С помощью сканирующей туннельной микроскопии проведена прямая оценка относительной энергии внутренних границ раздела в ультрамелкозернистой меди, полученной методом равноканального углового прессования с последующей прокаткой. Оценки энергии границ для свежеприготовленных и отожженных при различных температурах образцов показывают, что границы в ультрамелкозернистой меди являются неравновесными, и их энергия значительно превосходит энергию границ в крупнокристаллической меди. Интегральные функции распределения относительной энергии границ в зеренно-субзеренной структуре позволяют качественно оценить перераспределение избыточной энергии между границами разного типа в процессе эволюции структуры при отжиге. Выявлены отличия в характере интегральных функций распределения энергии границ в ультрамелкозернистых меди и никеле, полученных по одинаковой технологии. Предполагается, что эти отличия связаны с особенностями формирования структуры двух металлов при интенсивной пластической деформации и последующей ее эволюции при отжиге, которые обусловлены разной энергией дефекта упаковки и температурой плавления меди и никеля.

Описаны результаты исследования зеренно-субзеренной структуры (ЗСС) образцов субмикрокристаллического (СМК) никеля, подвергнутого низкотемпературному отжигу с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Представлены распределения ЗСС по размерам и оценка неравновесности границ зерен. Показана высокая эффективность метода СТМ для количественной характеристики эволюции ЗСС СМК простых металлов, полученных методом интенсивной пластической деформации и подвергнутых низкотемпературному отжигу.

Методами дифференциальной сканирующей калориметрии, рентгеновской дифрактометрии, а также про¬свечивающей и растровой электронной микроскопии исследованы фазовые превращения и стабильность струк¬туры легированного цирконием ультрамелкозернистого сплава системы Al-Mg-Li при нагреве. Установлено, что при повышении температуры в сплаве формируются частицы S-фазы двух типов, отличающиеся структурой кри¬сталлической решетки. Показана важная роль S-фазы в обеспечении высокой термической стабильности ультрамелкозернистой структуры, полученной методами интенсивной пластической деформации.

Исследовано влияние низкотемпературного отжига на механические характеристики и зеренно-субзеренную структуру (ЗСС) образцов субмикрокристаллического (СМК) никеля, полученного методом равноканального углового прессования (РКУП). С помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) получена оценка распределения ЗСС по размерам и относительной энергии ее границ после отжига при разной температуре. изменение механических свойств СМК никеля обсуждается с учетом эволюции ЗСС структуры в процессе низкотемпературного отжига.

Методами просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования влияния легирования водородом на рост и распределение по размерам элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры сплава Ti-6Al-4V в интервале температур 673-973 К. Изучена кинетика и определены значения энергии активации роста элементов зеренно-субзеренной структуры сплава при свободном отжиге и в условиях растяжения. Установлено активизирующее влияние деформации и диффузии водорода на миграцию границ зерен и рост элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры.

Крупные порошки алюминия марки ПА-2 были подвергнуты при комнатной температуре равноканальному угловому прессованию с интенсивностью y=2. В результате получен плотный материал с большой площадью контактов между частицами. Однако прочность прессовки оставалась низкой, ее разрушение проходило по плоскостям максимального сопряжения порошков. Показано, что причины низкой прочности прессовок обусловлены особенностями химического состава и рельефа контактной поверхности порошков, подвергнутых интенсивной пластической деформации.

Методами сканирующей туннельной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и измерения микротвердости исследовано влияние предварительного отжига на характер взаимодействия водорода с субмикрокристаллическим никелем при электролитическом насыщении. В свежеприготовленных образцах обнаружен гидрид никеля Ni2H, который приводит к повышению их микротвердости. После отжига наблюдается увеличение параметра решетки и уменьшение микротвердости Ni, что свидетельствует об образовании твердого раствора водорода в никеле.

Исследованы механические свойства и структура низкоуглердистой стали 10Г2ФТ (Fe-1.12Mn-0.08V-0.07Ti-0.1С) до и после равноканального углового прессования и их термическая стабильность при последующих высокотемпературных отжигах. Показано, что после равноканального углового прессования в стали формируется преимущественно субмикрокристаллическая структура, что приводит к существенному росту прочностных свойств, уменьшению пластичности и к локализации пластического течения. Сформированная структура обладает высокой термостабильностью до температуры 500С.

Магниевый сплав АМ60 был подвергнут ротационной молотковой ковке при 350С с целью измельчения его зерен. В результате многоступенчатой ковки средний размер зерен сплава уменьшился до 10-15 мкм. Кратковременный отжиг откованного сплава при 250С привел к незначительному повышению его прочности и существенному улучшению пластичности. Дополнительное равноканальное угловое прессование образцов при 350С привело к незначительному уменьшению размера зерен, но механические характеристики сплава при этом не изменились.

В работе представлены результаты исследования микроструктуры, механических свойств и фазового состава низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ (Fe-1,12Mn-0,08V-0,07Ti-0,1C) до и после равноканального углового прессования. Установлено, что равноканальное угловое прессование стали 10Г2ФТ в двух исходных состояниях: феррито-перлитном и мартенситном, приводит к формированию преимущественно субмикрокристаллической структуры со средним размером структурных элементов 0,3 мкм, вызывает рост прочностных свойств и частичное растворение карбидов.

В работе представлены результаты комплексных исследований структурно-фазового состояния, физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных титана и циркония при ионно-лучевой и микродуговой обработках. Показано, что низкотемпературное ионно-лучевое азотирование титана и циркония существенно (в 25-35 раз) увеличивает износостойкость его поверхностного слоя и на 40% понижает коэффициент трения при фрикционном сопряжении. Микродуговое оксидирование титана в растворе ортофосфорной кислоты, гидроксилапатита и карбоната кальция позволяет создавать кальций-фосфатные покрытия с высокими физико-механическими свойствами. Трибологические испытания в режиме сухого трения и в изотоническом растворе хлорида натрия показали, что биокомпозиционный материал на основе наноструктурированного титана и кальций-фосфатного покрытия демонстрирует достаточно высокий коэффициент трения 0,4-1,0 в процессе фрикционного взаимодействия с сверхвысокомолекуляярным полиэтиленом и костной тканью. Существенное повышение триботехнических свойств наноструктурированных циркония и титана с модифицированными поверхностными слоями делает эти материалы весьма перспективными для применения в медицине и технике.

В настоящей работе с позиций физической мезомеханики численно исследуются процессы формирования деформационного рельефа на поверхности структурно-неоднородных материалов на примере поликристаллических материалов и материалов с покрытиями. В трехмерной постановке исследовано напряженно-деформированное состояние в объеме и на поверхности материалов в условиях одноосного растяжения. Проанализировано влияние внутренних границ раздела на процессы, происходящие на поверхности. Показана роль внутренней структуры в процессе формирования деформационного рельефа на свободной поверхности.

Исследованы закономерности накопления остаточной деформации и эволюции микроструктуры при усталостном нагружении титана технической чистоты ВТ1-0 и сплава ВТ6 в состояниях поставки и после воздействия интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования. Показано, что изменение микроструктуры в результате равноканального углового прессования приводит к замедлению скорости накопления остаточной деформации при циклическом нагружении и к повышению предела выносливости. На основании экспериментальных данных сделаны выводы о возможных механизмах повышения усталостных характеристик титановых сплавов, полученных интенсивной пластической деформацией.??.

В работе изучены структура и механические свойства низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ (Fe -1.12Mn- 0.08V- 0.07Ti- 0.1C, мас. %) после интенсивной пластической деформации и последующих высокотемпературных отжигов. Сталь в феррито-перлитном состоянии подвергали равноканальному угловому прессованию при Т = 200 °C (режим Вc, 4 прохода) и кручению под квазигидростатическим давлением при комнатной температуре (5 оборотов при давлении 6 ГПа). Показано, что интенсивная пластическая деформация по выбранным режимам приводит к формированию фрагментированной структуры со средним размером элементов 260 нм после равноканального углового прессования и 90 нм после кручения под давлением. Квазигидростатическое давление приводит к росту микротвердости до 6.4 ГПа, что существенным образом превышает значения микротвердости в исходном состоянии и после равноканального углового прессования (1.6 и 2.9 ГПa соответственно). Сформированные структуры обладают высокой термической стабильностью: до 500 °C после равноканального углового прессования и до 400 °C после кручения под давлением. Обсуждаются вклады дисперсионного и субструктурного упрочнения в формирование высоких прочностных свойств стали 10Г2ФТ при интенсивной пластической деформации и в стабилизацию полученных субмикрокристаллической и нанокристаллической структур до высоких температур отжига.

Представлены результаты исследования механических свойств, микроструктуры и фазового состава низкоуглеродной стали 10Г2ФТ (Fe-1.12 Mn - 0.08V -0.07Ti -0.1C) до и после равноканального углового прессования. Установлено, что равноканальное угловое прессование стали 10Г2ФТ при Т=200 гр.С в случае ферритно-перлитного и при Т=400 гр. С в случае мартенситного состояния приводит к формированию преимущественно субмикрокристаллической структуры со средним размером структурных элементов 0.3 мкм, вызывает рост прочностных свойств, уменьшение пластичности и локализацию пластического течения. Экспериментально показано, что исходно мартенситная структура при РКУП обусловливает более высокие прочностные свойства по сравнению с ферритно-перлитной.

Изучены механический свойства при растяжении, организация пластического течения и разрушение в образцах с надрезами типа Менаже субмикрокристаллического (СМК) титана. Исследованы два структурных состояния СМК титана, изготовленного равноканальным угловым прессованием (РКУП), отличающиеся размерами областей когерентного рассеяния. уровнем внутренних микронапряжений и текстурой. Выявлена конфигурация зон пластической деформации вблизи концентраторов напряжений и исследовано их развитие с ростом степени макродеформации. Установлено, что разрушение начинается в областях с максимальным значением локальной интенсивности деформации. Изучена стадийность и микромеханизмы процесса разрушения. Обнаружен квазихрупкий характер разрушения СМК титана в более высокопрочном состоянии (тип II).

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации на микроструктуру и свойства металлических материалов на примере алюминиевого сплава А85, подвергнутого равноканальному угловому прессованию и циркониевого сплава Г110, подвергнутого ковке с переменой осей осаживания. Установлено, что при деформациях в сплавах формируется промежуточная мелкозернистая структура с бимодальным распределением зерен по размерам. При растяжении образцов из материалов с такой структурой происходит быстрая локализация деформации и образование шейки, способной к значительному утонению.

Представлены результаты исследования механических свойств, микроструктуры и фазового состава низкоуглеродистой ферритно-перлитной стали 10Г2ФТ (Fe-1.12Mn-0.08V-0.07Ti-0.1C) после равноканального углового прессования и последующих высокотемпературных отжигов при температурах 500-700 гр.С. показано, что сформированная при равноканальном угловом прессовании преимущественно субмикрокристаллическая структура обладает высокой термостабильностью до температуры 500 гр.С. Обсуждается вклад дисперсионного твердения в упорчнение стали 10Г2ФТ при равноканальном угловом прессовании и в стабилизацию субмикрокристаллической структуры до высоких температур отжига.

Методом равноканального углового прессования ()РКУП) в стали 10Г2ФТ сформирована субмикрокристаллическая структура со средним размером структурных элементов 260 нм в ферритно-перлитном и 310 нм в мартенситном состояниях. Установлено, что РКУП приводит к росту механических свойств, уменьшению пластичности, локализации пластического течения при растяжении. Показано, что сформированные при РКУП высокие прочностные свойства сохраняются до температуры отжига 500 гр.С.

Исследована эволюция макро- и микроструктуры спечённых композитов AI - Sn с широким концентрационным содержанием второй фазы при обработке их методом равноканального углового прессования (РКУП) по маршруту А. Установлено, что в случае непрерывной алюминиевой матрицы, деформация распределяется по объёму композитов равномерно, и все составляющие их фазы испытывают равную деформацию. В процессе пластического формоизменения алюминиевые зёрна фрагментируются на более мелкие субзёрна, что приводит к упрочнению матрицы и всего композита, пропорционально содержанию в нём алюминия (правило смеси). Наибольшее упрочнение матрица испытывает в ходе первого РКУП, а при последующих трёх проходах темп её упрочнения снижается и определяется скоростью утонения межфазных прослоек.

В книге последовательно изложены принципы сканирующей акустической микроскопии - нового перспективного направления в развитии физических методов исследования микроструктуры материалов самой различной природы. Подробно излагаются особенности нового направления. различные применения, преимущества и границы применимости. В книге отражен современный уровень научных исследований в этой области. включая ряд разделов физической акустики и ультразвука, физики твердого тела, характеризации материалов и неразрушающего контроля. Книга рассчитана на широкий круг специалистов, а также может быть использована в качестве учебного пособия для аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.

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.

Методом атомно-силовой микроскопии исследованы закономерности гофрирования тонких пленок Al на подложке Si с подслоем полистирола при термическом воздействии. Измерение амплитуды и длины волны складок позволило выявить стадийность процесса гофрирования при различных температурах. Показано, что эволюция складок гофра в процессе отжига регулируется периодическим распределением нормальных и касательных напряжений вдоль границы раздела пленка-подслой.

Фазовый состав, тонкая структура интерметаллических покрытий исследована методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Показано, что интерметаллид Ni3Al является основной фазой покрытия для всех исследованных образцов. Ионная имплантация покрытия ионами алюминия и бора приводит к изменению параметра решетки, параметра дальнего атомного порядка, изменению внутренних упругих напряжений, размеров зерен и типа дислокационной структуры.

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

Методами теории функционала электронной плотности исследованы электронная структура и магнитные свойства возможных типов контактов на границе раздела (001) между сплавами Гейслера составов XYZ и X2YZ (NiMnSb и Co2MnSi) и полупроводниками III-V групп (InP и GaAs). Показано, что в обоих случаях максимальная спиновая поляризация достигается на контактах Ni/P(As) или Co/As. Исследовано влияние структурных дефектов на поверхности и границах раздела на спиновую поляризацию на уровне Ферми. Проведен анализ природы состояний на границе раздела сплав Гейслера-полупроводник и электронных факторов, способствующих потере или сохранению полуметаллического поведения на рассмотренных контактах. Расчеты локальных магнитных моментов показали, что магнитные свойства контактных атомов не изменяются значительно на границах раздела вследствие частичной компенсации их координации за счет атомов полупроводника. Увеличение степени спиновой поляризации может быть достигнуто за счет легирования на подрешетке Х-элемента.

На основе уравнений полевой теории дефектов, замкнутой определяющим соотношением вязкоупругих тел, рассмотрены закономерности распространения плоских волн поля дефектов через границу раздела. Записаны граничные условия, определяющие соотношения параметров поля дефектов на границе раздела, что позволило получить выражения для коэффициентов отражения и преломления и сдвига фаз волн на границе раздела.

В рамках теории функционала электронной плотности на основе первых принципов проведен расчет электронной структуры и магнитных свойств границы раздела (110) между сплавом NiMnSb и GaAs в зависимости от конфигурации контактных атомов. Обнаружено, что две их шести возможных атомных конфигураций границы раздела обладает высокой степенью спиновой поляризации, которая достигает 100% для одной из изученных интерфейсных структур.

На основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов в блочных средах на их деформационный отклик при динамических воздействиях. Полученные результаты позволили выделить ряд параметров деформационного отклика, величина которых претерпевает качественное изменение при изменении характера напряженного состояния. В качестве таких параметров выступают величина инициированного воздействием относительного тангенциального смещения блоков и некоторые характеристики частотного спектра скоростей таких смещений. Проведенный анализ позволяет предложить комплексный подход к диагностике напряженного состояния фрагментов активных границ раздела в блочных средах различной природы, в частности в иерархически организованной геологической среде.

Проведено изучение возможности направленного воздействия на процесс релаксации локальных напряжений в интерфейсных средах, находящихся в сложном напряженном состоянии, путем изменения состояния границ раздела структурных элементов. Исследования проводились на примере ледового покрова озера Байкал, который представляет собой иерархически организованную разломно-блоковую среду и относится к классу интерфейсных сред. Показано, что изменением состояния границ раздела структурных элементов можно направленным образом менять режим деформации интерфейсной среды в целом. теоретически подтверждена общность полученного эффекта.

В рамках теории функционала электронной плотности рассчитаны электронная структура и магнитные свойства границы раздела (110) полуметаллического сплава Гейслера NiMnSb с полупроводниками в зависимости от конфигурации контактных атомов. Показано, что спиновая поляризация существенным образом зависит от атомной конфигурации атомов на контактах. Анализируется природа интерфейсных состояний на рассмотренных контактах. Получена практически 100%-ная спиновая поляризация для конфигурации с никелем и сурьмой, которые в сплаве занимают соответствующие позиции аниона и катиона в полупроводнике. Оценка энергии адгезии на границах раздела показала, что контакты с максимальной спиновой поляризацией имеют также наибольшую энергию адгезии и являются энергетически выгодными и стабильными. работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант № 08-02-92201 ГФЕН_а) и проекта ИФПМ СО РАН 5.2.1.19. Расчеты в проводились на вычислительном кластере СКИФ Cyberia в Томском гос. университете.

Представлены результаты первопринципных расчетов методами теории функционала электронной плотности атомной и электронной структуры Pd с симметричными границами наклона. Обсуждается сорбция водорода на границах зерен и соответствующих свободных поверхностях. Анализируется влияние примесей d-металлов на сорбцию водорода на границах зерен. Установлено, что на поверхности (210) предпочтительной является сегрегация примесей d-металлов на террасах, тогда как на поверхности (310) более энергетически выгодной является сегрегация металлов на ступенях поверхности. Сравнительное исследование влияния водорода на подвижность дефектов к границам наклона и соответствующим им свободным поверхностям показало существенное увеличение сегрегации примесей. В присутствии водорода становится возможной сегрегация примесей как на узлы ступени, так и на террасные узлы поверхностей.

Атомная и электронная структура (001) и (110) границ раздела Cr(Ni)/NiAl исследована первопринципным методом псевдопотенциала в рамках теории функционала электронной плотности. Анализируются структурные и электронные факторы, определяющие адгезию на границах "металл-сплав". Расчеты электронных характеристик указывают на преимущественно металлически и ковалентный тип связи на границах раздела.

Приведены результаты комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования процессов пластической деформации материалов с покрытиями или поверхностным упрочнением на мезо- и макромасштабном уровнях. Показано влияние процессов, развивающихся на границе раздела покрытие - подложка, на развитие пластической деформации всей композиции. На основании полученных данных даются рекомендации по созданию поверхностно-упрочненных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

Изучено влияние крупномасштабных границ раздела в виде протяженных поперечных локализованных областей переплава на механизм пластической деформации поликристаллов низкоуглеродистой стали. Теоретически и экспериментально показано, что в зоне таких границ раздела возникают осциллирующие мезоконцентраторы напряжений, релаксация которых обусловливает формирование в деформируемых поликристаллах периодических полосовых структур мезомасштабного уровня.

Методами теории функционала электронной плотности (DFT) проведено систематическое изучение из первых принципов атомной и электронной структуры границ раздела между металлами с объемно-центрированной (ОЦК) и гранецентрированной (ГЦК) структурами и диоксидом циркония. Показано, что хорошие адгезионные свойства могут быть достигнуты на нестехиометрической полярной границе раздела Ме(001)/ZrO2(001) с ОЦК-металлами середины 4d-5d периодов (Mo, Ta, W, Nb). Зарядовый перенос от металла к оксидной подложке обусловливает сильную ионную природу химической связи на металлокерамических границах раздела. Проведя анализ структурных и электронных факторов, ответственных за понижение адгезии на разориентированных границах раздела. Показано, что уменьшение адгезии на неполярной стехнометрической границе раздела (110) связано с увеличением интерфейсного расстояния, а также с уменьшением числа связей металл-кислород. анализируется влияние легирования оксидами (СaO, MgO, и Y2O3), стабилизирующими диоксид циркония при низких температурах, на энергию адгезии на Ме(001)/ZrO2(001) интерфейсе.

Проведено численное исследование деформации и разрушения композита с покрытием при растяжении и сжатии. На примере стали, поверхностно упрочненной методом диффузионного борирования, исследована роль сложной геометрии границы раздела основной материал - упрочненный поверхностный слой. Для описания механического поведения стальной основы и хрупкого покрытия используются модели пластического течения с учетом деформационного упрочнения и разрушения. С привлечением критерия разрушения Губера учитывается различие критических величин прочности для разных типов локальных состояний - растяжения и сжатия. Показано, что неровная, "игольчатая" форма границы раздела подложка - покрытие препятствует распространению продольной трещины в это покрытие и предотвращает его отслоение при внешнем сжатии композита. Установлено, что даже при внешнем одноосном сжатии мезообъемов композита иглы боридов находятся под действием растягивающих нагрузок, величина которых сравнима с величиной внешнего сжимающего напряжения, а направление распространения трещин и общий характер разрушения существенно зависят от условий внешнего нагружения.

На основе уравнений полевой теории дефектов, описывающей динамику дислокационного континуума, исследованы закономерности прохождения плоских косых гармонических волн через границу раздела вязкоупругих сред Фойгта и Максвелла. Определена структура волн поля дефектов при различной поляризации волны смещений. Получены аналитические выражения коэффициентов отражения и преломления волн смещений и волн поля дефектов, распространяющихся в изучаемых средах. Проанализированы зависимости найденных коэффициентов Френеля от угла падения первичной волны и параметров контактирующих сред.

В пособии рассмотрены физические основы электронно-микроскопического, рентгеноструктурного, спектрального, микрорентгеноспектрального, магнитного, акустического методов контроля структуры материалов и качества изготовленных из них деталей. Проанализированы методы выполнения исследований, приведены требования, предъявляемые к объектам исследований. Описаны принципы действия и устройство приборов, используемых для реализации методов, в том числе растрового и трансмиссионного электронного микроскопов, туннельного микроскопа, приборов спектрального, магнитного и акустического контроля. Для студентов и преподавателей технических вузов.

Проведены сравнительные исследования эволюции структуры и спектра разориентировок границ зерен субмикрокристаллического молибдена при свободном отжиге и в условиях ползучести при температуре 1023 К. Установлено, что изменения в спектре разориентировок границ зерен субмикрокристаллического молибдена при отжиге и ползучести наблюдаются одновременно с миграцией границ. Диффузия никеля по границам зерен при отжиге приводит к увеличению в зернограничном ансамбле субмикрокристаллического молибдена доли границ зерен специального типа с сигма 17а. В условиях ползучести зернограничные диффузионные потоки атомов никеля способствуют превращению малоугловых границ в большеугловые и увеличению угла разориентировок большеугловых границ субмикрокристаллического молибдена до 45°—60°.

В работе исследовано влияние комбинированной обработки, включающей интенсивное пластическое деформирование и ионно-лучевое азотирование, на структуру и триботехнические свойства титанового сплава ВТ1-00. Показано, что интенсивное пластическое деформирование титана, приводящее к образованию в нем субмикрокристаллической структуры и увеличению твердости сплава на 50...60%, практически не оказывает влияния на его триботехнические характеристики при трении без смазочного материала. Имплантация ионов азота в титан при температурах 620...820 К приводит к образованию твердого раствора внедрения азота в матричной а-фазе, что обеспечивает увеличение микротвердости модифицированного слоя 3500...3700 МПа, повышение износостойкости сплава в 30 раз и снижение коэффициента трения на 40%.

Новейшие технологии включают в себя разработку, описание, а также производство и практическое использование самых разнообразных наноразмерных структур, устройств и систем. В междисциплинарном поле этой области исследований пересекаются и перекрываются экспериментальные и теоретические разработки химиков, физиков, инженеров-электронщиков, механиков, материаловедов, биохимиков, молекулярных биологов, Именно сочетание различных подходов и методов является характерной особенностью наиболее интересных и многообещающих разработок в нанотехнологиях. Книга представляет собой сборник последних результатов, полученных молодыми английскими учеными, многие из которых являлись стипендиатами Королевского общества или Исследовательского совета инженерных и физических наук Великобритании. Проводимые или работы ведутся на самых передовых рубежах познания, а в более широком контексте создают панораму современного состояния нанонауки и нанотехнологии вообще.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование влияния межзеренных границ на формирование радиационно-поврежденных областей в кристаллитах ванадия. Межатомное взаимодействие описано в рамках метода погруженного атома. В кристаллитах ванадия ка с идеальной структурой, так и с границами раздела, после релаксации каскадов атомных смещений формируется относительно малое число кластеров, состоящих из точечных дефектов (вакансий и собственных межузельных атомов-СМА). Характер развития каскадов атомных смещений во многом определяется наличием в материалах протяженных границ раздела. Межзеренные границы раздела служат барьером для распространения каскадов атомных смещений и аккумулируют значительную долю радиационных дефектов.

Исследован процесс наноконструирования медного образца в паре трения с инструментальной сталью. Проведен структурный анализ нанокристаллического слоя, образующегося при трении на поверхности образца. Предложен механизм деформации данного слоя, подобный течению вязкой неньютоновской жидкости или гранулированной среды.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования неравновесных структурных состояний с высокими значениями кривизны и градиентов кривизны кристаллической решетки. формирующихся в объемных наноструктурных металлических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации. Изложена методика их электронно-микроскопической аттестации, исследования внутренних напряжений и градиентов (моментов) этих напряжений, локализованных на субмикронном масштабном уровне. Предложена структурная модель этих состояний как состояний с высокой континуальной плотностью дефектов (дислокаций и дисклинаций) в объеме и на границах зерен.

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.

В работе проведено исследование закономерностей локализации деформаций на границах раздела структурных элементов в квазидвумерных блочных (плитных) средах. В качестве модельной плитной среды использовался ледовый покров озера Байкал. основное внимание уделено анализу взаимосвязи внутриплитных деформаций и межплитных перемещений. Установлнео, что активизация конвергентных смещений на межплитных границах и развитие зон поддвига в ледовом покрове связаны с ростом растягивающих внутриплитных напряжений, что соответствует основным закономерностям тектонических процессов в литосфере. На основе анализа распределения напряжений сделано заключение о том, что закономерности деформационных процессов в плитном ледовом покрове отвечают концепции тектоники литосферных плит. Полученные результаты позволили оценить характерный уровень тектонических напряжений (2-10% величины прочности материала плит), при котором происходит активизация конвергентных смещений на межплитных границах. При этом на отдельных участках плитной среды возможно достижение аномально высоких значений внутренних напряжений (до 20-30% прочности), приводящих к фрагментации структурных блоков и вовлечению образовавшихся границ раздела в деформационные процессы. Показано, что в условиях столь высоких внутренних напряжений наблюдаются заметные отклонения деформационного режима на межплитных границах от типичного, что можно рассматривать как предвестник динамических сейсмогенерирующих событий.

Приведен обзор работ авторов с сотрудниками [1-20 и др.], посвященных проблемам природы процессов массопереноса через интерфейсы в твердых телах и биологические мембраны. Сделано заключение, что в основе распространения транспортных потоков лежат структурно-фазовые переходы наноструктурных состояний на границах раздела в гетерогенных средах.

Представлены результаты расчетов атомной и электронной структуры границ раздела Nb/Al2O3(0001) и Ni/ZrO2(001), полученные в рамках теории функционала плотности. Проведены оценки энергий образования кислородных вакансий в объемных материалах, в поверхностных и интерфейсных слоях для разных окончаний оксидных поверхностей. Обсуждается влияние кислородных вакансий на механизм связи переходных металлов с атомами подложки, определяющий адгезию на границах раздела металл-оксид. Результаты указывают на ослабление Nb(Ni)-O-взаимодействия на границах раздела при наличии поверхностных кислородных вакансий.

Представлены результаты первопринципных расчетов электронной структуры сплавов Гейслера Co2MnGa(Si) и Ni2MnGa, а также их тонких пленок на полупроводниковых подложках. Анализируется влияние структурных дефектов на электронную структуру и магнитные свойства в объеме, на поверхности и границах раздела.

В рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики исследованы механизмы самосогласования поворотных мод циклической деформации на мезомасштабном уровне в поверхностных слоях поликристаллов различной природы. Получено прямое экспериментальное подтверждение эффекта «шахматного» распределения пластической деформации в зоне интерфейса «поверхностный слой – подложка» и на внутренних границах раздела.

Проведено экспериментальное исследование отклика границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (активных разломов) на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Важнейшим результатом исследования является установление того факт, что совместное влияние вибрационного воздействия и обводнения может принципиально изменять характер отклика сейсмически активных разломов и приводить к инициации аномальных по величине, но плавных смещений гео-блоков без выделения мощных сейсмических импульсов. Анализ результатов на основе обобщенной модели Томлинсона показано, что обнаруженное изменение характера отклика границ раздела структурных элементов является общим для разломно-блоковых сред различной природы. Проведенные исследования позволили авторам предложить новый подход к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, который может быть использован для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.

Путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено теоретическое изучение отклика активных границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов0 на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Результаты расчетов подтвердили выводы, сделанные по данным натурных испытаний, а также позволили выявить роль каждого из факторов в изменении характера отклика разлома, что может быть использовано для однозначного объяснения обнаруженных экспериментально эффектов. На основе результатов моделирования и экспериментальных данных разработан конкретный способ реализации предложенного подхода к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмооактивных разломов, основанный на применении электроразрядных технологий.

В работе проведено моделирование в трехмерной постановке поведения структурно-неоднородных материалов поликристаллического и композиционного типов в условиях квазистатического растяжения. Для введения в расчеты структуры мезоскопического масштаба (зерна, включения) применена процедура генерации структур поликристаллического и композиционного типов, сходных с экспериментальными по количественным и качественным характеристикам. На основе концепций физической мезомеханики проведен анализ напряженно-деформированного состояния в объеме и на поверхности исследуемых материалов. Исследовано напряженно-деформированное состояние в различных сечениях мезообъемов и эволюция пластической деформации на начальных стадиях пластического течения. На основе результатов моделирования сделаны выводы относительно особенностей пластической деформации в трехмерных структурах на мезо- и макроуровнях. На примере композиционной структуры исследован вопрос о степени соответствия двумерных и трехмерных моделей на мезоуровне в случае явного учета мезоструктуры. Для этого проведен сравнительный анализ трехмерных и двумерных расчетов в постановке плоской деформации и плоского напряженного состояния.

В статье на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов (методом МСА) изучены особенности деформирования и разрушения интерфейсных материалов, находящихся в сложном напряженном состоянии, в условиях циклического нагружения. Показано, что вибрационное воздействие с «высокими» частотами, превышающими собственные частоты образца, может существенно повышать деформационную способность интерфейсных материалов, что связано с действием вибрации как своеобразного «деформационного насоса». Развитый формализм интерфейсных сред применен для теоретического исследования отклика границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов) на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Важнейшим результатом исследования является установление того факта, что совместное влияние «высокочастотного» вибрационного воздействия и обводнения принципиально меняет характер отклика обводненного разлома и может приводить к инициации аномальных по величине, но плавных смещений геоблоков без выделения мощных сейсмических импульсов. Результаты расчетов подтверждены в ходе натурных экспериментов на Ангарском разломе Байкальской рифтовой зоны. Это позволило предложить новый подход к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, который может быть использован для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.

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.

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.

На основе динамических уравнений континуальной теории дефектов проведен анализ потоков энергии поля дефектов через границу раздела двух вязкопластических сред. Получены соотношения, определяющие отражательную и пропускательную способности границ раздела, которые показывают, какая доля энергии падающей волны дефектов уносится отраженной волной и какая переносится преломленной во вторую среду. Рассчитаны и проанализированы зависимости коэффициентов преломления от угла падения первичной волны.

Предметом рассмотрения данной работы является стохастический алгоритм, использующий основные понятия классической теории упругости и результаты, полученные в рамках квантовомеханических подходов, объединенных представлениями физической мезомеханики материалов. основная идея предлагаемого алгоритма заключается в том, что всякая физическая величина в данный момент времени не может быть определена точно, ее значение может быть найдено лишь с некоторой долей вероятности. Таким образом, каждый физический параметр рассматривается как случайная величина, имеющая соответствующие характеристики: распределение вероятностей, математическое ожидание, дисперсию и пр. Результаты настоящего моделирования могут быть полезны как при конструировании новых материалов и оптимизации их свойств, так и для предсказания поведения нагруженного твердого тела на основе анализа картины деформаций поверхности и внутренних границ раздела.

Хорошо известно, что земная кора имеет иерархическую блочную структуру, являющуюся результатом геологической эволюции, а также глобальных и локальных деформационных процессов. При этом важными элементами геосреды являются границы раздела блоков, по которым и происходят основные деформации (смещения) под действием локальных полей внутренних напряжений. На макромасштабном уровне такими межблочными границами являются сейсмоактивные разломы. В настоящей работе было проведено комплексное исследование совместного влияния обводнения и вибрационного воздействия на поведение (режим смещений) сейсмоактивного разлома или его фрагмента. Результаты исследования показали, что совместное использование двух указанных факторов может не просто инициировать аномально большие по амплитуде смещения по разлому, но, что не менее важно, реализовать их в относительно плавном режиме сдвиговой ползучести (то есть без динамического спонтанного выделения мощных сейсмических импульсов).

The processes of localized deformation band formation and crack generation in brittle-plastic materials are simulated numerically in various loading conditions. The patterns of cracking and strain localized band for a sandstone specimen in compression are obtained. To describe inelastic behavior of pressure-sensitive materials, the mathematical tools and concepts of plasticity theory are employed. In the computations the Nikolaevskii model with a non-associated flow rule is used. In the course of “plastic” deformation damages are accumulated. Macrocrack opening and material fracture are described explicitly. For this purpose the node-splitting technique is used and the free-surface conditions are given on newly formed boundaries. This provides self-acting account of crack generation for the entire calculation area in the course of deformation. The use of the considered approaches in describing the behavior of a rock specimen as an ideal homogeneous medium allows a good agreement of fracture patterns as well as of various types of stress-strain dependences with the experimental findings. In order to describe in detail the behavior peculiarities of heterogeneous porous and cracked materials, it is necessary to consider their structural features and crack growth.

Проведены результаты электронно-микроскопического исследования особенностей высокодефектного структурного состояния, формирующегося в никеле (99,998%) после интенсивной пластической деформации кручением под давлением при комнатной температуре. С применением специальных методов просвечивающей электронной микроскопии качественно определены характерные параметры зеренной и дефектной структур. на основе полученных экспериментальных данных выполнена оценка величин локальных внутренних напряжений и ссответствующих им градиентов на субмикромасштабном уровне. Рассмотрены возможные механизмы, обеспечивающие формирование субмикрокристаллического структурного состояния.

Проведено электронно-микроскопическое исследование особенностей микроструктуры нанополос переориентации, формирующихся в никеле и сплаве V-4Ti-4Cr при интенсивной пластической деформации на наковальнях Бриджмена. Показано, что образование таких нанополос может быть описано в рамках квазивязкого механизма движения нанодиполей частичных дисклинаций, контролируемого потоками неравновесных точечных дефектов в полях высоких локальных градиентов нормальных компонент тензора напряжений. Реализация этого механизма обеспечивает дополнительные возможности наноструктурирования дефектной субструктуры при пластической деформации металлических материалов с образованием структурных состояний с размерами нанокристаллов нескольких нанометров.

Представлены результаты систематического анализа атомной и электронной структуры границ раздела для двух серий изоэлектронных металлов в зависимости от окончания оксидной подложки и конфигурации металлических пленок. Расчеты выполнены методом псевдопотенциала в плосковолновом базисе. Рассчитана энергия адгезии металлических пленок в зависимости от плоскости разрыва. Показано, что энергия адгезии максимальная на кислородном интерфейсе, что обусловлено ионной составляющей в химической связи на данной границе раздела. Для алюминиевого и обогащенного алюминием интерфейса характерен металлический тип связи. Проведен анализ локальных плотностей электронных состояний и зарядового распределения вблизи границ раздела. Показано, что появление кислородных вакансий на границах раздела существенно ослабляет адгезию за счет частичного разрыва Me-O-связей.

На основе полевой теории дефектов с использованием кинематических тождеств для упругого континуума с дефектами и динамических уравнений калибровочной теории рассмотрены закономерности прохождения плоских гармонических волн через границы раздела вязкоупругих сред. Определены коэффициенты отражения и преломления волн упругих смещений и волн поля дефектов, характеризуемого тензором плотности дислокаций и тензором плотности потока. Проанализированы зависимости полученных величин от параметров граничащих сред.

Исследовано влияние геометрии границы раздела "покрытие - основа" на степень растрескивания покрытия, вызванного термическим и механическим нагружением системы. Для моделирования процессов разрушения (отслоения) покрытия предложен алгоритм, основанный на оценке величины сдвиговых напряжений в пластичной медной основе и нормальных напряжений в керамическом покрытии Al2O3. Показано, что удельная доля разрушенных элементов сетки для неплоского профиля ниже, чем для плоского случая. Параметрические исследования разрушения покрытия при термическом и механическом нагружении показали, что в первом случае удельная доля разрушенных элементов в керамическом покрытии в большинстве случаев значительно выше независимо от профиля интерфейса. Полученные результаты позволили обосновать подход к созданию эффективного промежуточного слоя между покрытием и основой, состоящего из взаимно проникающих друг в друга выступов обоих материалов при условии малой "жесткости" напряженного состояния в вершине надрезов в покрытии, вызванных проникновением зубцов из подложки.

На основе уравнений полевой теории дефектов, содержащей кинематические тождества упругого континуума с дислокациями и динамические уравнения калибровочной теории дислокаций, рассмотрены закономерности распространения плоских гармонических волн в однородных упруго-вязкопластических средах и при наличии границ раздела. Определены коэффициенты отражения и преломления волн поля дефектов, характеризуемого тензорами плотности дислокаций и плотности потока. Проанализированы зависимости полученных величин от размеров контактирующих сред.

Обобщены экспериментальные данные о закономерностях формирования структурных состояний с высокой кривизной кристаллической решетки в субмикро- и нанокристаллах металлических материалов, формирующихся в различных условиях интенсивного механического воздействия. установлены зависимости количественных параметров этих состояний от способности материала к их релаксации, особенностей его нанокристаллической структуры, величины и способа деформации. Проведен анализ основных факторов, определяющих эти параметры и характеристики упругонапряженного состояния в зонах высокой кривизны кристалла.

Методами теории функционала плотности проведено теоретическое изучение сорбции водорода в интерметаллических сплавах B2-TiMe (Ме=Ni, Co, Pd) с симметричной границей наклона Е5 (310) и поверхностью (310). Анализируется влияние водорода на электронные характеристики сплавов в зависимости от позиции сорбции на границах раздела. Показано, что энергия сорбции водорода зависит от его локального окружения, но в целом водород на границах раздела предпочитает позиции, обогащенные титаном, тогда как энергия сорбции водорода в позициях, обогащенных металлом, уменьшается с заполнением электронами d-оболочки второго компонента сплава. Проведены расчеты зернограничных и поверхностных энергий, а также энергий сегрегации водорода к границам раздела. Показано, что сорбция водорода в сплавах титана приводит к уменьшению работы Гриффится и способствует хрупкому разрушению по границам наклона.

На основе уравнений полевой теории дефектов рассмотрены закономерности распространения плоских гармонических в однородных средах с дислокациями и при наличии границ раздела. Определены коэффициенты отражения преломления волн смещений и волн поля дефектов, характеризуемого тензором плотности дислокаций и тензором плотности потока дислокаций. Проанализированы зависимости полученных величин от параметров граничащих сред.

На основе уравнений полевой теории дефектов, описывающей динамику дислокационного континуума, исследованы закономерности прохождения плоских гармонических волн через слой вязкоупругих и упруго-вязкопластических сред с дислокациями. Определены коэффициенты отражения и преломления слоя для волн смещений и волн поля дефектов, распространяющихся в изучаемых средах. Проанализированы зависимости найденных коэффициентов отражения и преломления слоя от параметров контактирующих сред и его толщины. Найдены соотношения, определяющие экстремальные значения отражательной способности от толщины слоя.

Обобщены результаты электронно-микроскопических исследований структурных состояний с высокой кривизной кристаллической решетки, формирующихся в широком классе металлических материалов в различных условиях интенсивной пластической деформации: прокатка, равноканальное угловое прессование, механическая активация в планетарных шаровых мельницах и кручение на наковальнях Бриджмена. Выделено два типа таких состояний: субструктура с упругопластической кривизной кристаллической решетки десятки градусов на мкм, формирующаяся в процессе накопления высокой плотности избыточных дислокаций одного знака, и состояние с упругой кривизной кристалла до нескольких сотен градусов на мкм в нанообъемах размерами несколько нанометров. Проведен анализ условий формирования этих состояний, особенностей их эволюции и роли в реализации различных механизмов пластической деформации и формирования нанокристаллических структур.

Методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии исследованы механизмы деградации тонких пленок в процессе термического отжига. Выявлены основные факторы, оказывающие влияние на развитие процессов массопереноса в многослойных структурах при повышенных температурах. Показано, что кривизна поверхности и внутренних границ раздела является движущей силой массопереноса, обусловливающего распад тонких пленок, перераспределение легирующих элементов и образование силицидов.

В работе исследованы особенности локализации разрушения композита «стальная основа - боридное покрытие» при растяжении. Краевая динамическая задача в постановке плоской деформации решается численно методом конечных разностей. Криволинейная граница раздела «подложка - покрытие» соответствует экспериментально наблюдаемой и задается в расчетах явно. Определяющие соотношения учитывают упругопластическую реакцию стальной подложки с изотропным упрочнением и хрупкое разрушение покрытия. Выявлена стадийность процесса пластического течения. Показано, что локализация напряженного состояния на третьей стадии развивается в нелинейном режиме. Установлено, что место разрушения зависит от прочности покрытия.

Изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов блочной среды на ее деформационный отклик при динамических воздействиях. Показано, что приведенная величина сдвигового напряжения и среднее напряжение являются основными факторами, определяющими деформационный отклик границы раздела. Для аналитического описания зависимости величины инициированного необратимого смещения на границе от приведенного сдвигового напряжения предложено использовать логистическую функцию, центральная точка которой соответствует переходу от квазиупругой к квазипластической стадии сдвигового деформирования межблочной границы. Показана значимость полученных эмпирических зависимостей для понимания закономерностей накопления необратимых деформаций во фрагментах разломных зон и, в частности, для развития предложенного ранее авторами подхода к оценке характерного уровня действующих сдвиговых напряжений на отдельных участках тектонических разломов.

The mechanisms of propagation of oblique plane harmonic waves through the interface of Voigt and Maxwell viscoelastic media were studied in the context of field theory of defects which describes dislocation continuum dynamics. The defect field waves structure for different displacement wave polarizations was determined. Analytical expressions were derived for the reflection and refraction coefficients of displacement waves and defect field waves propagating in the media. The dependences of Fresnel coefficients on the incidence angle of a primary wave and parameters of the contacting media were analyzed.

Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии исследованы закономерности разрушения покрытий SiAIN на подложках Cu при одноосном растяжении. Показано, что скалывание покрытий происходит в зонах локальной кривизны границы раздела «SiAIN - Cu», образующихся в результате скольжения дислокаций в подложке. Предварительная ионная бомбардировка подложки позволяет подавить выход дислокаций на границу раздела «покрытие - подложка», а также повысить адгезионную прочность покрытий и предотвратить их краевое отслоение. В то же время возникающая в результате ионной бомбардировки волнистая граница раздела «покрытие - подложка» приводит к появлению нормальных к ней напряжений, которые обусловливают коробление и скалывание покрытий в областях положительной локальной кривизны границы раздела.

В рамках известной задачи отражения упругих волн при падении на свободную поверхность и жесткую границу раздела получены аналитические выражения, определяющие коэффициенты отражения. Найденные коэффициенты отражения позволяют проанализировать зависимости различных компонент деформации и поворота при отражении упругих волн от свободной поверхности и жесткой границы раздела в случае идеального контакта и возможного проскальзывания от угла падения волны и упругих параметров среды. Рассмотрены особенности деформаций упругих сред на исследуемых границах раздела для падающих продольных и поперечных волн.

The paper studies how the stress state of the interface between structural elements in a block-structured medium affects its deformation response to dynamic loading. It is shown that the normalized shear stress and mean stress are the major factors that determine the deformation response of the interface. We propose to describe the dependence of the value of induced irreversible displacement at the interface on the normalized shear stress using a logistic function. The central point of this function is the point of transition from the quasi-elastic to quasi-plastic stage of the interface shear deformation. The obtained empirical dependences are important for understanding the mechanism of irreversible strain accumulation in fault zone fragments and, particularly, for the development of an earlier proposed approach to estimate the characteristic level of active shear stresses in separate tectonic fault regions.