АннотацияСчитается, что теплопроводность неметаллических, в том числе и алмазных материалов осуществляется в основном фононами. Однако в углеродных алмазоподобных пленках ситуация сложнее. Казалось бы, что в монофазных алмазных пленках фононный механизм теплопроводности очевиден. Однако множесвенность границ раздела и наличие большой концентрации водорода снижают коэффициент теплопроводности до 0,2 – 3,0 Вт/(мК) в алмазных пленах, то есть на три, четыре порядка по сравнению с теплопроводностью алмазного монокристалла. Лишь в микронных алмазных пленках коэффициент теплопроводности приближается к теплопроводности алмазного монокристалла. Сложность обоснования механизма теплопроводности в углеродных тонких (нанометровых) пленках заключается в особенностях структуры, представляющей собой фактически тонкопленочный композит из алмазоподобных и графитоподобных кластеров, размер которых составляет 0,5 – 1,0 нм. Таким образом, такой композит представляет собой совокупность областей, обладающих разными механизмами теплопроводности – в алмазоподобных кластерах действует фононный механизм, в графитоподобных кластерах преобладает электронный механизм переноса тепла. То есть на границе раздела наблюдается смена переноса тепла с фононного на электронный. Однако в углеродных алмазоподобных пленках границы раздела отсутствуют, алмазоподобные и графитоподобные кластеры связаны sp3- и sp2- связями, что сопровождается появлением локализованных электронных состояний в запрещенной зоне алмазоподобного кластера вплоть до ее полного заполнения. Фактически алмазоподобный кластер становится электропроводящим кластером. Такой эффект значительно усложняет механизм теплопроводности.

В работе проанализирована физическая природа гистерезиса, его связь с процессами релаксации микронапряжений и стабилизацией мартенситной фазы, а также влияние механической нагрузки на производство энтропии и диссипацию энергии. Был исследован деформационный гистерезис в циклах мартенситных превращений в сплаве Тi50Ni49,9Mo0,1 в условиях действия механических напряжений. Деформационный гистерезис свидетельствует о том, что при накоплении и возврате деформации в цикле мартенситных превращений осуществляется диссипация энергии, указывающая на протекание необратимых процессов. Несмотря на обратимый характер накопления и возврата деформации, в термодинамическом смысле эти процессы необратимы. При охлаждении и нагреве происходит рассеяние энергии, сопровождающееся производством энтропии из-за тепловых потоков на границах раздела. Важным фактором гистерезиса является производство энтропии при обратимых мартенситных превращениях. Энтропия производится как за счет необратимых процессов внутри системы, так и на поверхности раздела со средой. При циклировании мартенситных превращений наблюдается насыщение фазового наклепа, что приводит к уменьшению площади петли гистерезиса и ее стабилизации. Таким образом, после стабилизации гистерезис обусловлен только рассеянием тепла на внутренних границах и акустической эмиссией, вклад которой в рассеяние энергии мал и может быть не учтен. Снижение площади гистерезиса при циклировании мартенситных превращений может быть связано со снижением производства энтропии за счет уменьшения числа границ в цикле превращений. Это подтверждается уменьшением объема фазы, участвующей в мартенситных превращениях, что видно по высокотемпературному возврату остаточной деформации и рентгеновским исследованиям. Рост площади стабилизированной петли гистерезиса при увеличении нагрузки объясняется усилением диссипации энергии при взаимодействии мартенситных границ с накопленными дефектами фазового наклепа.

Experiments were carried out to subject a seven-layer copper and tantalum composite to high-pressure torsion. The method of scanning electron microscopy was applied to study morphology changes of layered structure as strain increased. By means of structural analysis of images of the composite cross section, it was possible to assess homogeneity of "mixing" of Cu and Ta layer fragments. The different strain hardening rate of the Cu / Ta composite compared to the previously published data is discussed on the basis of pressure distribution features in thin samples. The use of "unconstrained" type anvils for the high-pressure torsion method allows for intensifying the hardening process of the composite material. The observed value of microhardness increase per unit of conventional strain is notably higher than in case of the "constrained" configuration.

Проведены исследования процесса накопления и возврата деформации при многократном циклировании мартенситных превращений в никелиде титана в условиях механического нагружения. Отмечено, что кроме обратимой деформации в каждом цикле отмечается накопление остаточной деформации. При этом, чем выше внешняя нагрузка, тем меньше величина обратимой деформации из-за накопления большой величины остаточной деформации. Накопление остаточной деформации свидетельствует о блокировке мартенситных кристаллов локальными полями механических напряжений (стабилизация мартенситной фазы), сформированными скоплениями полных дислокаций как результат фазового наклепа в сплаве на основе никелида титана. Эти мартенситные кристаллы уже не участвуют в циклах прямого и обратного превращения. Остаточная деформация ограничивает обратимый деформационный ресурс в условиях термомеханического нагружения.

Analysis of volt-current dependences discovered in thermobarically sintered detonation nanodiamond composites is covered in the paper. Composite nanodiamond materials were obtained in the course of sintering at the press-free high-pressure apparatus (BARS) under 5 GPa and at temperatures 1300, 1400 and 1500 degrees C. Volt-current dependences are non-linear and show a zero-current area in the voltage interval from -3 to +1 V. Non-linear character of the volt-current dependences is connected with the structural state of the detonation diamond non-diamond carbon shell having a graphite-like onion-shaped structure and composed of 2 - 3 graphene planes about 1 nm thick. It is just the state of the electronic sub-system of such minimum package of graphene planes that stipulates charge carrier tunneling in the current channel under voltage application between the conducting probe and the sample, as well as it defines specific non-linearity of volt-current dependences with the zero-current area.

Формирование обширной диффузионной зоны размером до 980 мкм при 1000 °Cи выдержке в течение 5 минут в индукционной печи свидетельствует об аномальном высоком массопереносе бора в ходе высокотемпературного борирования стали 20. Такой массоперенос бора в диффузионной зоне обеспечен аномально высокой диффузией бора в α-матрицу. Из анализа высокой диффузионной подвижности, влияющей на диффузию бора, следует, что аномально высокий диффузионный массоперенос может быть обеспечен действием нескольких факторов различной физической природы. Во-первых, одним из факторов является градиент химического потенциала, обеспечивающий протекание реакционной диффузии и образование боридов железа FeB и Fe2B. Во-вторых, высокая температура определяет высокую кинетическую энергию и высокую диффузионную подвижность атомов бора. В-третьих, высокий тепловой эффект реакции образования боридов (43118,4 кДж/моль) вызывает локальное повышение температуры, следствием чего является увеличение диффузионной подвижности бора в диффузионной зоне. Основным маршрутом бора в стали при борировании является диффузионный массоперенос по границам зерен. Высокая скорость зернограничной диффузии связана сособенностями атомного строения границы зерен и, прежде всего, с наличием свободного объема, избыточной концентрацией вакансий при высоких температурах и областей растяжения и сжатия. Диффузия по границам зерен в условиях действия нескольких факторов, перечисленных выше, на несколько порядков больше, чем внутри зерна. Такой эффект может быть связан с появление жидкой фазы в границах зерен задолго до температуры плавления поликристаллического агрегата, то есть коэффициент диффузии по границам зерен становится по существу равным коэффициенту диффузии в жидкости. Формально учет факторов, влияющих на диффузионный процесс, можно описать как снижение потенциального барьера в условиях действия этих факторов. Разумеется, потенциальный барьер не снижается, а снижается эффективное значение энергии активации на величину работы внешних сил. При снижении эффективной энергии активации до нуля, вероятностный экспоненциальный множитель в формуле коэффициента диффузии становится равным единице, а процесс массопереноса бора при таких условиях принимает надбарьерный характер и переходит в своеобразный автокаталитический процесс массопереноса. Представленныев статье данные показывают, что при борировании необходимо учитывать и исследовать аномальный массоперенос. Продолжение исследований в этой области поможет лучше понять физические механизмы этих сложных процессов и разработать более эффективные методы химико-термической обработки.

Известно, что ионная имплантация является современным методом поверхностного легирования различных материалов и широко используется для повышения служебных свойств изделий, работающих в сильно агрессивных средах. Ионная имплантация может быть использована для обработки особо тонких конструкций упругих чувствительных элементов приборов теплотехнического контроля, для которых состояние поверхностного слоя является определяющим фактором, влияющим на метрологические характеристики и ресурс работы приборов. При обработки концентрированным потоком энергии одновременно осуществляется тепловое, радиационное и ударно-механическое воздействия. Развивающиеся при этом процессы перестройки структуры происходят в условиях, далеких от термодинамически равновесных и позволяют получать поверхностные слои с уникальным комплексом физико-механических свойств. В статье показаны изменения структуры и свойств дисперсионно-твердеющего сплава 36НХТЮ, имплантированного ионами Ti+, Ta+, N+. Установлено, что ионная имплантация приводит к формированию имплантированного слоя порядка 0,2-0,3 мкм. Имплантация ионами азота повышает циклическую стойкость сплава. Ионная имплантация Ti+, Ta+ позволяет резко увеличить коррозионную стойкость. Проведена оценка глубины проникновения и распределения ионов в сплаве. Имплантация ионами азота приводит к меньшей скорости накопления остаточной деформации, увеличивается циклопрочность, а колебательный характер Δɛост ~ lnN выражен значительно слабее. Кроме того, обнаружена дозовая зависимость степени накопления остаточной деформации.

The research was conducted to study the thermal conductivity of detonation nanodiamonds-based composites. Composite nanodiamond materials were obtained in the course of thermobaric sintering at the press-free high-pressure apparatus (BARS) under 5 GPa and at temperatures within the range of 1100 -1500 degrees C. It was ascertained that unlike diamond monocrystals with their thermal conductivity reaching up to 2100 W / (mK), the thermal conductivity of a nanodiamond composite is considerably lower and does not go beyond 18 W / (mK). Specifically, the temperature dependence of the thermal conductivity coefficient of a nanodiamond composite is anomalous as compared to a similar dependence in diamond monocrystals. The thermal conductivity coefficient in diamond monocrystals grows in compliance with the rising temperature, whereas it shows practically no changes in a nanodiamond composite in the temperature range of 50 - 300 degrees C. Such a temperature dependence of the thermal-conductivity coefficient is apparently related to the features of the phonon spectrum of diamond monocrystals. This feature is stipulated by the dependence of the phonon spectrum of nanocrystals on their size, represented by a set of phonon modes in the range of the wave vector 0 < q<1/L, i.e., the size of a diamond nanocrystal of 4.5 nm is alleged to limit the excitation of harmonics during nanodiamond composite heating, as opposed to macroscopic crystals that demonstrate the excitation of higher-frequency phonon modes during temperature growing.

Исследование механических свойств материалов на основе никелида титана, возникающих в ходе термоупругих мартенситных превращений, в том числе реактивных напряжений представляют огромный интерес. Эффект генерации реактивных напряжений в материалах с памятью формы оказывает влияние на различные области техники. Так, в материалах с эффектом памяти формы, выступающих в качестве механических преобразователей энергии и в качестве силовых элементов приводов используются условия, при которых происходит фиксирование деформации. Данное использование предполагает стабильность свойств и рабочих параметров в такого типа устройствах. В работе были исследованы реактивные напряжения, возникающие в образцах сплавов на основе никелида титана при фиксировании деформации, которая препятствует осуществлению эффекта памяти формы в процессе циклирования мартенситных превращений. Предполагается, что циклирование мартенситных превращений может привести к изменению реактивных напряжений вследствие структурной перестройки материала, что в свою очередь повлияет на рабочие характеристики узлов и агрегатов из сплавов на основе никелида титана. Показано, что уровень реактивных напряжений, развиваемых в образце в цикле нагрев-охлаждение уменьшается в последующих циклах. Наблюдаемое упрочнение от цикла к циклу, в условиях действия реактивных напряжений может характеризовать явление фазового наклёпа.

The article presents data on studies of iron borides synthesis during induction heating to 1000 °C for 5 min of steel 20 samples with a coating from a charge containing Fe – H 3 BO 3 . Content of boric acid in the charge varied from 25 to 75 % wt. Charge in the experiments could be diluted with a solution of liquid glass in water with addition of small amount of ammonium hydroxide and coal. Study of the surface layer microhardness showed that during saturation of the surface layer of carbon steel 20 with boron, a macroscopically extensive diffusion zone 900 – 1000 μm in size is formed, in which the boride content gradually decreases when moving deeper into the matrix. Such a size of the diffusion zone indicates an anomalously high mass transfer during boriding of steel 20. Indeed, the calculated diffusion coefficient during boriding under induction conditions (about 1.35·10 –9 m 2 /s) is two orders of magnitude higher than the diffusion coefficient in the classical boriding. X-ray studies showed that, under the considered conditions, Fe 2 B and FeB borides are synthesized, and a solid solution of boron in α­iron is also formed. An analysis of phase composition of the diffusion zone structural components indicates that, from the surface to the matrix, formation of boride phases occurs in the following sequence: FeB → Fe 2 B → (α­phase + B) → base metal. Microstructure of the diffusion zone consists of more or less pronounced layers consisting of FeB and Fe 2 B boride phases. On the whole, especially deep-ying regions of the diffusion zone are a composite material consisting of plastic α-phase and iron boride crystals. Crystals in FeB and Fe 2 B in the layer are oriented mainly perpendicular to the diffusion front. Perhaps, this is due to the rapid predominant growth of the boride phase under conditions of high diffusion mobility of boron atoms in one direction and hindered in others.

Проведено исследование теплопроводности металлоалмазных композитов на основе алмазных порошков размером частиц 30-300 мкм. Композиционные металлоалмазные материалы получены в ходе термобарического спекания на беспрессовом аппарате высокого давления БАРС при температуре 1300 °С и давлении 5 ГПа. Разработанная методика проведения экспериментов позволила получить образцы объемом более 250 мм3. Установлено, что в отличие от монокристаллов алмаза, теплопроводность которых может достигать 2100 Вт/мК, теплопроводность металлоалмазного композита ниже и может достигать 490 Вт/мК. Характерно, что температурная зависимость коэффициента теплопроводности монокристаллов алмаза монотонно возрастающая, что соответствует фононному механизму теплопередачи. Теплопроводность металлоалмазных композитов является величиной эффективной и представляет собой комбинацию низкой теплопроводности металла связки и высокой теплопроводности микронных алмазных частиц с учетом весовых параметров. Очевидно, что теплопроводность зависит от наличия примесных атомов, особенно азота, в решетке алмазных монокристаллов, на которых осуществляется рассеяние фононов. Однако, существенное влияние на теплопроводность оказывают границы раздела, на которых также происходит рассеяние фононов. При наличии карбидообразующего элемента в исходной шихте теплопроводность композита возрастает в связи с образованием алмазного каркаса и хорошей смачиваемости карбида железа медью. Если в монокристаллах алмаза коэффициент теплопроводности растет при повышении температуры, то в металлоалмазном композите в интервале 50-300 °С он снижается. Такая зависимость коэффициента теплопроводности от температуры, очевидно, связана с конкурирующим вкладом фононного и электронного механизмов теплопроводности. Фононный механизм приводит к росту теплопроводности кристалла алмаза, напротив, электронный механизм теплопереноса при повышении температуры снижает теплопроводность в связи с увеличением сопротивления медной связки.

Лазерный метод прямого испарения углеродных мишений в интервале энергий лазерного излучения 4-6 Дж позволяет получить парогазовую фазу углерода с преимущественной sp3-гибридизацией электронов. В ходе конденсации такого углерода на аморфную подложку из силикатного стекла осуществляется поатомная сборка тетрагональных алмазоподобных кластеров в виде двумерной пленки, в которой концентрация графитоподобных кластеров, сформированных углеродом за счет sp2-связей, существенно ниже. То есть структура такой пленки представляет собой композиционный материал, в котором свойства композита будут зависеть от соотношения алмазоподобной и графитоподобной фаз. Проведенные исследования структурного состояния углеродных алмазоподобных пленок подтверждают наличие как алмазоподобных, так и графитоподобных кластеров размером не более 1 нм. Электронная микроскопия надежно фиксирует тетрагональные (алмазоподобные) кластеры. Дифракция электронов свидетельствует, что кристаллографические параметры – межплоскостные расстояния плоскостей (111) и (220) d111=0,207 нм, d220=0,119 нм примерно соответствуют алмазным, равными соответственно для крупнокристаллического алмаза d111=0,205 нм и d220=0,125 нм. Если электронная микроскопия не позволяет зафиксировать графитоподобные кластеры в структуре пленки, то Раман-спектроскопия, фиксирующая G-пик около 1600 см-1и D-пик, так называемая D-мода из-за разупорядочения в графите (disorder peak). Линия около 1393 см-1в спектрах комбинационного рассеяния света, идентифицирует наличие графитоподобных кластеров с разупорядоченной укладкой графеновых плоскостей.

The study of the mechanical properties of materials based on titanium nickelide arising during thermoelastic martensitic transformations, including reactive stresses, is of great interest. The effect of generating reactive stresses in shape memory materials has an impact on various fields of technology. So, in materials with a shape-memory effect acting as mechanical energy converters and as power elements of drives, conditions are used under which deformation is fixed. This use assumes the stability of properties and operating parameters in this type of device. In this work, reactive stresses that arise in samples of alloys based on titanium nickelide when the strain is fixed, which prevents the shape-memory effect from occurring during the cycling of martensitic transformations, were studied. It is assumed that the cycling of martensitic transformations can lead to a change in reactive stresses due to the structural rearrangement of the material, which, in turn, will affect the performance of units and assemblies made of alloys based on titanium nickelide. It is shown that the level of reactive stresses developed in the sample in the heating–cooling cycle decreases in subsequent cycles. The observed hardening from cycle to cycle, under the action of reactive stresses, can characterize the phenomenon of phase hardening.

Alloys of the gold-cobalt system characterized by limited solubility have been synthesized by the high-pressure torsion method. According to the data of X-ray diffraction analysis it was revealed that as a result of mechanical alloying, a phase of a supersaturated solid solution based on gold is formed in the composition of the alloy. Lowering the temperature to cryogenic one leads to a redistribution of dissolved cobalt and an increase in its concentration in the solid solution. The solid solution phase is in an ultrafine-grained state. Possible mechanisms for the formation of a supersaturated solid solution in the gold-cobalt system are discussed taking into account the specific features of the severe plastic deformation and mechanical alloying processes.

Experimental studies of carbon thin films obtained by condensation of carbon from the vapor–gas phase onto a metal substrate are presented. Evaporation of graphite targets is carried out by defocused laser radiation. Using transmission electron microscopy, scanning probe microscopy, and Raman spectra, it is shown that the structure of the carbon film consists of large nonconducting diamond fragments with sp 3 -bonds, along the boundaries of which current regions with sp 2 -bonds are localized.

Diamond-like thin films obtained by condensation on carbon metal substrates from a vapor-gas phase are presented. Graphite targets were evaporated by defocused laser radiation. Using the hardware-software complex of a scanning probe microscope in the tunnel current mode, the distribution of regions with sp2 and sp3 bonds in a diamond-like film is analyzed. It is shown that the structure of a diamond-like film consists of large diamond non-conducting fragments with sp3 bonds, along the boundaries of which current regions with sp2 bonds are localized.

A machine vision system has been developed for recording data obtained on an experimental installation for studying relaxation transitions of polymers, as well as studying the dynamic shear modulus during phase transformations in alloys based on titanium nickelide. The computer vision system is based on simple algorithms implemented in the Java language in the IDE “Processing”. The conditions for the experiment and the procedure for processing the experimental data obtained on the basis of the machine vision system are determined.

Structural state of thin diamond-like carbon films has been studied by high-resolution transmission microscopy. Diamond-like carbon films have been obtained by vapor-gas phase carbon concentration on glass substrates, using defocused NTS 300 laser beam for graphite targets evaporation in vacuum. Defocused laser beam provided an area of 3 mm in diameter on the target for carbon direct evaporation. It has been established that diffraction of electrons identifies diamond reflections (111) and (220), and this corresponds to interplane spacing d111 = 0.207 nm, d220 = 0.119 nm of the diamond lattice. The obtained values of interplanar distances are close to the values of interplanar distances of carbon macroscopic crystals with d111 = 0.205 nm and d220 = 0.125 nm. The research of the film atomic structure shows that sp3-bonding generally participate in assembling carbon atoms into diamond clusters having the size less than 1 nm. The ratio of graphite clusters formed by sp2-bonds within the structure of diamond-like carbon films is negligible. In spite of the pronounced cluster pattern of the structure, the film is not an analogue of the polycrystalline one with graded junction from one crystalline domain to another observed. As distinguished from polycrystals, there is no structure stepwise changing on the mating clusters boundaries. It is shown that clusters are linked with each other into homogeneous cluster structure by sp3- and sp2-bonds. These bonds are well-identified in the diamond-like carbon film structure, as the length of sp2-bonds exceeds considerably the length of sp3- bonds. Carbon film properties are determined by diamond clusters due to domination of clusters with tetragonal diamond lattice, for instance, the film is a good dielectric.

Protective boride coatings are obtained by chemical-thermal treatment of powder mixtures during induction furnace heating and micro-arc chemical-thermal treatment. Their usage can significantly increase the reliability and durability of steel products. The calculated composition of the saturating charge and the welding flux used to boride steel 20 samples demonstrates that obtained boride diffusion coatings are characterized by high hardness and an extensive diffusion zone. The most optimal composition of the charge that contains iron and boric acid is found to be in the proportion of Fe-25%+H3BO3-75 %. The analysis of the distribution of microhardness over the cross section of coated samples is carried out. The comparative data for the diffusion coefficients and the thickness of the diffusion layers obtained experimentally are presented. The application of the discussed methods makes it possible to intensify the process of diffusion boriding and to ensure the formation of an extensive diffusion zone on the surface of carbon steel products with a high rate of hardening zone formation. The duration of the process is 5 minutes for the induction treatment and 54.05 s for micro-arc chemical-thermal surfacing. It is the main advantage of the experimental techniques mentioned above.

Проанализирован частотный спектр акустической эмиссии при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана. Дискретный характер спектра сигналов акустической эмиссии свидетельствует о резонансных свойствах кристаллической среды, в которой распространяются пакеты акустических волн, а резонансные свойства определяются совокупностью естественных резонаторов системы образец-волновод-датчик. То есть низкочастотный спектр акустической эмиссии является вторичным эффектом, результатом преобразования первичных сигналов акустической эмиссии на естественных резонаторах. Установлено, что в окрестности температуры начала превращения B2→B19′ наблюдается резкое смещение частот спектральных линий в низкочастотную область спектра, продолжающееся до температуры окончания превращения. Такое поведение спектра акустической эмиссии, очевидно, связано с эффектом «смягчения» упругих модулей при приближении температуры к температурному интервалу термоупругих мартенситных превращений. Следствием снижения величины упругих модулей является снижение скоростей распространения акустических волн в сплавах и снижение резонансных частот естественных резонаторов. Набор спектральных линий свидетельствует о преобразование первичных сигналов акустической эмиссии на естественных резонаторах.