Рассматривается базовый этап процесса имплантации в виде протягивания одномерного протезирующего (фиксирующего, диагностирующего) элемента через отверстие в биоткани. Разработанная механико-математическая модель описывает взаимодействие данного имплантата с биотканями в условиях сцепления и проскальзывания контактирующих поверхностей. Получены расчетные зависимости для удлинения имплантата и максимального значения интенсивности тензора напряжений в прилегающих объемах материала, позволяющие получить теоретическую оценку фрикционно-механических характеристик одномерных имплантатов и определить их травмирующее воздействие.

Приведены результаты изучения потребности населения в России при наличии дефектов зубочелюстной системы в ортопедической помощи на зубных имплантатах. Показано, что потребность населения в ортопедической помощи крайне высока во всех возрастных группах. Описана технология получения заготовок титана ВТ1-0 с объемной наноструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства. Выполнено сравнение механических свойств наноструктурного титана со свойствами крупнокристаллического аналога и титановых сплавов медицинского назначения. Описаны новые результаты разработки новых конструкций дентальных винтовых внутрикостных имплантатов из высокопрочного наноструктурного титана с резорбируемым кальций-фосфатным покрытием, обеспечивающим высокую степень остеоинтеграции имплантата с костной тканью.

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.

Исследованы структура, механические и коррозионные свойства, закономерности развития процессов усталости и микродеформации наноструктурного нелегированного титана, полученного воздействием интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования. Определены оптимальные режимы термомеханических обработок, обеспечивающие в наноструктурном титане комплекс физико-механических свойств, позволяющих рекомендовать наноструктурный титан для использования его в качестве медицинских имплантатов и материала для протезов.

Методами потенциодинамической поляризации, импедансной спектроскопии и анализа кривых травления исследовано электрохимическое поведение крупнокристаллического и наноструктурированного титана в различных средах. Установлено, что в растворе Рингера-Локка при 37 гр.С скорость растворения наноструктурированного титана увеличивается по сравнению с крупнокристаллическим, что обусловлено более дефектной структурой слоя естественного оксида на поверхности наноструктурированного титана и меньшим поляризационным сопротивлением. Показано, при травлении в смеси плавиковой и серной кислот для наноструктурированного титана преимущественно наблюдается механизм локального разрушения, а для крупнокристаллического - общего равномерного стравливания, что существенно проявляется в интервале 40-75 гр.С.

Выполнено исследование влияния дорекристаллизационных отжигов на микроструктуру и механические характеристики наноструктурного титана, полученного методом многократного одноосного прессования и последующей прокатки. Показано, что сформированная микроструктура обеспечивает высокие механические характеристики наноструктурного титана (предел прочности при растяжении составил 1160 МПа, предел текучести — 1100 МПа), соответствующие титановым высокопрочным сплавам. Отжиг при 250 °С не меняет наноструктурное состояние титана и его прочностные характеристики и увеличивает пластичность до 6 % при растяжении.

Предложена модель диффузионного взаимодействия имплантата с многослойным покрытием и физиологического раствора. Эта модель представляет собой сопряженную задачу многокомпонентной диффузии. Принято условие малости коэффициентов диффузии в твердой фазе по сравнению с жидкостью, что позволило пренебречь распределением концентраций элементов в физиологическом растворе. Проанализированы частные варианты модели. Определены поля концентраций в твердой фазе и среднее содержание концентраций в растворе в различные моменты времени при варьировании параметров модели. В реальной ситуации варьирование коэффициентов диффузии достигается за счет изменения состава покрытий.????.

Методами потенциодинамической поляризации, электрохимической импедансной спектроскопии и кривых травления исследовано электрохимическое поведение наноструктурированного титана без покрытия и с кальцийфосфатным покрытием в различных средах. Показано, что кальцийфосфатные покрытия на поверхности наноструктурированного титана защищают металл от коррозии.

В сборнике содержатся результаты экспериментальных исследований и численного моделирования ряда прикладных задач высокоскоростных соударений ударников с различными преградами. для условий взаимодействия ударников с мягкими преградами типа грунта и воды значительное внимание уделено вопросам определения сил, действующих на ударники в нестационарной стадии процесса, развитию лабораторных методики определения динамических характеристик грунтов. В задачах воздействий ударников на жесткие металлические преграды представлены результаты определения параметров динамики деформирования и разрушения преград и ударников, влияния на них прочностных свойств материалов. В большинстве работ сборника сочетаются расчетные и опытные данные. Сборник может быть полезен для инженеров, научно-технических работников и студентов, изучающих вопросы высокоскоростных соударений твердых тел, динамики и прочности конструкций.

В работе на основе метода подвижных клеточных автоматов проведено изучение влияния конструкционных изменений эндопротеза тазобедренного сустава человека на деформационные и прочностные свойства, а также динамику генерации и развития повреждений в системе «сустав – эндопротез – бедренная кость». Структура протеза модифицировалась введением в шейку демпфирующих включений и нанесением покрытия на ножку имплантата. Рассматривался материал включения с различными диссипативными характеристиками. Показано, что наличие таких включений практически не изменяет прочность системы, но при этом ведет к заметному увеличению предельной деформации структуры «кость – протез», а также оказывает влияние на динамику зарождения и развития повреждений в костной ткани.??.

Анализируется математическая модель электронно-лучевой наплавки покрытия, в которой частицы, поступающие в ванну расплава, считаются нерастворимыми. На основе результатов определения полей температуры и доли частиц оцениваются характеристики ванны расплава и зоны термического влияния, а также механические свойства формирующегося покрытия. Показано, что перемешивание частиц в ванне расплава может оказаться существенным для их распределения в покрытии при увеличении мощности источников тепла и массового расхода.

Предложена методика оценки прочностных свойств пористого керамического покрытия. Подход основан на анализе результатов предварительных тестов по индентированию покрытия с дефектами различного размера и глубины залегания. Исследования проведены с помощью компьютерного моделирования в рамках совмещения методов дискретного подхода (метод подвижных клеточных автоматов) и континуального описания (метод конечных разностей). Найдены соотношения, связывающие такие параметры поры, как длина и глубина ее залегания в покрытии, с критическими напряжениями, соответствующими разрушению покрытия. Предложенный подход может быть использован для исследования прочностных свойств поверхностных слоев материалов и прогнозирования критических напряжений в области контакта.

Большая длительность (до 7-10 лет) и высокие финансовые затраты современных экспериментальных подходов к формированию энергетических и эксплуатационных свойств материалов для изделий ракетно-космической техники стимулируют более активное использование методов физического моделирования и компьютерных технологий их реализации. В сообщении анализируются перспективы и способов применения этих методов для решения задачи формирования механических характеристик указанных высокоэнергетических материалов. В качестве теоретической базы используются принципы механики структурно-неоднородных сред. Формулируется физическая постановка и дается характеристика объекта исследований.

Сообщение является продолжением работы и посвящено проблеме совершенствования технологии формирования механических характеристик высокоэнергетических наполненных полимерных систем (ВНПС) с использованием активно развивающихся методов физического и математического моделирования, позволяющих установить взаимосвязь рецептурного состава и структурных параметров с реализованными эксплуатационными характеристиками.

В работе проведено теоретическое исследование влияния содержания и характера распределения частиц включений-агломератов мягкой фазы в основе керамического композитного образца на его прочностные и деформационные характеристики. Для этого с использованием метода подвижных клеточных автоматов моделировалось одноосное сжатие двумерных образцов композитного материала с равным соотношением сторон. Установлено, что прочностные и деформационные свойства генерируемых композитов нелинейно уменьшаются с ростом объемного содержания включений. Показано, что средний размер включений-агломератов при сохранении объемной доли частиц мягкой фазы оказывает слабое влияние на прочностные и деформационные свойства моделируемых образцов. Полученные результаты теоретического исследования могут быть полезными при разработке новых керамических материалов, например композитных керамик, сохраняющих постоянство размера при температурных изменениях.

The paper is a theoretical study into the influence of the content and distribution of soft-phase inclusion agglomerates in the matrix of a ceramic composite specimen on its strength and deformation properties. The movable cellular automata method was used to simulate uniaxial compression of two-dimensional composite material specimens with an aspect ratio of 1:1. It is found that the strength and deformation properties of the generated composites decrease nonlinearly with the growing volume fraction of inclusions. The average size of inclusion agglomerates at the same volume fraction of the soft-phase particles slightly affects the strength and deformation properties of the simulated specimens. The obtained theoretical results can be used to develop new ceramic materials, such as composite ceramics with dimensions preserved at varying temperature.

Plastic flow localization in commercially pure titanium (VT1-0 according to the Russian classification) with the surface modified by low-energy high current electron beams has been numerically studied. The structure and mechanical properties of the modified surface layer and titanium substrate correspond to the experimentally observed ones and are taken into account explicitly as initial data of a dynamic boundary value problem. The tension of titanium structures with a modified surface layer is simulated by the finite difference method in a plane strain formulation. The dependence of the plastic strain localization parameters on the mechanical properties of structural elements in the titanium substrate has been determined.Численно исследованы процессы локализации пластического течения в технически чистом титане ВТ1-0, поверхностно модифицированном низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Структура и механические свойства модифицированного поверхностного слоя и титановой подложки соответствуют экспериментально наблюдаемым и учитываются в расчетах явно в качестве начальных данных краевой динамической задачи. Растяжение структур титана с модифицированным поверхностным слоем моделируется методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Установлена зависимость характеристик локализации пластической деформации от механических свойств элементов структуры титановой подложки.

A multilevel approach is used to numerically investigate physical and mechanical properties of titanium-based bcc alloys and their behavior under conditions identical to selective laser sintering. Elastic properties of beta-Ti-Nb alloy are calculated within the first principles approach. An algorithm is proposed and tested to optimize the calculations and reduce their number by more than 5 times. A molecular dynamics method is employed to study structural changes of titanium and niobium powder particles during sintering and to calculate adhesion characteristics of nanoparticles of the produced alloy depending on the external action. The simulation results are in good agreement with the known experimental data and can be used as input data both for numerical models of a higher spatial scale and for the optimization of production parameters of titanium alloys by additive technologies.В работе с использованием многоуровневого подхода проведено численное исследование физико-механических свойств ОЦК-сплавов на основе титана и изучено их поведение в условиях идентичных селективному лазерному спеканию. В рамках первопринципного подхода вычислены упругие свойства бета-сплава Ti-Nb. Предложен и апробирован алгоритм оптимизации расчетов, позволивший сократить объем вычислений более чем в 5 раз. С использованием метода молекулярной динамики исследовано изменение структуры частиц порошка титана и ниобия в процессе плавления и рассчитаны адгезионные характеристики наночастиц образовавшегося сплава в зависимости от условий внешнего воздействия. Результаты моделирования хорошо коррелируют с известными экспериментальными данными и могут быть использованы в качестве входных данных для численных моделей большего пространственного масштаба, а также для оптимизации параметров процесса получения титановых сплавов с использованием аддитивных технологий.

В книге рассказывается о быстро развивающейся области - физике кластеров, возникшей на стыке таких наук как молекулярная и атомная физика, физика конденсированных сред, химия атомов и молекул, молекулярная биология и биохимия. Важность и актуальность введения в проблемы, возникающие в этой области, ясный и вместе с тем строгий стиль изложения несомненно обеспечат ей успех у широкого круга читателей. Книга содержит много рисунков и схем, а также задачи к каждой главе, делающей ее ценным учебным пособием - первым в мировой литературе, посвященным столь широкой междисциплинарной области знания. Она будет полезна студентам, аспирантам, а также в качестве справочного пособия специалдистам, работающим в разных разделах науки.

Представлена модель разрушения сферолитов в процессе растворения макрообразца. Проведена оценка времени достижения критических напряжений, приводящих к разрушению сферолита.

Разработаны принципиально новые композиционные покрытия, состоящие из трехмерных капиллярно-пористых (ТКП) плазменных титановых покрытий и биоактивных керамических (БК) покрытий, формируемых микродуговым оксидированием. Композиционные покрытия предназначены для использования на поверхности внутрикостных тазобедренных имплантатов. Сочетание ТКП с открытой макропористостью в виде впадин и биоактивного покрытия способствует формированию сравнительно высокой (до 75%) объемной доли костной ткани на поверхности имплантата, что свидетельствует о высоких остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойствах разработанных композиционных покрытий.

Проведено исследование влияния числа импульсов п воздействия низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП) микросекундной длительности на фазовый состав и топографические характеристики поверхности, а также микротвёрдость поверхностного слоя сплава TiNi. Сделана оценка средней шероховатости поверхности образцов TiNi после электронно-пучковых обработок с различным числом импульсов воздействий. Установлено, что с увеличением числа импульсов воздействия НСЭП более п = 20 поверхность образцов TiNi выглаживается, освобождается от включений и вместе с тем сохраняет интегральные физикомеханические характеристики, близкие к исходным в сплаве TiNi до облучения.??.

Предложена термомеханическая модель, основанная на физических представлениях о движении континуума дислокаций, а также модель зарождения и распространения пластических сдвигов для описания "медленных" течений типа полос Людерса. Проведены двумерные расчеты распространения полос Людерса при различных скоростях и температурах деформирования образца из стали марки HSLA-65 при сжатии. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Исследовано влияние постоянного магнитного поля на реологические свойства и температуру застывания ряда высокопарафинистых нефтей. Установлено, что реологическое поведение нефти в магнитном поле зависит от содержания парафиновых углеводородов, смол и асфальтенов. Для высокопарафинистых нефтей с повышенным содержанием нейтральных смол при воздействии магнитного поля отмечено увеличение, а для высокопарафинистых нефтей с повышенным содержанием кислых смол - снижение основных реологических параметров. Определена энергия активации вязкого течения и установлена зависимость скорости восстановления реологических свойств магнитообработанных нефтей различного состава от параметров магнитной обработки и от соотношения содержания парафиновых углеводородов и смолистоасфальтеновых компонентов.

Численно моделируется взаимодействие одно- и двухслойных пластин с компактным ударником пз изотропной стали. Материал пластин - ортотропный органопластик. Благодаря реализованному в программе пересчету тензоров упругих постоянных тензоров прочности моделируется поведение конструкций, содержащих несколько элементов, выполненных из анизотропных материалов с различной оринентацией осей симметрии относительно расчетной системы координат. Поведение ортотропного материала описывается упруго-хрупкой средой с использованием критерия прочности второго порядка, предложенного Ву, позволяющим учитывать различные прочностные характеристики органопластика на растяжение и сжатие. Для различных скоростей соударения исследовано влияние ориентации свойств материала на разрушение пластин и кинематические параметры ударника.

Дан краткий обзор основных идей и выводов нелинейной динамики, на основе которых анализируются возможности «иерархического моделирования». Центральные проблемы при выполнении такого моделирования видятся: 1) в нахождении путей и методов анализа общих свойств решений соответствующих нелинейных динамических уравнений механики сплошных сред в контексте основополагающих идей синергетики; 2) в установлении «генетического кода» организации пространственно-временных иерархий, рождающихся в нагружаемых материалах и средах. Утверждается, что нелинейные уравнения механики сплошных сред с релаксационными определяющими уравнениями (т.е. эволюционными уравнениями) для описания скоростей пластической деформации, накопления повреждений и разрушения, с положительными и отрицательными обратными связями между параметрами являются самодостаточными для выполнения иерархического моделирования. В общем случае это нелинейные уравнения смешанного типа, которые содержат как гиперболические, так и параболические решения. Их потенциальные возможности описывать эволюцию нагружаемых прочных сред по сценарию синергетики колоссальны и практически не изучены.

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.

Обнаружена неоднородность распределения физических и механических свойств (скорости ультразвука, твердости и ударной вязкости) в горячекатаной листовой стали 09Г2С, связанная с неравномерным протеканием процессов деформации и рекристаллизации в различных участках листа. Эффект выражен сильнее при пониженных температурах конца прокатки, определены корреляционные уравнения, связывающие указанные свойства, и обосновано применение измерений скорости ультразвука для оценки механических характеристик.

Предлагается физическая и математическая модель, позволяющая конструировать функционально градиентные материалы, в том числе и пористые, исследовать их деформирование и разрушение при интенсивных импульсных нагрузках. На основе развиваемых в работе представлений, базирующихся на теории мезоскопических явлений академика В. Е. Панина, проведено численное исследование особенностей распространения ударных волн и трансформации энергии падающего импульса в материалах с градиентным распределением физико-механических свойств. Проведены тестовые расчеты по оценке достоверности изложенной модели.

Рассмотрены закономерности пространственного распределения вязких парафинистых нефтей по нефтегазоносным бассейнам России и Казахстана, обладающим наибольшими ресурсами подобной нефти на территории Евразии. Проведен сравнительный анализ физико-химических и реологических свойств исследуемой нефти на основе информации из базы данных физико-химических свойств нефти ИХН СО РАН, необходимый для совершенствования геохимических методов поиска месторождений, определения оптимальных технологий добычи и транспортировки такого сырья.

Изучены реологические и поверхностные свойства полимерных композиций на основе водных растворов поливинилового спирта, карбоксиметилцеллюлозы или полиакриламида с наполнителями на базе возобновляемого природного сырья.

Методом холодного прессования и последующего вакуумного спекания смесей порошков алюминия и железа получены алюминиевые сплавы, которые представляют собой алюминиевую матрицу, содержащую от 40 до 80 об.% интерметаллидов FtAl3. Высокотвердая вторая фаза в зависимости от ее содержания находится в матрице в виде отдельных включений или образует непрерывный каркас. Определены пористость, прочностные свойства, коэффициент трения и несущая нагрузка сплавов при различных режимах трения в контакте с закаленной сталью.

Изучено влияние хлорида натрия и технического углерода (сажи) на механические и теплофизические свойства криогелей и пенокриогелей, полученных из гомогенных и гетерогенных (вспененных) растворов поливинилового спирта.

Рассмотрены закономерности пространственного распределения парафинистых нефтей по нефтегазоносным бассейнам мира, проведен сравнительный анализ их физико-химические и реологические свойства по данным России, Казахстана, Китая для совершенствования геохимических методов поиска месторождений, определения оптимальных технологий добычи и транспортировки такого сырья.

Изучено влияние способа введения и концентрации железа на кислотные свойства цеолита, а также на его каталитическую активность и стабильность в процессе конверсии метанола в углеводороды. Показано, что состояние активных центров в цеолите определяется распределением металла в его структуре, зависящим от способа модификации цеолита. Установлено, что при добавлении железа в цеолит повышается длительность межрегенерационного цикла катализатора, а наибольшей каталитической стабильностью характеризуются образцы, в которые железо введено на стадии гидротермального синтеза.

Синтезированы железосодержащие высококремнеземные цеолиты со структурой пентасил с использованием в качестве структурообразующей добавки бикарбоната аммония. Показано, что с увеличением концентрации железа в цеолите происходит снижение его степени кристалличности и повышения доли побочной фазы. изучено влияние содержания железа на физико-химические и каталитические свойства цеолита в процеccах превращения метанола и прямогонной бензиновой фракции нефти. Установлено, что введение железа в каркас цеолита приводит к снижению его кислотности и повышению в продуктах реакции концентрации алкенов и алканов изостроения. Определено оптимальное содержание модифицирующей добавки в цеолите, при котором стабильность работы катализатора достигает максимального значения.

В условиях гидротермального синтеза получены образцы галлоалюмосиликатов, различающиеся содержанием решеточных атомов алюминия и галлия. Исследовано влияние концентрации галлия в галлоалюмосиликате на кислотные и каталитические свойства в ароматизации низших алканов, а также на дезактивацию катализатора вследствие зауглероживания.

Изучены кислотные и каталитические свойства цеолита семейства пентасила, содержащего наноразмерные порошки металлов Pt, Zn и Ni, полученные методом электрического взрыва проволок в среде аргона, в процессах ароматизации низших алканов и облагораживания прямогонной бензиновой фракции нефти.

Исследовано влияние термопаровой обработки высококремнеземных цеолитов (ВКЦ), модифицированных цинком и галлием, на их кислотные и каталитические свойства в ароматизации низших алканов С3-С4. Введение модифицирующих добавок галлия и цинка в Н-ВКЦ увеличивает активность и селективность цеолитсодержащих катализаторов в образовании ароматических углеводородов. Показано, что термопаровая обработка приводит к частичному деалюминированию цеолита, снижению протонодонорной способности и концентрации кислотных центров, а в продуктах реакции снижается содержание ароматических углеводородов, особенно полициклических углеводородов, и увеличивается концентрация низших олефинов.