Методом Оже-спектрометрии установлено, что содержание меди более 20% (ат.) в контактном слое металлических композитов приводит к низкой износостойкости при скользящем токосъеме без смазки. Износостойкость увеличивается при увеличении содержания кислорода до 40% (ат.) в контактном слое. Рентгеновским фазовым анализом установлено образование оксидов железа и меди на поверхности трения. Присутствие менее 50% (об.) Cu в первичной структуре вызывает образование оксида FeO, который способствует увеличению износостойкости и электропроводности контакта.

Представлены вольтамперная характеристика и интенсивность изнашивания зоны контакта металлических композитов в условиях скользящего токосъема без смазки. Показано, что зона трения композитов, содержащих менее 10 % Си и более 50 % Си, имеет низкую электропроводность и катастрофический износ при плотности тока менее 125 А/см2. . Отмечено, что композиты, содержащие около 20 % Си, имеют интенсивность изнашивания, близкую к нулю при скольжении с плотностью тока до -70 А/см2.. Катастрофический износ реализуется при плотности тока около 125-200 А/см2 в зависимости от структуры и фазового состава.

Методом Оже-спектроскопии определен элементный состав поверхности трения металлических композитов, содержащих 10% (об.) графита. Установлено, что после трения без смазки содержание углерода и кислорода в поверхностном слое достигает 40-80% (ат.) и 5-40% (ат.) соответственно. показано, что простой элементный состав структурных составляющих композитов приводит к более высокой износостойкости.

Представлены металлографические изображения поверхностных слоев металлических композитов после трения при контактной плотности тока более 50 А/кв.см. без смазки. Определен элементный химических состав по сечению поверхностного слоя композитов при разных плотностях контактного тока. Установлено, что трение без смазки при разных плотностях тока вызывает насыщение поверхностного слоя углеродом. Отмечено, что содержание металлических компонентов в поверхностном слое ниже по сравнению с их содержанием в шихте. Показано, что поверхностный слой композита на основе стали ШХ15 содержит большое количество окислов в отличие от поверхностного слоя композита на основе медь-железо.

Методом Оже-спектрометрии определено содержание основных химических элементов в контактном слое металлических графитосодержащих композитов после трения при контактной плотности тока более 100 А/см2. Концентрация углерода в поверхностном слое графитосодержащих композитов на глубине до 50 нм может достигать 40 ат.% и более. Рентгеновским фазовым анализом установлено, что на поверхности трения образуются оксиды или раствор кислорода в зависимости от основы композита. образование оксида FeO в контактном слое соответствует более высоким износостойкости и электропроводности контакта, чем в случае образования раствора кислорода.

Представлены вольтамперные характеристики контактов металлических композитов, скользящих по стальному контртелу в присутствии расплава Pb-Sn в контактном пространстве. Показано увеличение электропроводности контакта при введении расплава в зону трения. Предложен расчет электропроводности фактического контакта в присутствии расплава и площади, занимаемой расплавом. Установлено, что электропроводность непосредственного контакта увеличивает электропроводность контакта композит-сталь более эффективно, чем площадь, занимаемая расплавом.

Определены интенсивность изнашивания и электропроводность скользящего электроконтакта металлических графитосодержащих композитов при трении с контактной плотностью тока более 100А/см2 без смазки. Показано, что в поверхностном слое образуются вторичные структуры. Методом Оже-спектроскопии обнаружено, что содержание углерода на поверхности трения и в слое вторичных структур превышает его содержание в объеме композита. Этот фактор уменьшает износостойкость и электропроводность контакта. Установлено, что содержание кислорода на поверхности трения находится в пределах 5-40 ат% в зависимости от исходной структуры композита.

Осуществлен скользящий электроконтакт композитов, содержащих карбид титана или нержавеющую сталь, или свинец, при плотности тока выше 100 А/см2 без смазки. Получены вольтамперные характеристики контакта этих композитов. Установлено, что интенсивность изнашивания и электропроводность контакта увеличиваются при увеличении тока электроразрядов до начала режима катастрофического изнашивания. Показано, что электропроводность контакта уменьшается при катастрофическом изнашивании, но плотность тока на пятнах фактического контакта увеличивается.

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.

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.

Определены интенсивность изнашивания и удельное поверхностное электрическое сопротивление контакта металлических композитов при трении с повышенной плотностью тока без смазочного материала. показано, что в поверхностном слое композитов образуются вторичные структуры. Проведена оценка численного значения удельного электрического сопротивления вторичных структур. Установлено, что они имеют удельное электрическое сопротивление на уровне известных электрографитов и углеграфитов, что создает высокое электросопротивление контакта. Достигнуто уменьшение электросопротивления и интенсивности изнашивания зоны трения путем введения расплава Pb-Sn в зону трения. Отмечена принципиальная возможность создания работоспособного скользящего электроконтакта двух металлических композитов с металлическим расплавом между поверхностями трения.

Осуществлено модельное введение небольшого количества расплава Pb-Sn в контактное пространство между скользящими металлическими поверхностями. получены вольт-амперные характеристики контакта металлических материалов при проявлении и отсутствии расплава Pb-Sn между контактирующими поверхностями. Показано увеличение электропроводности скользящего контакта при появлении расплава в зоне трения. Предложен элементарный метод расчета электропроводности непосредственного контакта в присутствии расплава и площади, занимаемой расплавом.. найдено, что зависимость этих характеристик от плотности тока имеет максимум. Показано, что уменьшение сопротивления стягивания контакта композит-сталь более эффективно увеличивает электропроводность непосредственного контакта в присутствии расплава, чем увеличение площади, занимаемой расплавом.

Исследовано влияние расплава Pb-Sn в контактном пространстве на токопроводящую площадь и электропроводность контакта. Проведена полуэмпирическая оценка электропроводности токопроводящего контакта, содержащего расплав Pb-Sn в контактном пространстве.

Определена износостойкость горячепрессованных модельных металлических композитов на основе переработанной стали ШХ15 при трении в условиях скользящего электроконтакта. Показано, что композиты с фазовым составом медь+графит+сталь ШХ15 и медь+графит+титан+сталь ШХ15 не способны к износостойкому скользящему электроконтакту. Введение свинца или никеля в первичную горячепрессованную структуру вместо титана приводит к реализации относительно высоких износостойкости и электропроводности зоны трения.

Работа посвящена теоретическому исследованию влияния геометрических (ширина) и механических характеристик межфазных границ на прочность, величину предельной деформации и работу разрушения металлокерамических композиционных материалов. Исследование проведено путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов с использованием развитой «мезоскопической» структурной модели композита, явным образом учитывающей наличие широких переходных зон «армирующие включения - матрица». Показано, что формирование в материале относительно широких межфазных границ, характеризующихся плавным изменением механических свойств материала при переходе от керамических включений к связующему, позволяет существенно повысить механические характеристики композита. При этом большое значение имеет не только ширина, но и величина градиента изменения механических свойств в переходной зоне. Так, наличие в межфазных областях дефектов и включений наноскопического и атомарного масштабных уровней может приводить к росту внутренних напряжений в интерфейсных зонах, формированию в них резкого градиента механических свойств и, как следствие, снижению деформационных характеристик и работы разрушения композита.

The paper reports on theoretical study to elucidate the influence of geometric (width) and mechanical characteristics of phase interfaces on strength, ultimate strain, and fracture energy of metal ceramic composites. The study was performed by computer simulation with the movable cellular automaton method and a well-developed mesoscale structural composite model that takes explicit account of wide transition zones between reinforcing inclusions and the matrix. It is shown that the formation of relatively wide “ceramic inclusions-binder” interfaces with gradual variation in mechanical properties allows a considerable increase in the mechanical properties of the composite. Of great significance is not only the interface width but also the gradient of mechanical properties in the transition zone. The presence of defects and inclusions of nano- and atomic scales in interface regions can increase internal stresses in these regions, induce a steep gradient of mechanical properties in them, and hence decrease strain characteristics and fracture energy of the composite.

В книге обобщены экспериментальные результаты по влиянию наноразмерных алмазосодержащих добавок на процессы структурообразования и свойства материалов и покрытий, формируемых различными технологическими методами. Приведены сведения об общих закономерностях влияния размерного фактора на некоторые механические и физические свойства материалов, рассмотрены основные методы получения и подготовки наноразмерных алмазосодержащих материалов. Подробно рассмотрены особенности получения консолидированных нанокомпозиционных материалов триботехнического и инструментального назначения, формируемых методами электроимпульсного спекания и термобарического синтеза с их модифицированием наноразмерными алмазосодержащими добавками. Приведены данные о формировании модифицированных наноразмерными алмазосодержащими добавками поверхностных слоев с использованием методов электрохимического осаждения, газотермического напыления, микроплазменной обработки, трибомеханического модифицирования. Рассмотрены вопросы создания макрогетерогенных материалов с бронзовой матрицей, обладающей эффектом наноструктурирования поверхностного слоя в процессе трибовзаимодействия. Изложены принципы создания пластичных смазочных материалов с наноразмерными твердыми компонентами. Предназначена для научных, инженерно-технических работников, аспирантов и студентов, занимающихся вопросами материаловедения, инженерии поверхности, повышения долговечности быстроизнашиваемых деталей машин.

Исследована вольт-амперная характеристика зоны электроконтакта и интенсивность изнашивания спеченных композитов на основе стали ШХ15 и стали Г13 при скольжении по стали 45 с введением олова и свинца в хону трения. Установлено, что при образовании расплава наблюдается заметное уменьшение электросопротивления, которое вызывает нелинейность вольт-амперной характеристики контакта. Одновременно наблюдается увеличение прочности контактирующих слоев, что проявляется в увеличении износостойкости. На основе закона Ома качественно показано, что нелинейность вызвана изменением площади фактического электроконтакта. Представлены результаты аналогичных экспериментов для композитов, не содержащих свинец и олово. Обнаружено, что при таком изменении фазового состава резко уменьшается электропроводность и прочность поверхностного слоя.

Реализован сухой скользящий электроконтакт сталь 3 / сталь 45 при давлениях 0,08—0,64 МПа и при контактной плотности тока более 100 А/см2. Показано, что увеличение давления приводит к увеличению износостойкости и электропроводности контакта, а также к формированию слоя вторичных структур. Этот слой содержит кристаллические фазы aльфа-Fe, гамма-Fe, оксид FeO, цементит Fe3C. Объемное соотношение этих фаз не имеет явной зависимости от давления. Это указывает на невозможность объяснить увеличение износостойкости на основе данных рентгеновского фазового анализа. Отмечено, что увеличение износостойкости обусловлено уменьшением теплового потока в зоне трения при увеличении давления.

Осуществлено сухое скольжение углеродистых сталей под воздействием переменного электрического тока контактной плотности более 100 А/см2. Показано, что контактный слой легко разрушается в сталях с высоким содержанием углерода. Это проявляется в виде низкой износостойкости по сравнению с износостойкостью низкоуглеродистых сталей. Изношенная поверхность имеет признаки появления жидкой фазы. Методами оже-спектроскопии и рентгеновского фазового анализа показано, что высокое содержание углерода в первичной структуре стали приводит к образованию большого количества гамма-Fe, а также к высокой концентрации углерода около поверхности скольжения.

Исследована взаимосвязь электрических характеристик и интенсивности изнашивания зоны трения металлических композитов без смазки при контактной плотности тока более 100 А/см2, получено начальное представление о микроструктуре поверхностного слоя и распределения химических элементов в нем.

Проведены экспериментальные исследования структуры поверхностных слоев и частиц износа металломатричных композитов WC-(Fe-Mn-C) со структурно-неусточивой связкой после скольжения по стальному диску в диапазоне скоростей от 1 до 37 м/с при приложенном давлении 5 МПа.

Представлена топография поверхности трения модельных композитов на основе сталей ШХ15 и Г13 после скольжения при плотности тока свыше 100А/см3, определены износостойкость и вольт-амперная характеристика, скользящего электроконтакта модельный композит - сталь 45.

С целью разработки биосовместимых антифрикционных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в первой части работы определены механические и триботехнические характеристики гибридной полимерной матрицы в виде смеси СВМПЭ с политетрафторэтиленом (ПТФЭ) в условиях сухого трения, граничной смазки и абразивного износа. Показано, что интенсивность изнашивания указанного материала в условиях сухого трения скольжения снижается более, чем вдвое в сравнении с чистым СВМПЭ. При этом механические характеристики изменяются несущественно. В условиях граничной смазки (дистиллированная вода) износостойкость матричного материала близка к таковой при сухом трении скольжения. В условиях абразивного изнашивания износостойкость композиций мало отличается от износостойкости исходного СВМПЭ. Обсуждаются механизмы изнашивания полимерной смеси СВМПЭ—ПТФЭ в условиях сухого трения скольжения и абразивного изнашивания.??.

С целью разработки экструдируемых антифрикционных материалов исследованы механические и триботехнические (в условиях сухого трения, граничной смазки и абразивного износа) свойства нано- и микрокомпозитов на гибридной матрице (сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ)). В условиях сухого трения скольжения применение матрицы СВМПЭ + 10 вес.% ПТФЭ снижает интенсивность изнашивания нано- и микрокомпозитов на 10—30% при значительном уменьшении механических характеристик микрокомпозитов и несущественном — нанокомпозитов. При граничной смазке дистиллированной водой влияние дисперсности наполнителей на износостойкость аналогично. При абразивном изнашивании износостойкость микрокомпозитов существенно выше, чем у матрицы СВМПЭ + 10 вес.% ПТФЭ, а введение в эту матрицу нанонаполнителей незначительно влияет на её износостойкость. Методами растровой электронной микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии и оптической микроскопии исследованы надмолекулярная структура, степень кристалличности и топография поверхностей изнашивания разработанных материалов, обсуждаются механизмы их изнашивания в условиях сухого трения скольжения и абразивного изнашивания.

Приведены результаты исследования триботехнических характеристик композиционного материала WC-сталь 110Г13 в контакте со стальным диском в диапазоне скоростей скольжения от 10 до 40 м/с при давлении 2 МПа, а также структуры поверхностей трения после испытаний. Установлена область скоростей скольжения (23-30 м/с), в которой наблюдается катастрофическое изнашивание материала. При более высоких скоростях протекает установившееся изнашивание. Показано, что резкое увеличение интенсивности изнашивания (в четыре раза) в диапазоне скоростей скольжения 23-30 м/с связано со сменой механизмов изнашивания. Установлено, что приповерхностная область материала WC-сталь 110Г13 имеет многослойное строение, причем слои сильно отличаются по структуре и свойствам.

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.

В учебном пособии, в соответствии с программой дисциплины "Основы трибологии", разработанной специалистами Ассоциации инженеров-трибологов России, изложены основные положения контактного взаимодействия твердых тел, свойства и топография их поверхностей, природа и виды внешнего трения, влияние различных факторов на трение. Описаны различные виды изнашивания, роль смазки, температуры, фрикционности и антифрикционности материалов для деталей сопряжений, основные способы повышения износостойкости материалов и деталей машин. Приведены расчетные методы оценки интенсивности изнашивания наиболее часто встречающихся трибосопряжений, Рассматриваются основные положения моделирования трибологических процессов, методы испытания на трение и изнашивание, а также роль трибологии в решении социально-экономических проблем, обусловленных трибологическим источникам: потери от недовыпуска продукции, потери всех видов ресурсов, ухудшение экологичности, энергетической эффективности различных видов транспорта и др. Пособие рассчитано на студентов технических специальностей, изучающих эту дисциплину или ее разделы в других дисциплинах, аспирантов, научных и инженерно-технических специалистов в области трения, износа и смазки в машинах.

В настоящей работе методом численного эксперимента исследованы особенности формирования деформационного рельефа на поверхности поликристаллических стальных образцов в основном состоянии и с модифицированными поверхностными слоями. Показано, что в процессе одноосного нагружения на свободной поверхности формируются мезоскопические структуры в виде протяженных переплетающихся складок, ориентированных перпендикулярно оси нагружения. Установлено, что при наличии модифицированного поверхностного слоя с более высокими механическими свойствами по сравнению с основным материалом деформационный рельеф становится более сглаженным за счет исчезновения мелких складок. Исследовано влияние толщины и модифицированного поверхностного слоя на характеристики деформационного рельефа. Проанализировано напряженное состояние на поверхности и в объеме поверхностно модифицированного 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.

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.

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.

На основе системного подхода обосновывается концепция физической мезомеханики, согласно которой поверхностный слой в деформируемом твердом теле является самостоятельной подсистемой. С ростом степени деформации в нем развиваются автономные процессы, оказывающие определяющее влияние на стадийность локализации пластического течения и разрушение образца в целом. Ключевую роль в мезомеханике поверхностного слоя играют его «эффективная» толщина и интерфейс с объемом кристалла, на котором распределение напряженно-деформированного состояния имеет вид «шахматной доски».

Определены вольт-амперная характеристика и линейная интенсивность изнашивания модельного композита, содержащего переработанную сталь ШХ15, при скоростях скольжения 2, 5 и 10 м/с. Показано, что при плотности тока больше 100 А/см2 в зоне трения формируются вторичные структуры с хорошей электропроводность, но низкой пластичностью. Установлено, что частицы износа образуются вследствие хрупкого разрушения вторичных структур. Показано, что введение в зону трения сплав Pb-Sn приводит к релаксации механических напряжений, отсутствию износа при скольжении с плотностью тока 250 А/см2 и уменьшению электросопротивления контакта.

Определены вольтамперная характеристика, интенсивность изнашивания и шероховатость поверхности трения спеченных модельных композитов состава медь-графит-сталь ШХ15. Показано, что композиты, содержащие менее 10% и более 50% Cu, формируют зону трения с низкими электропроводностью и износостойкостью. Композиты, содержащие 15-20% Cu, формируют зону трения с относительно высокими электропроводностью и износостойкостью. Максимальные значения параметров шероховатости (Ra=2,98 мкм и Rz=24,5 мкм) реализуются на поверхности трения материала, содержащего 50% Cu.

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.

Исследовано влияние механической активации исходных порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена на физико-механические свойства полимера. Установлено, что механоактивация приводит к повышению деформационно-прочностных и триботехнических характеристик сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Методами рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии, оптической и электронной микроскопии показано, что механоактивация исходного порошка определяет структурную организацию полимера.

Представлены вольт-амперные характеристики скользящего контакта металлических композитов по стали 45 без смазки. Показано, что композиты на стальной основе способны увеличить площадь фактического электроконтакта за счет появления электроразрядов, которые обеспечивают основное протекание тока плотностью до 300 А/cm2. Композиты на основе меди не способны реализовать электроразрядную проводимость вследствие разрушения материала зоны контакта при плотности тока выше 50 А/cm2. Предложен расчет удельного электросопротивления контактирующего слоя металлических композитов. Установлено, что при трении с большой плотностью тока удельное электросопротивление контактирующего слоя приближается к значениям удельного электросопротивления графита. Экспериментально показана принципиальная возможность увеличения площади физического электроконтакта путем введения расплава Pb-Sn в зону трения и достижения плотности тока в контакте выше 300 А/cm2.

Показано влияние расплава Pb-Sn в контактном пространстве на характеристики скользящего контакта металлических грфитосодержащих композитов. Исследовано распределение химических элементов в поверхностном слое металлических композитов после трения с токосъемом в присутствии расплава Pb-Sn.

Представлены результаты исследования структуры, фазового состава, триботехнических свойств и механики пластического деформирования при трении имплантированной по различным режимам ионами азота стали 40Х. Показано, что предварительная закалка стали интенсифицирует диффузионный перенос модифицирующей примеси в подповерхностные слои при температурах имплантации 620-670 К. Иаксимальная износостойкость при адгезионном изнашивании модифицированной стали достигается после ее обработки при температурах 670-720 К на стадиях образования высокоазотистых нитридных фаз. Выделение в модифицированном слое низкоазотистых нитридных частиц вызывает снижение адгезионной стойкости слоя. Предложена модель, объясняющая пониженную износостойкость таких слоев диссоциацией в местах тепловых вспышек. Формирование на поверхности упрочненного слоя достаточной толщины подавляет ротационный характер развития пластического деформирования в подповерхностных слоях и, тем самым, существенно снижает интенсивность изнашивания.

Исследовано влияние различных нанонаполнителей (нановолокна Al2O3 и углерода, нанопорошки меди и Sio2) на физико-механические и триботехнические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Установлено, что модифицирование сверхвысокомолекулярного полиэтилена нановолокнами и наночастицами в пределах 0,1-0,5 мас.% приводит к существенному повышению его деформационно-прочностных характеристик и многократному увеличению износостойкости. Методами рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии и электронной микроскопии показано, что модифицирование полимера указанными нанонаполнителями приводит к формированию упорядоченной (ламеллярной) надмолекулярной структуры. Выявлено, что нановолокна быстрее формируют устойчивую пленку фрикционного переноса в сравнении с наночастицами. Определены оптимальные составы нанонаполнителей, определяющие высокую износостойкость и низкий коэффициент трения полимера. Механическая активация порошков связующего и наполнителя обеспечивает равномерное распределение нанопорошка в связующем и дополнительно повышает физико-механические и триботехнические характеристики композита.

Определены электропроводность и интенсивность изнашивания скользящего электроконтакта в среде воздуха или в среде глицерина, или в среде электролита при контактной плотности тока более 100 А/см2. Установлено, что при контактном давлении 0,13 МПа наблюдается высокий электроэрозионный износ материалов пары трения. Увеличение контактного давления до 0,64 МПа способствует уменьшению электроэрозионного износа и увеличению износостойкости контакта. Показано увеличение электропроводности контакта в процессе нанесения электролитического покрытия при контактной плотности тока около 400 А/см2. Представлены оптические изображения слоёв вторичных структур, формирующихся при трении в любой среде.

Излагаются особенности термодинамических свойств, химической кинетики и термодинамики поверхностных явлений наночастиц и наноструктурированных материалов, обобщены современные представления об электрических, механических, оптических и химических свойствах различных композиционных материалов. Большое внимание уделяется относительной роли химических связей и взаимодействия применительно к нанообъектам. Проводится сравнительный анализ кристаллических структур микро- и наноматериалов. Предлагаются методики оценок влияния структурных особенностей нанообъектов на их свойства. Излагается инновационный подход к описанию особых физических и химических свойств наночастиц и наноструктурированных материалов. Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по магистерской программе "Физика нанотехнолоий и наноразмерных структур" направления подготовки магистров "Техническая физика" при изучении дисциплин "Физик0-химические аспекты наноструктурированных материалов", "Специальные вопросы физики твердого тела". Пособие может быть также использовано при обучении в системах повышения квалификации, в учреждениях дополнительного профессионального образования и пр.

Представлены результаты комплексного исследования микроструктуры и механических свойств поверхностных слоев титана в различных структурных состояниях (субмикрокристаллическое, микрокристаллическое и крупнозернистое), модифицированного в условиях имплантации ионами алюминия. Повышение физико-механических свойств титановых материалов основано на формировании модифицированного поверхностного слоя, состоящего из реструктурированной исходной мишени и формируемого твердого раствора. Уменьшение размера зерна исходного материала приводит к внедрению компонентов на большие глубины вследствие диффузии, что, в свою очередь, оказывает положительное влияние на свойства имплантированных материалов.

Приведены результаты исследований физико-математических и триботехнических свойств композиционных микро- и макрогетерогенных материалов матрично-наполненного типа, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана. Показано, что создание многоуровневой демпфирующей структуры позволяет регулировать процесс изнашивания материала, заданием наиболее выгодного для данных условий трения структурного уровня деформирования поверхностного слоя.

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.

Методами спекл-интерферометрии, электронной. оптической и атомно-силовой микроскопии исследованы структура и закономерности деформирования поверхностных слоев металлов и сплавов при трении. Проанализированы причины локализации деформации. Предлагается объяснение высокой износостойкости стали Гадфильда на основе данных об эволюции структуры поверхностного слоя.

Представлены результаты сравнительного исследования поведения при трении и износе образцов титанового сплава ВТ6, подвергнутых наноструктурированию поверхностного слоя и последующей химико-термической обработке. Показано, что подобная комплексная обработка позволяет увеличить микротвердость приповерхностного слоя с 3.8 до 4.8...5.6 ГПа, а также существенно повысить износостойкость. Влияние предварительного наноструктурирования поверхностного слоя приводит при последующей химико-термической обработке к увеличению толщины поверхностно упрочненного слоя с повышенной микротвердостью до 50...150 мкм по сравнению с образцами, не подвергавшимися предварительной обработке.

Проведены исследования элементного состава и микротвердости поверхностного слоя образцов инструментальных сталей с карбидным упрочнением после восстановительной термообработки и последующей имплантации ионов Ti в различных режимах. Исследования износостойкости выполнены на пуансонах, служащих для холодного выдавливания корпусов веловтулок. Установлена корреляция между характером изменения элементного состава и служебными характеристиками изделий в зависимости от режимов имплантации.

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.

Изучены трибологические аспекты наноструктурирующего выглаживания стальных поверхностей деформирующим индентором, связанные с обоснованием выбора материала индентора и смазочно-охлаждающей технологической среды по критериям величины коэффициента трения в контакте «индентор - обрабатываемая деталь» и отсутствия признаков адгезионного схватывания и усталостных микротрещин, а также с установлением эффективности применения наноструктурирующего выглаживания для улучшения трибологических свойств сталей. Показаны перспективы использования инденторов из синтетического алмаза и плотного нитрида бора при реализации наноструктурирующего выглаживания коррозионностойкой стали 20X13 и цементированной стали 20Х. Установлено повышение наноструктурирующим выглаживанием сопротивления конструкционных сталей изнашиванию в условиях абразивного воздействия и трения скольжения в различных средах (смазка, вода, воздух, аргон) за счет ограничения процессов микрорезания, пластического оттеснения, усталостно-окислительного изнашивания и адгезионного схватывания.

The paper studies tribological aspects of nanostructuring burnishing of steels. The efficiency of the process in improving the tribological properties of steels is assessed as regards the choice of an indenter material and lubricant-coolant reasoning from the friction coefficient at the “indenter-treated part” contact and from the absence of adhesive bond and fatigue microcracks. It is shown that synthetic diamond and dense boron nitride are promising indenter materials for nanostructuring burnishing of corrosion-resistant 20X13 steel and cement 20X steel. It is demonstrated that nanostructuring burnishing increases the wear resistance of structural steels under abrasive action and sliding friction in different media (lubricant, water, air, and argon) due to suppressed processes of microcutting, plastic edging, fatigue and oxidation wear, and adhesive bonding.

Представлены токовые зависимости электропроводности и интенсивности изнашивания электроконтакта сталь/сталь 45 в условиях скольжения без смазки при плотности тока более 100 А/см2. Установлено, что увеличение содержания легирующих элементов или упрочняющих фаз в первичной структуре стали приводит к низкой прочности поверхностного слоя, что проявляется в высокой интенсивности изнашивания контакта и в катастрофическом изнашивании при низкой плотности тока.

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.

Методом импульсного магнетронного распыления получено твердосмазочное композитное покрытие системы Cu-Mo-S. Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии изучена морфология поверхности и микроструктура полученных покрытий. Элементный состав покрытий изучен методами микрорентгеноспектрального анализа. Проведено исследование влияния композитных покрытий системы Cu-Mo-S на триботехнические свойства пары трения «медь - медь» при работе в атмосфере инертного газа и на воздухе. Установлено, что применение этих покрытий повышает износостойкость пары трения в атмосфере аргона примерно в 72 раза, при этом коэффициент трения на воздухе снижается примерно в 2.2 раза.

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.

Обсуждаются методика и результаты численного анализа внутренних напряжений и деформаций в дисперсно-наполненном полимерном материале при изменении его температуры, когда матрица и включения имеют различные теплофизические свойства. Пространственно-временные распределения температуры определяют постановку задач на мезоуровне, где рассматривается представительный объем (мезообъем) материала как матрица с относительно небольшим числом включений. Анализ детального распределения напряжений и деформаций в окрестности включения позволяет сформулировать утверждение, что одной из причин образования межфазного слоя на границе "матрица-включение" могут служить возникающие особенности напряженно-деформированного состояния. Этим же обстоятельством можно объяснить существенные расхождения получаемых теоретических макрохарактеристик высоконаполненного полимерного композитного материала с их экспериментально полученными значениями.

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.

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.

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.

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.

Упругие волны, генерируемые при трении, рассматриваются как источник информации о процессах деформации, разрушения и адгезионного схватывания в зоне контактного взаимодействия. На основе компьютерного моделирования показано, что вследствие динамической природы процесса трения для анализа регистрируемых сигналов даже в установившемся режиме помимо преобразования Фурье необходимо применят средства частотно-временного анализа. Полученные результаты позволяют сделать вывод. что закономерности процесса изнашивания могут быть изучены на основе анализа соответствующих акустических спектров.

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.

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».

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.

В работе с помощью современных методов профилометрического анализа, оптической металлографии и просвечивающей электронной микроскопии показаны морфологические и структурные превращения, происходящие в поверхностном слое малоуглеродистой стали при точении и последующих операциях шлифования и ультразвуковой финишной обработки (УФО). Показано. что при соблюдении оптимальных режимов УФО технологическая наследственность, создаваемая точением, устраняется. Поверхностный слой стали имеет однородную модифицированную структуру.

Измерена фрактальная размерность поверхности пористой керамики. Полученная зависимость от объема порового пространства имеет два излома, отражающие изменение характера пористости от изолированных пор до сообщающихся поровых кластеров. что позволяет получить корреляцию с известными особенностями в поведении пористых тел.

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 монографии отражены результаты многолетних исследований авторов и других ученых в области трибофизики, трибоматериаловедения и триботехнологий. Дана характеристика трибологических систем и трибологических процессов, рассмотрены процессы структурной модификации и самоорганизации полимерной матрицы в условиях деформации и терния. Отдельно рассмотрены методы поверхностного упрочнения и структурной модификации металлических материалов, применяемых в металлополимерных узлах трения. Рекомендуется научным и инженерно-техничеким работникам, специализирующимся в области надежности и долговечности машин и технологического оборудования.

Приведены результаты теоретического исследования влияния физико-механических свойств поверхностных слоев интерфейсно контролируемых материалов на характер распределения деформаций в объеме образцов, находящихся в сложных условиях нагружения, и на величину их предельной деформации. Показано, что модификация поверхности, связанная с уменьшением модуля Юнга и предела упругости границ раздела структурных элементов в поверхностных слоях материала, способствует более равномерному распределению необратимых деформаций в объеме образца. Это приводит к росту его предельной деформации.

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».

Представлен обзор работ. выполненных в последние годы в физической мезомеханике по системному подходу к описанию деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновывается тезис, что поверхностные слои и внутренние границы раздела в нагруженном материале являются важными функциональными подсистемами. Развиваемый подход является основой конструирования материалов новых поколений и методов их упрочнения в современном материаловедении.

Пособие соответствует гос. образовательному стандарту направления подготовки 140400 "Техническая физика" и содержанию учебной программы дисциплины ОПД.Ф.03 "Материаловедение и технология конструкционных материалов". Содержит сведения по физическим основам формирования микронеоднородных областей в стекле вследствие протекания сегрегационых явлений активатора на основе обобщения результатов ведущихся в мире интенсивных исследований в области стеклообразного состояния вещества и композитных структур на основе стекол. Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140400 "Техническая физика" при изучении дисциплин "Материаловедение и технология конструкционных материалов" и "Физика некристаллических твердых тел". Может быть использовано для подготовки студентов по направления "Электроника и микроэлектроника", а также аспирантами, инженерами и научными работниками, специализирующимися в области микро- и наноэлектроники.

Исследовано влияние температуры старения на микроструктуру и механические свойства ферритно-мартенситной стали ЭК-181, подвергнутой закалке и последующей ультразвуковой обработке. Показано, что после высокотемпературного старения при 720С в поверхностных слоях стали образуется нанокристаллическая структура а-фазы с карбидами ванадия по границам зерен.

Исследована возможность получения термически стабильных наноструктурных поверхностных слоев в стали ЭК-181 (16Х12В2ФТаР) за счет ультразвуковой обработки и ионно-плазменного азотирования. Показано, что сочетание ультразвуковой обработки и азотирования не позволяет создать нанокристаллическую структуру а-фазы в поверхностных слоях стали ЭК-181. Изменение механических характеристик определяется составом и объемной долей нитридных фаз.

Определены вольт-амперная характеристика и линейная интенсивность изнашивания модельных спеченных композитов на основе стали в условиях сухого скользящего электрического контакта со стальным контртелом. Установлено, что композит на основе переработанной подшипниковой стали имеет высокие электропроводность и износостойкость при плотности тока выше 200 А/см2. Рассмотрено предположение, что этот эффект является следствием ультрадисперсной структуры этой стали, позволяющей формировать вторичные структуры с высокой пластичностью.

В сборнике рассматриваются основные вопросы, с вязанные с созданием композиционных полимерных материалов: структура и релаксационные свойства граничных слоев, прочность адгезионного соединения, взаимозависимость поверхностных и адгезионных свойств полимерных материалов, а также их связь с физико-механическими характеристиками композиций. Рассчитан на специалистов, работающих над созданием высокоэффективных полимерных композиций.

Проведено сравнительное исследование кинетики абразивного изнашивания и износостойкости металлокерамических композитов с карбидной упрочняющей фазой и сплавов на основе железа. Результаты обсуждены с привлечением результатов металлографических исследований структуры материалов. Предложен механизм абразивного изнашивания исследованных композитов.

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.

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.

В динамике проведено моделирование процесса выглаживания тонкого поверхностного слоя стального образца под внедряемым с постоянной силой и затем движущимся с постоянной скоростью индентором. Моделирование проведено с использованием метода конечных элементов в рамках приближения плоского деформированного состояния. Индентор моделировался абсолютно жестким телом, а для стали была принята модель упругопластического тела с изотропным упрочнением по экспериментально определенному закону. В работе исследованы закономерности изменения напряженно-деформированного состояния материала вблизи обрабатываемой поверхности и выявлены механизмы образования наноструктурированного слоя. Проведен анализ влияния коэффициента трения и силы выглаживания на высоту валика оттесненного материала. результаты исследований находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

Рассмотрен механизм формирования фрагментированной микроструктуры при больших степенях деформации, которые реализуются на поверхности металла при трении. Показано, что размер фрагментов в данных условиях является минимальным и связан с достижением дислокационной плотностью критического значения в предельно деформированном состоянии, выше которого силы междислокационного взаимодействия оказываются больше сил внутреннего трения.