http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=c9c21409-462f-42b6-86f2-b91eb87fcefc&print=1© 2024 Российская академия наук
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.