Версия для печати
Вернуться к списку

ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ НАНООБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ

Научный руководитель Института физики прочности и материало­ведения СО РАН, академик Виктор Панин

Формирование наноструктурных состояний в объ­еме конструкционных и функциональных материалов является стратегическим направлением современно­го материаловедения. Их применение позволит суще­ственно повысить прочность, износостойкость, уста­лостную долговечность. И, как следствие, эксплуа­тационный ресурс работы конструкционных и функ­циональных материалов.

Однако при производстве и эксплуатации нанома-териалов и изделий из них возникает немало про­блем: имеющиеся в настоящее время технологии не способны обеспечить однородность наноструктуры и, следовательно, воспроизводимость служебных ха­рактеристик во всем объеме материала.

Не решены также проблемы создания нанострук­турных состояний в изделиях больших размеров или деталях сложной геометрии, наностуктурные мате­риалы не могут эффективно работать при высоких температурах, их невозможно соединять методами сварки или пайки без значительного снижения меха­нических свойств.

Наконец, повышение прочности конструкционных материалов всегда сопровождается снижением их пластичности. Как правило, это приводит к снижению ресурса работы.

В Институте физики прочности и материаловеде­ния СО РАН (г.Томск) развивается новое научное на­правление — физическая мезомеханика материалов. В его рамках показано, что значительное повышение служебных свойств конструкционных материалов (усталостной прочности, жаропрочности, жаростой­кости, износостойкости) может быть достигнуто пу­тем формирования наноструктурных состояний в по­верхностном слое конструкционных и инструмен­тальных материалов.

В последнее десятилетие в Институте был выпол­нен большой цикл научно-исследовательских работ, которые позволили вскрыть механизмы вязко-плас­тического течения в поверхностных слоях твердых тел при различных видах нагружения. И показать возможность управления этими механизмами.

Впервые теоретически и экспериментально было показано, что деформируемое твердое тело является многоуровневой, иерархически самоорганизующейся системой, в которой поверхностный слой является важной функциональной подсистемой. Если нано-структурировать, то пластическая деформация мо­жет быть локализована в тонком поверхностном слое подобно образованию «скин-слоя» при протекании электрического тока через проводник.

На границе раздела ввиду различия механичес­ких, физико-химических, термических и других ха­рактеристик поверхностного слоя и подложки возни­кают квазипериодические осциллирующие напряже­ния с периодом осцилляции, равным размеру нанозе-рен.

В результате формируется напряженно-дефор­мированное состояние в виде «шахматной доски» с растягивающими и сжимающими напряжениями. Кон­кретные значения напряжений и деформаций и ха­рактер их распределения зависят от толщины по­верхностного слоя и отличия их свойств от свойств подложки.

При приложении внешней циклической нагрузки пластическая деформация будет распространяться только в наноструктурированном поверхностном слое. А потоки дефектов растекаются по клеточкам наноструктуры с растягивающими напряжениями, не создавая опасной локализации пластической дефор­мации и не проникая внутрь кристалла. Это сущест­венно повышает усталостную прочность материала.

Особо опасными в авиационных конструкциях яв­ляются сварные соединения. Сварной шов как силь­ная структурная неоднородность, является мощным концентратором напряжений. При внешнем нагружении он генерирует в зоны термического влияния ассиметричные мезополосы пластической деформации, что обусловливает появление ротационных мод пла­стической деформации. Под их воздействием на по­верхности сварного соединения образуются трещины критических размеров. Их рост и дальнейшее рас­пространение может привести к разрушению. всей конструкции.

Особо опасными в авиационных конструкциях яв­ляются сварные соединения. Сварной шов как силь­ная структурная неоднородность, является мощным концентратором напряжений. При внешнем нагружении он генерирует в зоны термического влияния ассиметричные мезополосы пластической деформации, что обусловливает появление ротационных мод пла­стической деформации. Под их воздействием на по­верхности сварного соединения образуются трещины критических размеров. Их рост и дальнейшее рас­пространение может привести к разрушению.всей конструкции.

Высокой скорости распространения трещины спо­собствуют и значительные растягивающие напряже­ния, которые формируются в сварном шве и зонах термического влияния при охлаждении конструкций после сварки.

Традиционно для снижения растягивающих на­пряжения и повышения усталостной прочности свар­ных соединений применяют дополнительные виды механической обработки — обработку дробью, об­катку роликом и другие. Исследования, выполненные в последние годы, показали, что наноструктурирование поверхностных слоев сварных соединений по эф­фективности в разы превосходит все традиционные виды их обработки.

Формирование наноструктурированного слоя с высокими механическими свойствами и высокой демпфирующей способностью на поверхности свар­ных соединений позволяет диспергировать локаль­ный концентратор напряжения ho всей зоне сварного соединения. Это предотвращает опасную локализа­цию пластической деформации в зоне термического влияния. Тем самым резко повышается критическое напряжение для зарождения трещины.

Наконец, наноструктурирование поверхностных слоев сварных соединений коренным образом меняет распределение напряжений в поверхностном слое — вместо растягивающих напряжений формируются высокие сжимающие напряжения. Они также пре­пятствуют как зарождению, так и распространению трещин. В результате усталостная долговечность сварных соединений с наноструктурированным по­верхностным слоем повышается кратно.

Следует подчеркнуть, что создание в материалах поверхностных наноструктурированнных слоев явля­ется принципиально новым механизмом упрочнения. На основе этой методологии Институт физики проч­ности и материаловедения СО РАН и ФГУП «Всерос­сийский институт авиационных материалов» разра­батывают новые методы и технологии упрочнения конструкционных материалов путем создания в них высокостабильных наноструктурированных поверх­ностных слоев.

Они позволяют одновременно повысить прочность материала, его пластичность и усталостную долго­вечность. Особенно эффективны новые методы уп­рочнения для конструкций со сварными соединения­ми: наноструктурирование поверхностных слоев сварных соединений обеспечивает кратное повыше­ние их усталостной долговечности.

Разработанные методы поверхностной обработки и формирования наноструктурированных поверхно­стных слоев были применены для повышения проч­ности и ресурса работы высокопрочных сталей и сплавов специального назначения и их сварных со­единений. Новые технологии позволили:

повысить усталостную долговечность сварных соединений высокопрочной стали авиационного назначения ВКС12, используемой для изготовления стоек шасси самолетов, более чем в 1,5 раза, сварных соединений нового жаропрочного сплава ВЖ172 не менее чем в 6 раз, алюминиевых сплавов В96 и 1370 более, чем в 3 раза.

поднять длительную прочность сварных соединений нового жаропрочного сплава ВЖ172 при температуре эксплуатации 973° К на 11 %.

Предлагаемые подходы в настоящее время не имеют аналогов в мире. И могут быть рекомендованы к применению для изготовления узлов и деталей от­ветственного назначения.