В монографии представлены результаты исследований по одному из основных научных направлений "Фундаментальные закономерности, физико-математические и структурные модели синтеза и функциональные свойства нанокристаллических частиц, материалов и покрытий" Научно-образовательного центра Томского госуниверситета "Физика и химия высокоэнергетических систем", организованного по гранту Фонда гражданских исследований и развития (CRDF) российско-американской программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" (BRHE). Исследования посвящены проблемам синтеза наночастиц в конденсированных средах, компьютерному моделированию формирования биметаллических нанотрубок и их поведения в условиях внешних воздействий, закономерностей деформации и разрушения наноматериалов при динамическом нагружении, экспериментальным исследованиям механических свойств нанокристаллических металлических и керамических материалов при различных условиях нагружения. Для специалистов в области создания нанотехнологий и наноматериалов конструкционного назначения, а также студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

В книге рассмотрены основы нанесения износо-, коррозионно-стойких и теплозащитных покрытий с применением перспективных технологий наплавки, газотермического напыления, лазерной обработки; теоретические предпосылки оптимизации состава наносимых материалов и технологии формирования покрытий. Приведены конкретные примеры современных материалов и технологий для упрочнения изделий машино- и моторостроения, металлургии, авиации. химической промышленности. медицинской техники. Значительное внимание уделено износостойким материалам с избыточной карбидной фазой и включениями твердой смазки, коррозионно-стойким металлополимерным и биокерамическим материалам, теплозащитным композициям на основе диоксид циркония. Представлена информация об импульсно-пламенной обработке напыленных покрытий для образования в них работоспособных неравновесных, аморфизированных структур. Предназначена для научных и инженерно-технических работников в области нанесения защитных покрытий, аспирантов, студентов.

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

Проведен анализ изменения симметрии при структурном фазовом переходе В2-ПССС2 с последующими мартенситными превращениями в фазы В19 и В19' . Показана взаимосвязь смещений атомов с деформацией решетки. Установлено, что структуры с продольными и поперечными смещениями имеют одинаковую симметрию и могут переходить друг в друга посредством операции двойникования. Получен трансформационный ряд преобразований тензора деформации решетки, согласованный с трансформациями смещений атомов. При этом операции, осуществляющие эти преобразования, являются операциями двойникования.

Рассмотрены вопросы распространения звуковых волн над земной поверхностью Даны формулы для расчета ослабления звука, вызванного наличием подстилающей поверхности. Приведены различные модели импеданса подстилающей поверхности. Показаны результаты теоретических расчетов ослабления звука при его распространении над различными типами подстилающих поверхностей. Проанализировано влияние геометрии распространения звука на его характеристики.

Исследованы структура, фазовый состав наносистем на основе диоксида циркония, полученных методом денитрации водных растворов солей в плазме высокочастотного разряда. Изучено изменение морфологии нанокристаллического порошка при механической активации, прессовании, отжиге. Показано, что в процессе мехактивации порошок разделяется на две подсистемы с отличающимися на два порядка средним размером структурных элементов, при это возрастает доля квазиаморфной (рентгеноаморфной) фазы, что позволяет направленно изменять характеристики спеченных материалов.

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

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 настоящей работе была изучена структура и свойства композитов ZrO2-Y2O3-Al2O3, полученного методом разложения растворов солей в плазме ВЧ разряда. Показано, что после спекания при температуре 1350С и давлении 100МПа получается плотный композит в структуре которого наряду с частицами субмикронного размера порядка 0,1-0,3 мкм, присутствуют круглые образования - агломерат, соизмеримые со сферами, наблюдаемыми в исходной смеси. Такой материал имел предел прочности на изгиб порядка 600 МПа, твердость HV=12,6ГПа и вязкость разрушения (К1с=15-19 Мпахм1/2).

Изучены особенности контролируемого вакуумного спекания экзотермичной системы Ti-Si, ранее исследуемой лишь при СВС реакциях. Показано, что увеличение содержания кремния даже в связанном состоянии в виде лигатуры приводит к значительному росту пористости спеченного материала независимо от выбранных температур спекания. Тем не менее, при определенных соотношениях компонентов (чистого титана, кремния и силицида Ti3Si3) и температуры спекания можно получить спеченный материал с незначительной пористостью и достаточно однородной структурой.

Проведено исследование процессов формирования твердых растворов семейства BIMEVOX (Me-Fe, Zr) при синтезе через жидкие прекурсоры. Для получения твердых растворов использовали метод гидротермального синтеза, цитратно-нитратный метод и метод пиролиза полимерно-солевых композиций. По результатам рентгенофазового анализа процессы формирования BIMEVOX при синтезе через жидкие прекурсоры в целом аналогичны процессам фазообразования при твердофазном синтезе. Во всех методах в первичном осадке образуется ванадат висмута состава BiVO4. При дальнейшем прокаливании в интервале 500-700С состав реакционной смеси усложняется. В качестве промежуточных продуктов образуются ванадаты висмута, циркония и железа, цирконат и ферриты висмута. Для серии BIFEVOX в интервале концентраций х=0,1-0,4 получена высокотемпературная тетрагональная модификация, для серии BIZRVOX - при малых концентрациях допанта - смесь а-орторомбической и y-тетрагональной модификаций.

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.

Предложен алгоритм численного решения задачи неизотермической диффузии, учитывающий различие пространственных и временных масштабов процессов переноса в твердой фазе. Применимость алгоритма продемонстрирована на примере задачи остывания нанесенного покрытия, содержащего легирующие элементы. Показано, что учет зависимости теплопроводности от температуры сказывается на перераспределении элементов в диффузионной зоне. Модель имеет приложение к процессам поверхностной обработки материалов с использованием высокоэнергетических источников.

Исследованы особенности наноструктурирования поверхности образцов при трении в условиях сдвиговой неустойчивости подповерхностных слоев материала в результате сильной локализации деформации. Показано, что существуют три стадии локализации деформации в подповерхностных слоях. Изучена структура зоны локализации и показано, что деформация сосредоточена в полосах деформации. Формирование нанокристаллической структуры на поверхности в результате сдвиговой неустойчивости рассматривается аналогично формированию полосы локализованного сдвига. Образование нанокристаллической структуры может являться причиной перехода от нормального к адгезионному типу изнашивания в отсутствие механизмов структурной приспосабливаемости.

Представлены результаты исследования структуры поверхностного слоя стали Гадфильда, образовавшегося в условиях сухого трения скольжения. Изучены особенности деформирования поверхностного слоя в зависимости от условий испытания — низкая скорость скольжения и малое давление, когда нормальные напряжения на поверхности трения значительно меньше напряжения текучести стали Г13. Методами оптической, сканирующей и дифракционной электронной микроскопии исследована дефектная субструктура в поверхностном слое. Показано, что высокая твердость поверхностного слоя обусловлена сочетанием разномасштабных дефектов. Области металла внутри зерна, разделенные дефектами мезоскопического уровня — плоскостями сдвига и двойниками, характеризуются высокой плотностью дефектов микроскопического уровня — дислокациями и микродвойниками.

Изучено влияние порообразующих добавок на формирование поровой структуры, фазового состава и предела прочности при изгибе высокопористого материала в процессе его реакционного спекания. Показано, что введение порообразователя в исходную смесь порошков приводит к формированию бимодальной поровой структуры, а прочность при изгибе изменяется по экспоненциальному закону.

Исследовано накопление водорода в поверхностных слоях циркониевого сплава Э-125. Показано, что электролитическое наводораживание приводит к увеличению микротвердости и уменьшению модуля упругости поверхностного слоя. Наводороженный слой вызывает рост предела текучести и существенное снижение пластичности нагруженных образцов. Последующее облучение рентгеновским пучком способствует выходу водорода из поверхностного слоя образцов циркониевого сплава и частичному восстановлению его механических характеристик.

Изучена структура и абразивная износостойкость углеродсодержащих азотистых покрытий, формирующихся при электронно-лучевой наплавке, в зависимости от способа приготовления наплавочного порошка и содержания в нем углерода.

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

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

С помощью сканирующего туннельного микроскопа обнаружен и исследован эффект частичного восстановления поверхности монокристалла цинка при комнатной температуре после индентирования базисной плоскости. Установлено, что восстановление глубины отпечатка в зависимости от времени происходит в одну стадию, а восстановление латеральных размеров отпечатка - в две стадии с разными значениями энергии активации процесса, которые оказались меньше энегии активации объемной самодиффузии цинка. Обсуждаются возможные механизмы поверхностной самодиффузии атомов цинка, приводящие к росту кристаллов на поверхности отпечатка. Показано, что динамика дефектов, наблюдаемая на поверхности образца в области отпечатка после его выдержки при температуре 100С в течение 15 мин. связана с выходом термически созданных вакансий из объема образца.

Исследована каталитическая активность металлсодержащих цеолитов, модифицированных наноразмерными порошками Pt, Ni, Fe и Zn, в процессе облагораживания прямогонной бензиновой фракции нефти. Установлено, что введение наночастиц металлов в цеолит повышает активность катализаторов и позволяет получать целевой продукт при более низкой температуре процесса. На прокаленных в атмосфере воздуха образцах, дезактивированных в первом реакционном цикле, отмечена интенсификация реакций ароматизации углеводородного сырья.

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.

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.

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 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.

С использованием межатомных потенциалов взаимодействия, полученных в приближениях сильной связи, проведено исследование релаксации поверхности (111) меди в присутствии малых (трех-, семиатомных) кластеров Cu, Cr, Al. Показано, что кластеры создают области локальных сжатий и растяжений поверхности подложки. Размеры областей локальных изменений структуры подложки зависят как от структуры поверхности, так и от размера и материала кластера.

На примере цинка показана возможность использования равноканального углового прессования (РКУП) для компактирования и измельчения структуры порошковых материалов. Установлено, что определяющими параметрами РКУП порошковых материалов являются температура и гидростатическое давление в зоне пластического сдвига. Получаемый материал имеет высокую плотность и твердость, обусловленные ультрамелкозернистой структурой, сформировавшейся путем интенсивной пластической деформации пороков цинка. Указанные характеристики существенно зависят также и от маршрута прессования.

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.

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.

Исследована микроструктура, твердость и фазовый состав электронно-лучевых покрытий, наплавленных порошками, полученными вибропомолом стружковых отходов быстрорежущей стали Р6М5. Меньшая твердость покрытий по сравнению с покрытиями, наплавленными промышленным распыленным порошком, объясняется пониженным содержанием углерода в порошке из стружки. Диффузионный отжиг порошка с добавками сажи увеличивает твердость покрытий до уровня твердости покрытий, наплавленных распыленным порошком.

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 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.