследовано структурно-фазовое состояние поверхностного слоя медной подложки, обработанного ионами титана. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что после обработки в поверхностном слое образуются интерметаллиды системы Cu—Ti. Методом растровой электронной микроскопии установлено, что в поверхностном слое формируется сетчатая микропористая структура с характерным поперечным размером горизонтальных и вертикальных элементов приблизительно 1—2 мкм.

Исследованы среднеуглеродистые стали после фрикционной обработки методом трения с перемешиванием с использованием двух типоразмеров твердосплавного инструмента. Показана перспективность использования инструмента малого диаметра для формирования мелкозернистой структуры стали. Дано объяснение причин формирования слоистой структуры. Приведены результаты испытаний на износостойкость стали с фрикционно-обработанной структурой.

Изучена возможность создания упрочненного слоя композита (образца) за счёт массопереноса между взаимодействующими поверхностями в трибоконтакте в условиях электрохимической обработки стали (контртела). Определены интенсивность изнашивания и фазовый состав поверхностного слоя металлического композита при скольжении с токосъёмом в этих условиях. Показано, что скольжение с контактной плотностью тока менее 100 А/см2 не сопровождается износом при любом анодном токе (через электролит). Установлено, что поверхностный слой композита содержит медь, гамма-Fe и aльфа-Fe после трения в электролите. Последующие испытания в условиях сухого скользящего электроконтакта показали низкую износостойкость образцов. В этом случае поверхностный слой содержит aльфа-Fe и малое количество оксида FeO. Изнашивание в этих условиях происходит, в основном, за счёт разрушения первичной структуры в зоне контакта. Сделан вывод о нецелесообразности упрочнения поверхности металлических материалов за счёт массопереноса между контактирующими поверхностями.

Масштабная инвариантность в механическом поведении наноструктурного твердого тела связана с эффектом пластической дисторсии, которая является основным механизмом структурных трансформаций на нано- и микромасштабных уровнях. Интенсивное зернограничное скольжение (микромасштабный уровень) в аномально развитой планарной подсистеме (границы нанозерен) обусловливает прогрессивное возрастание кривизны кристаллической решетки деформируемого материала (наномасштабный уровень) и развитие пластической дисторсии атомов, которая вызывает образование неравновесных вакантных узлов в наноструктуре. Движение неравновесных точечных дефектов в зонах кривизны наноструктуры обусловливает вязкое некристаллографическое пластическое течение, растворение (или диспергирование) исходных фаз и возникновение неравновесных фаз в деформируемом материале. Возможность обратимых структурно-фазовых трансформаций в условиях сильной кривизны кристаллической решетки позволяет получить эффект значительного возрастания усталостной долговечности поликристаллических материалов при наноструктурировании их поверхностных слоев.

Проведено системное структурное исследование механизмов деформации и формирования частиц износа на поверхностях трения металлических материалов. Выявлена иерархия структурно-масштабных уровней пластической деформации и разрушения при изнашивании материалов. Ведущим в иерархической самоорганизации многоуровневых процессов формирования частиц износа является наномасштабный уровень, где в зонах локальной кривизны кристаллической решетки возникают межузельные бифуркационные структурные состояния, развиваются пластическая дисторсия и механизмы движения неравновесных точечных дефектов, определяющие нелинейную динамику структурообразования и процесса изнашивания поверхностных слоев. Неравновесные вакансии в узлах решетки в условиях пластической дисторсии формируют механизмом коалесценции микропористость, которая является прекурсором пластических сдвигов мезо- и макромасштабов, определяющих образование частиц износа.

Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии проведено исследование изменений фазового состава, возникающих в стали 34X1М при электролитно-плазменной нитроцементации. Установлено, что нитроцементация приводит к существенным изменениям в структуре стали, а именно к изменению фазового состава и списка присутствующих фаз, а также их морфологии.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования связи локализации пластической деформации твердых тел на различных масштабных уровнях с концентраторами напряжений соответствующих масштабов, которые возникают в поверхностных слоях и на всех внутренних границах раздела. Сделано заключение, что локализованное пластическое течение всех видов может зарождаться и распространяться только в зонах растягивающих нормальных напряжений, где возникают сильно неравновесные состояния. В пространстве междоузлий в условиях избыточного атомного объема появляются виртуальные узлы более высокоэнергетической структуры и происходит локальное структурное превращение путем коллективных атом-вакансионных конфигурационных возбуждений. Описать природу локализации пластического течения можно только на основе представления деформируемого твердого тела как многоуровневой системы.

Проведены механические испытания и исследована структура циркония и алюминия, предварительно деформированных на 450% посредством ковки с переменой оси осаживания (КПО) и равноканального углового прессования (РКУП) соответственно. При растяжении образцов из указанных сильнодеформированных сплавов наблюдалась их повышенная склонность к образованию шейки, однако пластичность материалов в шейке намного превосходила пластичность в шейке исходных крупнозернистых материалов. По результатам экспериментов сделано предположение. что закономерным этапом пластического течения твердых тел при интенсивной пластической деформации (ИПД) является формирование ячеисто-полосовой структуры и локализации деформации в полосах с мелким зерном. Это существенно замедляет процессы дальнейшего деформационного измельчения структуры посредством ИПД, а также является причиной быстрого образования шейки разрушения в материалах с такой структурой.

Исследована кинетика развития очагов локализованной пластической деформации в поликристаллическом Al. Установлено, что на стадии линейного деформационного упрочения такие очаги синхронно движутся, а на стадии параболического упрочнения неподвижны. Определены количественные характеристики (длина волны, скорость распространения) деформационных волн, возникающих на стадии линейного упрочнения. Найдена связь количественных характеристик процесса локализации деформации с размером зерна. Исследовано перераспределение локальных деформаций при переходе от одной стадии течения к другой. Предложена модель, объясняющая возникновение крупномасштабных структур локализованной пластической деформации.