Описан подход к моделированию экзотермических химических реакций, основанный на концепции клеточных автоматов. Для анализа адекватности подхода приведены результаты моделирования процесса распространения фронта реакции при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе в системе Ni-Al. Показано хорошее согласие между модельными и экспериментальными зависимостями скорости движения фронта и максимальной температуры горения от температуры начального прогрева порошковой смеси. Сделан вывод о необходимости явного учета кинетики реакции, в частности растекания жидкой фазы, для корректного описания влияния пористости на протекание экзотермической реакции.

В монографии рассмотрены особенности ударных процессов в машинах ударного действия. Обсуждены модели продольного удара и методы их исследования. Изложены результаты исследований процессов формирования волн деформаций в ударных системах с элементами из различных материалов и различной конфигурации, воздействия этих волн на обрабатываемую среду, отражения от нее и последующего распространения по ударным системам. Предложены алгоритмы расчета на ЭВМ параметров ударных процессов. Показаны диапазоны изменения параметров ударных систем, в которых обеспечивается наилучшая передача энергии удара. Для научных работников и специалистов, занимающихся исследованием и созданием машин ударного действия.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн была рассчитана электронная структура серии полупроводниковых соединений III-IV групп со структурой цинковой обманки. Используется несколько приближений для обменно-корреляционного потенциала. Показано, что равновесные параметры решетки и объемные модули упругости находятся в хорошем согласии с экспериментом, а ширина запрещенной щели очень чувствительна к выбору приближений для обменно-корреляционного потенциала.

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 низкотемпературной адсорбции азота, термического и рентгенофазового анализов исследованы образцы сорбентов на основе термически активированного осадка обезжелезивания подземных вод (отхода водоподготовки). Установлено, что данный осадок представляет собой материал с развитой пористой структурой (удельная поверхность исходного образца составила 229.9 м2/г); при прокаливании до 300 оС удельная поверхность образцов снизилась в 1.6-1.7 раза, объем сорбирующих пор увеличился в ~ 1.6 раза. Показано, что материал осадка представлен, главным образом фазами железа; повышение температуры прокаливания способствует увеличению глубины кристаллизации основной фазы - a-Fe2O3.

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.

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

Исследованы механические свойства тонких пленок Ag одинаковой толщины с различным размером зерен. Твердость пленок определялась с использованием методов Оливера-Фарра, из определения работы индентирования, а также путем непосредственного измерения площади отпечатка индентора по АСМ-изображениям. Для исключения влияния подложки на измеренные значения твердости применялась методика определения истинной твердости пленок. Установлено, что твердость пленок Ag уменьшается с ростом среднего размера зерна, в то время как модуль упругости практические не изменяется. Показано, что зависимость предела текучести пленок Ag от размера зерна не совпадает с классическим законом Холла-Петча.

Рассмотрены некоторые условия возникновения и перераспределения нормальных и касательных напряжений в трущихся парах передач трением первого вида с помощью метода калибровочной теории дефектов. Получены аналитические зависимости для анализа нормальных и касательных напряжений в трущихся парах с учетом напряженно-деформированного состояния формирующегося между ними «третьего тела». Проведен анализ напряжений в трущейся паре передачи «шкив – ленточная пила».

С помощью сканирующей туннельной, атомно-силовой и растровой электронной микроскопии исследован характер пластической деформации и разрушения тонких пленок Сu на кремниевой и полипропиленовой подложках при термическом отжиге и одноосном растяжении. Механические характеристики исходных пленок определяли методом наноиндентирования. Показано, что на поверхности пленок Cu при одноосном растяжении возникает мезоструктура в виде переплетающихся мезополос, а при термическом отжиге — ячеистая мезоструктура. Установлена линейная зависимость геометрических параметров поверхностной мезоструктуры от толщины пленки. Полученные результаты хорошо согласуются с концепцией «шахматного» распределения напряжений на границе раздела «пленка – подложка» в многоуровневой модели деформируемого твердого тела.

Исследована генерация звука при трении скольжения стали Гадфильда в отсутствие смазки. Одновременно с параметрами звука измеряли коэффициент трения, изучали структуру подповерхностного слоя и морфологию частиц износа. Установлена корреляция между силой звука, спектром звучания трибоузла и коэффициентом трения. Показано, что устранение упругих колебаний в сопряжении приводит к снижению коэффициента трения. Дается интерпретация взаимосвязи динамического поведения пары трения и триботехнических характеристик.

В работе на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено теоретическое изучение влияния вибрации на отклик фрагмента границы раздела в блочной среде, находящейся в сложном напряженном состоянии. Показано, что изменение уровня локальных напряжений приводит к направленному изменению параметров отклика системы при вибрационных воздействиях. Это открывает путь к разработке новых методов оценки уровня локальных напряжений на активных границах раздела в разломно-блоковых средах. В связи с этим в работе рассмотрена задача инициации относительных смещений нагруженных фрагментов блоков по границе раздела сериями импульсов различной скважности. Показано, что эффективность таких воздействий определяется в первую очередь временем высвобождения энергии импульса и слабо зависит от скважности.

В работе обсуждаются возможности использования методов теории оптимального управления в области термической обработки материалов и их поверхностей. Для анализа физико-математических моделей технологических процессов, учитывающих разнообразные физико-химические процессы и потому являющихся многопараметрическими, предлагается подход, основанный на сочетании анализа размерностей и теории управления для динамических систем с распределенными параметрами. В качестве примера проанализирована модель термической обработки плоского слоя материала с использованием ТВЧ-нагрева.

Работа посвящена математическому моделированию и анализу статического напряженно-деформированного состояния в окрестности горной выработки (проходки, штрека) с учетом нагрузки от наседающих масс или от массовых сил в окрестности выработки. Обсуждаются проблемы моделирования волновых процессов, протекающих в окрестности выработки, при приложении импульсной нагрузки на части ее внутренней поверхности.

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

Показано, что четырехмерная формулировка теории дефектов приводит к описанию жидкокристаллических сред. Получены динамические уравнения, описывающие поведение дефектов, характерных для жидкокристаллических сред. Установлено, что вихрь является динамическим дефектом жидкости, подобно дислокации в твердом теле.

На основе дискретно-континуального описания проведено численное моделирование поведения пар трения, состоящих как из одинаковых, так и из существенно разнородных материалов. Отмечено образование «квазижидкого» слоя в парах из разнородных материалов в две стадии, первая из которых характеризуется образованием «сгустков», перемежающихся разреженными областями. Периодически меняющееся давление изменяет эффективный коэффициент трения, но амплитуда колебаний слабо сказывается на его значении. Сравнение результатов моделирования, полученных дискретно-континуальным и дискретным методами, показывает, что комбинированный метод позволяет объединить преимущества континуального и дискретного описаний и избежать их основных недостатков.

Проведен анализ применимости многоуровневого подхода физической мезомеханики к описанию сопряжения упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения. На примере стали Гадфильда показано, что на поверхностях трения возникает многоуровневая клеточная мезосубструктура, согласующаяся со стохастической моделью интерфейсов в мезомеханике структурно-неоднородных сред.

Рассчитаны энергетические параметры вакансий и вакансионных комплексов вблизи межзеренной границы и свободной поверхности. Расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия были использованы многочастичные потенциалы, полученные в рамках метода погруженного атома. Показано, что радиус взаимодействия вакансий и радиус захвата вакансий и вакансионных комплексов границами зерен и свободными поверхностями для меди значительно меньше, чем для ванадия. Рассчитана энергетическая выгодность в меди и ванадии вакансионных комплексов, состоящих из четырех вакансий.

Проведено теоретическое исследование атомной и электронной структуры сплавов и гидридов палладия в рамках теории функционала электронной плотности. Рассчитаны равновесные параметры решеток, полные и парциальные плотности электронных состояний, энергии связи и абсорбции водорода. Обсуждаются роль структурных и электронных факторов и их влияние на поглощение водорода в сплавах палладия.

Полно-потенциальным линейным методом присоединенных плоских волн исследована электронная структура сплавов Гейслера состава XYZ. Анализируются изменения в магнитных свойствах при возрастании концентрации Ni или Co в сплавах Ni(2–x)MnGa и Co(2–x)ZrSn. Показано, что полученные значения равновесных параметров решетки и магнитных моментов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Предложен подход к выбору оптимальных параметров индукционного нагрева при залечивании усталостных микротрещин на поверхности материала. Показана возможность выбора таких параметров индуктора, при которых достигается максимальное тепловыделение в области микротрещины. Предложена процедура оптимизации параметров технологического режима термической обработки материала, обеспечивающего эффективную релаксацию напряжений в вершине микротрещины.

Исследованы связанные системы уравнений тепло- и массопереноса для твердых сред на примере моделей металлотермических превращений и диффузии в бинарной системе. Показано, что связанные модели представляют собой системы уравнений переменного типа: тип систем определяется областью параметров модели. Сравнительный анализ моделей приводит к выводу об отсутствии подобия в общем случае процессов тепло- и массопереноса в твердых средах.

Предложен и обоснован физически параметр, характеризующий отклонение системы от состояния термодинамического равновесия. Показана связь нового параметра с основными термодинамическими переменными. Представлены уравнения для потоков массы в многокомпонентных деформируемых средах, отражающие влияние нового параметра на коэффициенты диффузии и коэффициенты переноса под действием напряжений в неравновесных условиях.

Численно моделируется процесс ударного взаимодействия двух анизотропных тел: цилиндрического ударника и пластины. Моделирование проводится методом конечных элементов в трехмерной постановке. Исследовано влияние ориентации осей симметрии анизотропного материала на разрушение.

Предложена модель изотермического отжига материала с двухслойным покрытием с учетом взаимовлияния процессов диффузии и деформирования. Даны оценки концентрационных напряжений в диффузионной зоне в процессе отжига. Показано, что учет влияния напряжений на массоперенос может иметь принципиальное значение для формирования распределения концентраций.

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

Численно моделируется воздействие импульса сжатия на элемент ракетного двигателя на твердом топливе. Анализируется напряженно-деформируемое состояние топлива и оболочки.

Предложена математическая модель для описания процессов в электролитической ванне при нанесении кальций-фосфатных покрытий микродуговым методом. Учитываются диффузия в жидкой и твердых (взвешенных частицах и титановом образце, на который наносится покрытие) фазах; основные химические превращения в частицах и в жидком растворе. Разработан алгоритм численного решения задачи, учитывающий различие характерных масштабов в различных фазах. Представлены отдельные расчеты, иллюстрирующие возможности модели.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов формирования и эволюции зеренной структуры интерметаллического соединения Ni3Al процессе его высокотемпературного синтеза и экструзии продукта синтеза.

Рассматриваются различные аспекты проблемы динамического деформирования и разрушения твердых тел. Излагаются основы динамического нагружения и прочности, закономерности распространения волн в средах с различной реологией, некоторые задачи динамики трещин, модели повреждаемых сред. Приведены необходимые экспериментальные результаты, являющиеся физической основой математических моделей сред и используемых на практике критериев динамического разрушения материалов. Особое внимание уделяется математической постановке задач, строгому изложению их решения, физической интерпретации результатов и их применению к практическим проблемам. Основное содержание излагается с учетом опыта чтения специальных курсов в МГУ им. М. В. Ломоносова и других вузах СССО и России. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям (специальностям) "Механика", "Механика. Прикладная математика".

Исследованы структура и механические свойства соединений, выполненных лазерной и точечной контактной сваркой. Установлено, что при лазерной сварке листов алюминиевого сплава образуется пористое соединение с пониженной пластичностью. Чтобы повысить надежность таких сварных швов, рекомендовано производить ультразвуковую ударную обработку. В процессе точечной контактной сварки деталей из циркониевых сплавов соединение получается неоднородным по структуре и по механическим свойствам. Чтобы улучшить его характеристики, предложен диффузионный отжиг.

При деформации растяжением сталей с покрытиями обнаружен волновой характер процесса множественного растрескивания покрытия. В зависимости от отношения толщин и микротвердости основы и покрытия проявляются такие нелинейные волновые процессы, как волны переключения и заселения. С помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса показано, что инициированные развивающимися трещинами зоны локализованной деформации определяют неоднородный характер деформации и разрушение исследованных композиций типа «сталь – покрытие».

Синтезированы цеолиты с высоким силикатным модулем с использованием гексаметилендиамина в качестве структурообразующей добавки. Исследованы их физико-химические и кислотные характеристики. Показано, что полученные цеолиты проявляют высокую активность и стабильность в процессе конверсии метанола.

В книге обобщены закономерности горения в воздухе и энергетических конденсированных системах нанопорошков и грубодисперсных порошков металлов (Al, B, Zr, Ti, W, Mo, Cr, Fe) и их смесей с добавками. Экспериментально подтверждено и теоретически обосновано формирование нитридов как основных фаз продуктов сгорания металлов в воздухе. Обсуждаются вопросы физикохимии нитридообразования при горении, новые механизмы горения, стабилизация неравновесных продуктов, характеристики горения систем, содержащих нанопорошки металлов. Книга предназначена для исследователей в области физики горения металлов, материаловедения, химической технологии.

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.

С использованием энергии релятивистских электронов на поверхности низкоуглеродистой стали сформированы слои наплавки, высоколегированные хромом, бором и углеродом. Исследована зависимость структуры, фазового состава, твердости и износостойкости от состава легирующей смеси. Установлено существование режимов легирования, приводящих к образованию в поверхностном слое структур, аналогичных структуре твердого сплава и обеспечивающих достижение максимальных уровней твердости, износостойкости и противоударной стойкости.

В работе представлены результаты исследования структуры и свойств композиционных покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки из смеси термореагирующих порошков FeB–FeTi. Показана зависимость фазо- и структурообразования покрытий от гранулометрического состава исходных компонентов наплавляемой шихты. Исследованы абразивная износостойкость, коэффициенты трения и интенсивность изнашивания в парах трения. Показана взаимосвязь полученных характеристик со структурой и морфологическими особенностями структурных составляющих покрытий.

В работе исследованы основные физико-механические свойства сварных соединений из жаростойкой стали 12Х1МФ. Изучено влияние импульсного процесса сварки на структуру и свойства слоев сварного шва и зону термического влияния. Установлено повышение однородности и дисперсности структуры в этих зонах, сопровождающееся повышением прочности и ударной вязкости.

Исследовано влияние импульсного процесса сварки на структуру и механические свойства сварных соединений труб большого диаметра (1020 мм) из марганцовистых низколегированных сталей, предназначенных для нефте- и газопроводов. Показано, что импульсный режим сварки позволяет повысить однородность структуры и уменьшить размер зерна металла сварного шва и зоны термического влияния. Структурные изменения приводят к повышению усталостной прочности металла зоны термического влияния на 40 % и сварного шва на 70 %.

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