Мы представляем теоретическое исследование, c использованием метода погруженного атома, атомных и колебательных свойств поверхностного сплава Al(001)–c(2x2)–Na, формирующегося на поверхности Al(001) при низко- и высокотемпературной адсорбции 0.5 ML атомов щелочного металла. Обсуждаются результаты расчета поверхностной релаксации и локальная плотность колебательных состояний, которые находятся в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными и первопринципными расчетами для поверхностного сплава Al(001)–c(2x2)–Na.

С помощью метода погруженного атома проведены расчеты колебательных спектров для поверхности Al (111). В работе обсуждаются релаксация поверхности, дисперсия поверхностных фононов, локальная плотность поверхностных состояний, а также поляризация колебательных мод адатомов и атомов подложки. Полученные теоретические результаты хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными и могут быть использованы для их интерпретации.

С использованием межатомных потенциалов взаимодействия, полученных в приближении погруженного атома, проведено исследование релаксации поверхностей с низкими и высокими индексами Миллера ГЦК-металлов Al и Pb. Рассчитана величина изменения межплоскостных расстояний и установлена ее взаимосвязь с плотностью упаковки и ориентацией поверхности. Вычислен вклад энергии релаксации в поверхностную энергию.

Представлены результаты теоретического исследования атомной и фононной структуры сверхтонкой пленки Pb на поверхности Al( 100). Обсуждаются поверхностная релаксация, локальная плотность колебательных состояний и поляризация фононных мод адатомов и атомов подложки. Показано, что адсорбция Pb приводит к осциллирующей релаксации поверхности подложки и появлению коробления структуры в подповерхностных слоях. Сравнительный анализ колебательных характеристик чистой поверхности подложки и поверхности в присутствии адатомов показал, что адсорбционное взаимодействие в системе и ее динамическая устойчивость определяются новыми колебательными модами, не свойственными чистым поверхностям Al и Pb.

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

Исследованы процессы прямого взаимодействия электровзрывных ультрадисперсных порошков алюминия с водой и свойства образующихся оксидно-гидроксидных фаз в зависимости от условий их последуцющего прокаливания. На основе результатов рентгенофазового, термогравиметрического анализа и электронной микроскопии рассмотрен механизм формирования ультрадисперсных оксидно-гидроксидных фаз алюминия. Приведены сведения о некоторых возможных областях применения полученных продуктов.

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.

В рамках метода погруженного атома проведены расчеты релаксации, поверхностной энергии и колебательных состояний для поверхностей (100) и (110) лития и натрия. Сравнение с результатами других работ показывает, что в отличие от последних метод погруженного атома приводит к увеличению первого межслоевого расстояния. Полученные величины поверхностной энергии согласуются с известными экспериментальными данными и результатами других расчетов. Показано, что величина поверхностной энергии слабо зависит от релаксации поверхности. Истинные и резонансные поверхностные состояния обнаружены на всех рассматриваемых поверхностях. Установлено, что в случае поверхности типа (110) релаксация практически не влияет на колебательную структуру поверхности. Более заметное влияние релаксации наблюдается для поверхности типа (100). Показано, что колебательные структуры однотипных поверхностей лития и натрия подобны.

С использованием потенциалов, полученных методом погруженного атома, проведены расчеты равновесной атомной структуры и фононных спектров субмонослойной (тета = 0.5 монослоя) пленки Ni, осажденной на поверхность Cu(100). Рассматриваются атомная релаксация, распределение плотности колебательных состояний на атомах Ni и подложки, а также поляризация колебательных мод. Обсуждается изменение фононного спектра при сегрегации атомов Cu на поверхности пленки. Показано, что смешивание колебаний адатомов Ni с колебаниями атомов подложки происходит во всем диапазоне частот, приводя к частотному сдвигу колебательных мод подложки и появлению новых колебательных состояний, не свойственных чистой поверхности. Структура Cu(100)-c(2 х 2)-Ni является динамически более стабильной при помещении в подповерхностный слой подложки.

Исследовано влияние слабых электрических потенциалов на процесс релаксации напряжений при различных начальных напряжениях. Установлено, что максимальный эффект влияния потенциала приходится на начальное напряжение ниже предела текучести.

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

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

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

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

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

Обобщены данные по термодинамическим и кинетическим свойствам медьсодержащих металлических расплавов: теплоте и свободной энергии образования сплавов, активности компонентов, растворимости кислорода. коэффициентам диффузии, вязкости, электропроводности, а также поверхностному натяжению и плотности. Справочник предназначен для научных и инженерно-технических работников, занимающихся физической химией металлических расплавов, а также вопросами теории и практики металлургических процессов.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн изучено взаимодействие водорода с B2-TiMe (001) (Me = Fe, Ni, Pd) и PdTa (001) поверхностями. Анализируются адсорбционные свойства поверхностей сплавов. Обсуждаются изменения электронной структуры, вносимые палладиевым покрытием в поверхностные слои B2-TiMe (001). Предлагается микроскопическое объяснение локальной поверхностной активности.??.

Исследованы поля дисторсий при формоизменении аморфных, объемно- и гранецентрированных металлов и сплавов при различных условиях нагружения. Показано, что при стационарном режиме деформирования развитие пластического течения носит волновой характер.

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

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.

Методами оптической металлографии исследована зеренная структура упорядоченных сплавов Ni3Mn, Ni3Fe и интерметаллида Ni3Al, различающихся величиной энергии дефекта упаковки и энергии антифазных границ. Обнаружено, что в интерметаллиде Ni3Al с наибольшей энергией дефекта упаковки (215 эрг/см2) среднее число специальных границ а зернах, ограниченных границами общего типа, наименьшее и составляет 0,2, тогда как в упорядоченных сплавах Ni3Mn и Ni3Fe среднее число таких границ близко к 1. По тройным стыкам проведены оценки относительной энергии специальных границ. Обнаружено, что доля низкоэнергетических специальных границ (когерентных двойников) от общего числа специальных границ имеет максимальное значение (0,8) в сплавеNi3Mn, энергия дефекта упаковки и энергия антифазных границ которого имеет минимальное значение в ряду исследованных сплавов (57 и 75 эрг/см2 соответственно). При анализе результатов использованы представления о структуре специальных границ в упорядоченных сплавах, согласно которым в границах зерен возникают антифазные границы и энергия границ возрастает на величину, равную энергии антифазных границ, по сравнению с разупорядченным сплавом. В сплаве с более низкой энергией дефекта упаковки (Ni3Mn) возможно существование специальных границ без антифазных границ.

В данной работе приведено описание метода точных МТ-орбиталей (ТМТО) и проведено исследование его применимости для моделирования термодинамических и механических свойств чистых компонентов сплавов на основе Ti и Zr. Проведены расчёты полных энергий Ti, Zr, Nb, V, Mo и Аl в гранецентрированной кубической (ГЦК), объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурах. Рассчитаны теоретические значения параметров решётки, упругие постоянные и уравнения состояния. Во всех случаях расчёты методом ТМТО предсказывают правильную структуру основного состояния. Для стабильных структур проведено сравнение полученных результатов с экспериментом и с расчётами полнопотенциальными методами.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упругодеформируемый плоский образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Обнаружены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильнодеформированных металлических материалов. Подчеркивается необходимость учета найденных закономерностей интенсивной пластической деформации в описании поведения твердых тел в экстремальных условиях нагружения, наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

Исследован элементный состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев никеля и титана, легированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на ионно-плазменном, вакуумно-дуговом источнике "Радуга-5". Установлено, что происходит формирование ионно-легированных слоев толщиной до 1000 нм (Ni) и 2000 нм (Ti) в процессе ионной имплантации. Показано, что поверхностные модифицированные слои содержат наноразмерные (средний диаметр 20-70 нм) интерметаллидные фазы Me3Al, MeAl (Me=Ni, Ti) и твердые растворы переменного по глубине состава, соответствующие равновесным диаграммам состояния систем Ni-Al и Ti-Al. Обнаружено, что увеличение дозы облучения титановых мишеней ионами алюминия приводит к росту толщины ионно-легированного слоя и среднего размера зрен интерметаллидных фаз. Установлена обща закономерность в локализации фаз, сформированных в процессе имплантации, по глубине легированных слоев металлов. Поверхностные слои содержат несколько многофазных зон, количество фаз в которых уменьшается по мере удаления о облучаемой поверхности. Область, содержащая интерметаллиды Me3Al, MeAl и наиболее близко расположенная к поверхности, способствует улучшению физико-механических свойств материалов.

Методами ОЭС, ПЭМ и рентгеновского фазового анализа исследован элементный состав, морфология и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя титана, имплантированного ионами алюминия. Установлено, что в имплантированном слое толщиной 2.6 мкм со структурой твердого раствора алюминия в титане образуются мелкодисперсные (-70 нм) фазы интерметаллидов Ti3Al и TiAl, которые могут объединяться в конгломераты размером до 584 нм, а также соединения состава TiAl3. Модифицированный поверхностный слой ионо-имплантированного титана характеризуется повышенными физико-механическими свойствами.

Исследованы мезоскопические масштабные уровни пластической деформации поверхностных слоев поликристаллов свинца, его сплавов с малорастворимыми элементами, алюминия и титана при знакопеременном изгибе. Обнаружены новые механизмы пластического течения на мезоуровне: расслоение материала в зонах стесненной деформации на ламели и их взаимное смещение (свинец и его сплавы), самосогласованное гофрирование поверхностного слоя в иерархии мезомасштабных уровней деформации (алюминий), аномально большие вертикальные смещения мезоблоков поверхностного слоя с формированием двухуровневой клеточной структуры (титан с наводороженным поверхностным слоем). На основе многоуровневого подхода делается заключение, что механизмы деформации поверхностных слоев твердых тел на мезоуровне при знакопеременном изгибе определяются самосогласованием поворотных мод деформации в поверхностных слоях и «шахматным» распределением нормальных и касательных напряжений на границе раздела «поверхностный слой – подложка».

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

В рамках метода модельного функционала электронной плотности в предложенной схеме расчета многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия рассчитаны термодинамические характеристики основного состояния упорядоченных и разупорядоченных фаз системы Ni-Al, в том числе сложных структур некубической симметрии. Проведенные расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными и позволяют объяснить закономерности образования сплавов в этой системе.

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

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

Обнаружена кордовая и твидовая структуры на поверхности фольг высокочистых поликристаллов алюминия, жестко закрепленных на образцах алюминиевого сплава при усталостных испытаниях при комнатной температуре.

Изучено деформационное поведение при растяжении субмикрокристаллического титанового сплава Ti–6Al–4V с различным содержанием водорода при температурах 293, 923 и 973 K. Установлено, что легирование водородом в количестве 0.08...0.33 мас. % повышает устойчивость сплава к локализации деформации на макроуровне при комнатной температуре и понижает при температурах 923 и 973 K. Обсуждаются возможные причины снижения устойчивости сплава к локализации деформации на макроуровне в присутствии водорода.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методами равноканального углового и всестороннего прессования на структуру и фазовый состав алюминиевого сплава Al–Mg–Li. Изучены механические свойства и деформационное поведение исследуемого сплава при комнатной температуре. Проведен анализ причин существенного повышения прочностных свойств сплава после обработки методом всестороннего прессования по сравнению с материалом, полученным методом равноканального углового прессования.

Проведены сравнительные исследования влияния легирования водородом в количестве 0,002-0,24 масс. % на структуру, фазовый состав, деформационное поведение и характер разрушения при растяжении сплава Ti-6Al-4V в субмикрокристаллическом и крупнозернистом состояниях. Установлено, что формирование субмикрокристаллической структуры повышает устойчивость сплава к локализации деформации на макромасштабном уровне и сопротивление водородному охрупчиванию при комнатной температуре. Обсуждаются возможные причины повышения устойчивости сплава к локализации деформации на макромасштабном уровне в присутствии водорода.

Исследовали структурно-механические особенности пластической деформации фольг монокристалла алюминия {100}001, наклеенных на плоские образцы алюминиевого сплава, которые деформировали в режиме малоцикловой усталости. Установлено, что пластическая деформация начинается после латентного периода на лицевой поверхности и с ростом числа циклов нагружения распространяется через толщину фольги. Специфический поверхностный рельеф, образующийся на обратной стороне фольг алюминия, подобен рельефу, наблюдающемуся на лицевой поверхности фольг. Показано, что наиболее важной причиной зарождения пластической деформации на лицевой поверхности и распространения ее через всю толщину фольги является действие моментных напряжений, которые возникают в поперечном сечении фольги в результате внецентренного приложения нагрузки к фольге. Сделан вывод, что влияние моментных напряжений необходимо учитывать при нанесении на фольги защитных и функциональных покрытий, особенно при их значительной толщине и работе в условиях циклического растяжения.

Обобщены результаты исследования новых механизмов деформации и переориентации кристаллической решетки - механизмов прямых плюс обратных (по альтернативным системам) превращений мартенситного типа в металлических материалах (чистые металлы, аустенитные стали, сплавы на основе Ni3Al) с ГЦК-решеткой. Дан краткий обзор экспериментальных результатов, лежащих в основе разработки этих механизмов. Представлены атомные модели этих превращений. В рамках предложенных механизмов можно с единых позиций описать такие явления пластической деформации, как зарождение дислокаций, механическое двойникование и образование полос локализации деформации с высокоугловыми границами разориентации.

В работе рассмотрены физически обоснованные модели пластической деформации и разрушения. Иерархическое моделирование подразумевает явный учет внутренней структуры композита как возможности введения масштабного фактора, введение различных моделей механического поведения пластичных матриц и подложек, хрупких и квазихрупких включений и т.д. для описания разных физических процессов и их взаимовлияния. Проведена серия численных экспериментов по нагружению металлов и сплавов, которые используются в качестве подложки и матрицы при разработке материалов с покрытиями и композитов на металлической основе, в широком диапазоне температур и скоростей деформирования. Предложен критерий разрушения типа Хубера, который учитывает различия в критических величинах для разных типов локальных состояний: растяжение и сжатие. Исследованы процессы разрушения мезообъемов композита Al–Al2O3 и материалов, поверхностно упрочненных методами электронно-лучевой наплавки и диффузионного борирования, в том числе с градиентным подслоем. Показано, что комплексное механическое поведение композиции как целого контролируется взаимосвязанными процессами формирования полос локализованного сдвига в матрице/подложке и растрескивания включений/покрытий.

Исследовано влияние равноканального углового прессования на структуру, фазовый состав и проявление сверхпластичных свойств алюминиевого сплава 1421. Обсуждаются физические причины наблюдаемого после обработки вышеуказанным методом смещения температурного интервала проявления сверхпластичности в область более низких температур деформации и значительного уменьшения энергии активации истинного зернограничного проскальзывания, выявляемого методом внутреннего трения.

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

Изложены результаты по исследованию влияния ультразвуковой обработки на микро- и мезорельеф, микроструктуру и фазовое состояние поверхности материала с эффектом памяти формы на основе никелида титана. Методами микроиндентирования, оптической профилометрии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей туннельной микроскопии и позитронной аннигиляционной спектроскопии показано, что интенсивная пластическая деформация поверхностных слоев приводит к появлению мезорельефа, сильному (в 2–3 раза) упрочнению поверхностного слоя, его нанофрагментации и изменению фазового состава. В наноструктурном состоянии наблюдается высокая концентрация вакансий на границах зерен.

Для материалов, поверхностно упрочненных с целью повышения их усталостной прочности, предложен метод оценки эффективности упрочнения по результатам испытания образцов активным растяжением. Метод основан на характеристике самоорганизации структуры материала образцов с помощью параметров, которые выражают рост числа блоков, формирующих поверхностный фрактал на двух масштабных уровнях при активном растяжении, и сопоставлении полученных характеристик с результатами усталостных испытаний образцов. Характеристику самоорганизации структуры материала осуществляли с помощью фрактального анализа оптических изображений его поверхности. Показано, что параметр мезомасштабного уровня DeltaL2 имеет высокую чувствительность к режимам поверхностно упрочняющей обработки и может быть использован для оценки эффективности упрочнения.??.

Разработаны и методом порошковой металлургии изготовлены антифрикционные сплавы на основе алюминия, которые обладают достаточной пластичностью для калибровки спеченных подшипников скольжения и пригодны для упрочняющей термообработки. Технология производства самосмазывающихся подшипников апробирована в условиях промышленного производства на южнокорейском предприятии LuBo Industries Incorporation. В работе исследованы твердость, коэффициент трения, сопротивление износу и шероховатость подшипников и вала до и после трибологических испытаний.