Физико-механические характеристики наноструктурированных сплавов

Микротвердость поверхностных слоев, модифицированных SiC из плазмы:

сталь - 18ГПа, твердый сплав - 25ГПа, глубина слоя - 10мкм.

Получение нового качественного состояния традиционно используемых стали и твердых сплавов на основе синергитических принципов самоорганизации упрочняющих наноструктур представляет важнейший компонент повышения конкурентноспособности изделий конструкционного, инструментального, трибо- и теплотехнического назначения. Любая структурная система металлического материала относится к сложным техническим системам (СТС), через эволюцию фаз фактически определяющая способность конструкции к сопротивляемости внешнему воздействию и ресурс. СТС – это интегральная техническая система, включающая подсистемы «структура материала Û конструкция Û СО». Выбор материала и проектирование его исходной структуры необходимо проводить в условиях жесткой взаимосвязи с физико-математическим прогнозом направляемой эволюции на этапе эксплуатации через определенный набор КС, учитывающий иерархическую смену диссипативных упрочняющих структур нано- и микроуровневого масштаба.

Проблему катастроф различных физических объектов и на земле, и в воде, и в воздухе, и в космосе, в основном, связанных с качеством и надежностью СТС, нельзя решить без учета эволюционного развития структуры материала на всех этапах его жизненного цикла. Понимание термина «технологический мониторинг» в контексте новой метрологии объемного наноструктурирования позволит решать задачи по обеспечению качества и повышенного ресурса СТС, устранить необходимость завышенного коэффициента запаса прочности, что повышает конкурентоспособность. Объемное наноструктурирование имеет решающие значение при разработке отличающихся малым весом аппаратов из термически устойчивых материалов с высокой удельной прочностью для авиакосмического и общего машиностроения, топливно-энергетического комплекса, добывающей и перерабатывающей отраслей.

Поиски путей улучшения комплекса свойств объемных НС металлов и сплавов весьма важны для их перспектив­ных применений, т. к. рынки для их использования сущест­вуют фактически в каждой отрасли промышленности, где высокие механические свойства (в особенности прочность, удельная прочность и усталостная долговечность) являются решающими. Помимо машиностроения, существование свыше 100 специфичных рынков применения наноматериалов, предназначенных для авиационно-космичес­кой отрасли, транспорта, медицинских приборов, спортив­ных товаров, пищевых продуктов, химического производ­ства, электроники и оборонной отрасли.

Одним из перспективных направлений, развиваемых сегодня, является разработка особо прочных нанострук­турных легких сплавов (алюминия, титана и магния), предназначенных для энергетики, автомобильной и авиа­ционно-космической промышленности.

В недавних исследованиях было показано, что достиже­ние нового уровня свойств в промышленных алюминие­вых сплавах возможно при применении ИПД в сочетании с традиционными видами термической и/или термомеха­нической обработки и реализуя за счет этого дополнитель­ные механизмы их упрочнения, такие как твердорастворное и дислокационное упрочнение, а также упрочнение, вызванное дисперсными выделениями вторых фаз — дис­персионное твердение. Используя обработку ИПД, осуществленную РКУП, в сочетании с изотермической прокаткой, можно полу­чать заготовки в виде листов из термически неупрочняемого сплава 1560 системы Al-Mg-Mn с уровнем предела текучести и прочности 540 и 635 МПа, соответственно, аналогичным наблюдаемому в высокопрочных тер­мически упрочняемых алюминиевых сплавах системы Al—Mg—Zn—Cu в состоянии максимального упрочне­ния. Также была исследована воз­можность дополнительной обработ­ки заготовок термически упрочняе­мого сплава АА6061, подвергнутых РКУП, старению и холодной прокат­ке. Было установлено, что в ре­зультате осуществления такой комби­нированной обработки предел теку­чести и предел прочности заготовок сплава достигает, соответственно, 475 и 500 МПа, а относительное удли­нение до разрушения составляет 8%. В обоих исследованных УМЗ сплавах прочностные свойства превышали на 30—50% аналогичные свойства спла­вов после традиционно используемых методов обработки, а пластичность оставалась на достаточно высоком уровне. Аналогичный прирост проч­ности при сохранении пластичности демонстрирует и УМЗ жаропрочный алюминиевый сплав АК4-1 после об­работки РКУП и последующего ста­рения, как при комнатной, так и при повышенной температуре ~150°С — температуре эксплуатации. На примере алюминиевого сплава 5083 было показано, что опти­мизированные режимы термической обработки, проводимой после РКУП, позволяют сформировать УМЗ состо­яние, обеспечивающее формирование в материале уникального комплекса свойств. При со­хранении высокой прочности характеристики пластичнос­ти и трещиностойкости обработанного ИПД материала повышаются почти в 2 раза и достигают уровня, характер­ного для исходного крупнозернистого состояния.

В настоящее время одновременно с исследованиями ве­дется интенсивная работа, направленная на получение из­делий из УМЗ алюминиевых сплавов, таких как авиацион­ный крепеж, а также пилотных изделий для авиационной промышленности. Также ведется разработка металлов и сплавов с УМЗ строением, работающих при криогенных температурах. Активно проводятся исследования, направленные на получение и использование нанострук-турных материалов для авиационных двигателей нового по­коления, а также при изготовлении деталей слож­ной конфигурации в условиях сверхпластичности.

Недавний значительный прогресс, достигнутый в полу­чении объемных наноструктурных металлических матери­алов методами интенсивной пластической деформации и в понимании их деформационных механизмов, позволяет более отчетливо представить перспективы широкого ис­пользования наноматериалов для конструкционных и функциональных применений.

Структура УМЗ материалов, полученных методами ИПД, тесно связана с техническими параметрами обра­ботки, ее маршрутами и режимами. Формирование специ­фичных наноструктур (например, с бимодальным распре­делением зерен или ультрамелкими зернами с большеугловыми и неравновесными границами) может обеспечи­вать уникальное сочетание физико-механических свойств, таких как очень высокая прочность и пластич­ность, высокая усталостная долговечность, износостой­кость. Эти свойства особенно важны для инженерных применений наноструктурных металлов и сплавов как перспективных конструкционных и функциональных ма­териалов нового поколения.