Научный руководитель Института физики прочности и материало-ведения СО РАН, академик Виктор Панин
Формирование наноструктурных состояний в объ-еме конструкционных и функциональных материалов является стратегическим направлением современно-го материаловедения. Их применение позволит суще-ственно повысить прочность, износостойкость, уста-лостную долговечность. И, как следствие, эксплуа-тационный ресурс работы конструкционных и функ-циональных материалов.
Однако при производстве и эксплуатации нанома-териалов и изделий из них возникает немало про-блем: имеющиеся в настоящее время технологии не способны обеспечить однородность наноструктуры и, следовательно, воспроизводимость служебных ха-рактеристик во всем объеме материала.
Не решены также проблемы создания нанострук-турных состояний в изделиях больших размеров или деталях сложной геометрии, наностуктурные мате-риалы не могут эффективно работать при высоких температурах, их невозможно соединять методами сварки или пайки без значительного снижения меха-нических свойств.
Наконец, повышение прочности конструкционных материалов всегда сопровождается снижением их пластичности. Как правило, это приводит к снижению ресурса работы.
В Институте физики прочности и материаловеде-ния СО РАН (г.Томск) развивается новое научное на-правление - физическая мезомеханика материалов. В его рамках показано, что значительное повышение служебных свойств конструкционных материалов (усталостной прочности, жаропрочности, жаростой-кости, износостойкости) может быть достигнуто пу-тем формирования наноструктурных состояний в по-верхностном слое конструкционных и инструмен-тальных материалов.
В последнее десятилетие в Институте был выпол-нен большой цикл научно-исследовательских работ, которые позволили вскрыть механизмы вязко-плас-тического 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 мо-жет быть локализована в тонком поверхностном слое подобно образованию "скин-слоя" при протекании электрического тока через проводник.
На границе раздела ввиду различия механичес-ких, физико-химических, термических и других ха-рактеристик поверхностного слоя и подложки возни-кают квазипериодические осциллирующие напряже-ния с периодом осцилляции, равным размеру нанозе-рен.
В результате формируется напряженно-дефор-мированное состояние в виде "шахматной доски" с растягивающими и сжимающими напряжениями. Кон-кретные значения напряжений и деформаций и ха-рактер их распределения зависят от толщины по-верхностного 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 дефор-мации и не проникая внутрь кристалла. Это сущест-венно повышает усталостную прочность материала.
Особо опасными в авиационных конструкциях яв-ляются сварные соединения. Сварной шов как силь-ная структурная неоднородность, является мощным концентратором напряжений. При внешнем нагружении он генерирует в зоны термического влияния ассиметричные мезополосы пластической деформации, что обусловливает появление ротационных мод пла-стической деформации. Под их воздействием на по-верхности сварного соединения образуются трещины критических размеров. Их рост и дальнейшее рас-пространение может привести к разрушению. всей конструкции.
Особо опасными в авиационных конструкциях яв-ляются сварные соединения. Сварной шов как силь-ная структурная неоднородность, является мощным концентратором напряжений. При внешнем нагружении он генерирует в зоны термического влияния ассиметричные мезополосы пластической деформации, что обусловливает появление ротационных мод пла-стической деформации. Под их воздействием на по-верхности сварного соединения образуются трещины критических размеров. Их рост и дальнейшее рас-пространение может привести к разрушению.всей конструкции.
Высокой скорости распространения трещины спо-собствуют и значительные растягивающие напряже-ния, которые формируются в сварном шве и зонах термического влияния при охлаждении конструкций после сварки.
Традиционно для снижения растягивающих на-пряжения и повышения усталостной прочности свар-ных соединений применяют дополнительные виды механической обработки - обработку дробью, об-катку роликом и другие. Исследования, выполненные в последние годы, показали, что наноструктурирование поверхностных слоев сварных соединений по эф-фективности в разы превосходит все традиционные виды их обработки.
Формирование наноструктурированного слоя с высокими механическими свойствами и высокой демпфирующей способностью на поверхности свар-ных соединений позволяет диспергировать локаль-ный концентратор напряжения ho всей зоне сварного соединения. Это предотвращает опасную локализа-цию 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 пре-пятствуют как зарождению, так и распространению трещин. В результате усталостная долговечность сварных соединений с наноструктурированным по-верхностным слоем повышается кратно.
Следует подчеркнуть, что создание в материалах поверхностных наноструктурированнных слоев явля-ется принципиально новым механизмом упрочнения. На основе этой методологии Институт физики проч-ности и материаловедения СО РАН и ФГУП "Всерос-сийский институт авиационных материалов" разра-батывают новые методы и технологии упрочнения конструкционных материалов путем создания в них высокостабильных наноструктурированных поверх-ностных слоев.
Они позволяют одновременно повысить прочность материала, его пластичность и усталостную долго-вечность. Особенно эффективны новые методы уп-рочнения для конструкций со сварными соединения-ми: наноструктурирование поверхностных слоев сварных соединений обеспечивает кратное повыше-ние их усталостной долговечности.
Разработанные методы поверхностной обработки и формирования наноструктурированных поверхно-стных слоев были применены для повышения проч-ности и ресурса работы высокопрочных сталей и сплавов специального назначения и их сварных со-единений. 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 от-ветственного назначения.
