Анализ связи структурных изменений и механических свойств металлических материалов при модификации поверхности с использованием мультифрактальных представлений

Актуальность работы.

Модификация поверхности металлических материалов оказывает влияние на их механические характеристики. Однако большинство исследований в этом направлении были проведены для случаев модификации поверхности металлов на относительно большую глубину порядка, причем основное внимание уделялось вопросам повышения износостойкости и коррозионной стойкости (поверхностное пластическое деформирование, химико-термическая обработка). Из механических свойств затрагивались только вопросы повышения характеристик усталости, причем главным образом за счет создания в поверхностном слое как можно больших напряжений сжатия, когда в основном металле под поверхностью создается ослабленная зона с растягивающими напряжениями. Вопросу создания тонких (толщиной порядка 0,5−20 мкм) модифицированных слоев с целью улучшения именно характеристик прочности и пластичности металлических материалов посвящено сравнительно мало публикаций. В то же время, согласно литературным данным, именно таким путем с использованием современных, в том числе ионно-вакуумных технологий, можно достигнуть лучших результатов как с точки зрения механических свойств, так и с точки зрения затрат. За последние 20 лет наиболее последовательно данную проблему затрагивали научные школы И. Р. Крамера (США), В.П. АлехинаМ.Х. Шоршорова и В. Ф. Терентьева — B.C. Ивановой (Россия), а в последнее время и школа академика В. Е. Панина (с позиций мезомеханики). Однако, систематических исследований выполнено еще недостаточно. В частности, очень мало публикаций, посвященных конструкционным металлическим материалам (особенно находящемся в высокопрочном состоянии) — не до конца выяснено существование опережения процессов структурных изменений в приповерхностном слое на различных стадиях пластической деформации вплоть до разрушенияне проработан вопрос о масштабном характере глубины такого слоя и окончательно не выяснено какую оптимальную глубину должен иметь модифицированный слой для достижения лучших механических характеристикмало данных о влиянии современных ионновакуумных методов модифицирования на особенности протекания структурных изменений и механические свойства высокопрочных материалов.

Для решения этих вопросов необходимо: провести экспериментальные исследования по влиянию современных методов ионно-вакуумного поверхностного модифицирования на особенности протекания структурных изменений и механические свойства конструкционных металлических материалов, достаточно подробно рассмотреть влияние глубины модификации, исходного структурного состояния и размеров образцов, исследовать особенности процессов деформации и разрушения приповерхностных слоев металлических материалов без модифицирования и после модифицирования на различную глубину.

Необходимость количественного описания структур металлических металлов в ходе процессов деформации и разрушения, в том числе описание различий в особенностях деформирования приповерхностных и внутренних слоев и их поверхностей разрушения, поверхностей со сложной геометрией, делает целесообразным кроме общепринятых структурных параметров и методик, использовать показатели, которые смогли бы учесть форму и особенности взаиморасположения элементов изучаемых структур. Такие возможности обеспечивает применение положений системного подхода. Одной из разновидностей такого подхода является использование мультифрактальных представлений, которое стало возможным благодаря развитию в последние годы теоретических представлений о фракталах и мультифракталах.

Настоящая диссертационная работа выполнена в Лаборатории механических свойств конструкционных материалов ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН в рамках: Основных направлений научных исследований РАН по проблемам 2.5 и 2.11, ведущей научной школы Российской Федерации (проект РФФИ 96−15−98 243), грантов РФФИ 04−03−32 431 и 98−01−9а, ФЦП «Интеграция» (проекты А-0032 и В-0101), программ фундаментальных исследований Президиума РАН (Гос. контракт № 30/03 от 01.04.2003 г., Протокол № 4 от 15.04.2004 г.).

Цель работы. Исследовать связь структурных изменений и механических свойств металлических материалов при модификации поверхности с использованием мультифрактальных представлений.

Задачи работы.

— Использовать мультифрактальиые представления при изучении структуры и особенностей пластической деформации и разрушения металлических материалов. Создать методологию количественной параметризации, позволяющую количественно оценивать форму и особенности взаиморасположения элементов изучаемых структур материалов.

— Исследовать влияние изменения топографической структуры поверхности на механические характеристики и особенности деформирования и разрушения сплавов молибдена и мартенситно-стареющей стали при статическом и циклическом нагружении.

— Исследовать влияние ионно-плазменных покрытий разной толщины из меди, рения и молибден-рениевого сплава и поверхностного обезуглероживания на механические характеристики и особенности деформирования и разрушения сплавов молибдена при различном диаметре образцов.

— Исследовать влияние нанесения магнетронных покрытий из алюминия и стали 12Х18Н10Т разной толщины на механические характеристики и особенности деформирования и разрушения мартенситно-стареющей стали 00Н16К4М4Т2Ю в разном структурном состоянии при различном диаметре образцов.

— Установить характерную глубину приповерхностного слоя, в котором структурные изменения при деформации исследуемых материалов протекают с опережением по сравнению с внутренними объемами.

— Предложить рекомендации по оптимизации глубины модификации поверхности в целях повышения механических свойств металлических материалов.

— Исследовать процессы структурных преобразований в приповерхностных слоях металлических материалов при направленных внешних воздействиях, характерных для современных технологий модификации поверхности материалов (ударное воздействие высокоскоростной частицывоздействие микродуговых разрядов, лазерного и ионного облучений). Установить оптимальные режимы воздействий и обосновать выбор управляющих параметров, сформулировать рекомендации по оптимизации технологий обработки поверхности.

Научную новизну характеризуют следующие основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

— Развито новое научное направление, связанное с использованием мультифрактальных представлений в металловедении. В его рамках создана и успешно опробована на практике методология мультифрактальной параметризации, позволяющая проводить количественную оценку общей конфигурации изучаемых структур материалов, а также сравнивать термодинамические условия их формирования.

— Предложены основы классификации структур металлических материалов с точки зрения их количественной параметризации, что позволило выработать типичные подходы при проведении их компьютерной аппроксимации и последующих расчетов мультифрактальных характеристик.

— Предложено рассматривать приповерхностные слои как подсистему, входящую в общую систему деформируемого материала. При этом подсистема внутренних объемов ответственна за внутренние свойства системы, а подсистема приповерхностных слоев — за обмен системой энергией, веществом и информацией с окружающей средой и определяет внешние свойства системы в данной окружающей среде. Соответственно этому появляется возможность посредством изменения свойств подсистемы приповерхностных слоев эффективно управлять свойствами системы в целом.

— Экспериментально показано, что модифицированием поверхности сплавов молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю на глубину 1−7 мкм путем нанесения ионно-вакуумных покрытий, обезуглероживания, изменения топографической структуры в ряде случаев удается одновременно заметно повысить показатели прочности и пластичности, что сложно достигнуть при использовании традиционных объемных методов модифицирования материалов.

— Для сплавов молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю установлен относительный характер глубины возникающего при деформировании приповерхностного слоя, в котором структурные изменения протекают с опережением по сравнению с внутренними объемами металла. Это позволило предложить новый параметр для оценки модификации поверхности h/d, где h — глубина модифицирования (толщина покрытия, максимальная глубина поверхностных дефектов и т. п.), adдиаметр образца.

— Для всех исследованных материалов независимо от структурного состояния и диаметров образцов выявлены две характерные зоны приповерхностного слоя: общая зона с МЫ), 005.0,01 и зона наиболее интенсивного протекания структурных изменений с h/dx0,001. 0,003. Это позволяет рекомендовать оптимальную относительную глубину поверхностной модификации h/d не более 0,01, но не меньше глубины имеющихся на поверхности микродефектов.

— Установлено, что важной причиной улучшения характеристик прочности, пластичности и усталости при модифицировании поверхности молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю является увеличение равномерности, снижение локализации и замедление процессов зарождения поверхностных микротрещин.

— Экспериментально показано, что при статическом растяжении вплоть до разрушения отожженного молибдена субзеренная структура в приповерхностных и внутренних слоях отличаются. Нанесение покрытия Mo-46%Re подавляет протекающие в материале приповерхностного слоя при деформировании процессы измельчения субзеренной структуры и рост плотности дислокаций в малоугловых границах (на стадии микропластического деформирования) и рост плотности дислокаций в зернах приповерхностного слоя (на стадии макропластического деформирования).

— С использованием мультифрактальных представлений обнаружены не выявляемые традиционными методами отличия структур, эффекты кластеризации, границы масштабного интервала существования структур, а также экспериментально обнаружить и впервые количественно описать явления перехода одного типа структуры металлического материала в другой тип. Данные переходы можно интерпретировать как «точку бифуркации».

Практическая значимость работы состоит в следующем:

— Разработаны методики мультифрактальной параметризации применительно к различным топографическим, зеренным, поровым и кластерным структурам (сплавы молибдена, мартенситно-стареющая и аустенитная стали, алюминий, медные сплавы, оксидное покрытие, покрытие из золота, эпитаксиальные слои GaN, фулереновые композиции) и в ряде случаев обнаружены корреляции полученных мультифрактальных характеристик с эксплуатационными свойствами и технологическими параметрами обработок.

— Показано, что использование мультифрактальных представлений в сочетании с общеизвестными методами изучения структур является перспективной основой для разработки методов опознавания сложных трудноразличимых друг от друга структур, методов прогнозирования и контроля физико-механических свойств и повреждаемости поверхности при внешних воздействиях.

— Для изученных материалов независимо от их структурного состояния и диаметров образцов рекомендовано проводить модифицирование поверхности на глубину h/d не более 0,01, но не меньше глубины имеющихся на поверхности микродефектов.

— Выявленные закономерности влияния модифицирования поверхности на механические свойства исследованных металлических материалов могут быть использованы для дальнейшего развития теории прочности и пластичности, а также для разработки новых технологий упрочнения и оптимизации уже имеющихся технологий, связанных с модифицированием структуры поверхности металлов и сплавов.

— Сформулированы рекомендации по оптимизации модификации поверхности молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю, ионно-вакуумному осаждению покрытий из золота на кремниевую подложку, получению полупроводниковых эпитаксиальных слоев GaN, созданию наноструктурных композиций на основе фуллеренов, микродуговому оксидированию алюминиевого сплава. Сделана оценка повреждаемости медных сплавов лазерным излучением и стали Х12Г20 В облучением импульсами дейтериевой плазмы.

— Результаты исследований и методические разработки были использованы в «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара», «НПО ТЕХНОМАШ», ФГУП «Московский институт теплотехники», «КБ Химического машиностроения им. A.M. Исаева», ОАО «Московский радиотехнический завод», ФГУП «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. академика Н.А. Пилюгина», Бурятском НИИ высоких технологий, Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

— Полученные научные и методические наработки включены в 5 учебных пособий и используются в учебном процессе в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана, Воронежском государственном техническом университете, Липецком государственном техническом университете, Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете), Учебно-научном центре «Металлургия» и Научно-образовательном центре Московского региона в области фундаментальных проблем радиационной физики твердого тела и радиационного материаловедения.

— Разработана установка для оценки усталостных характеристик тонких проволок и волокон. На установку получен Патент Российской Федерации на изобретение № 2 163 716 от 27.02.2001 г.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были представлены на 42 совещаниях и конференциях всероссийского и международного уровня, в том числе на таких как: XIII международная конф. «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов» (Самара, 1992 г.) — Int. Conf. «EUROMAT 94 TOPICAL», (Венгрия, Balatonszeplak, 1994 г.) — 1-ая международная конф. «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, 1994 г.) — XIV Международная конф. по физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995 г.) — Ill Russian-Chinese Symp. «Advanced Materials and Processes» (Калуга, 1995 г.) — The 11th Biennial European Conf. on Fracture ECF 11 (Франция, Poitiers-Futuroscope, 1996 г.), 3-ий Всероссийский семинар «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2000 г.) — Междунар. науч. конф. «Синергетика 2000» (Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.) — Междунар. семинар «Мезоструктура» (С.Петербург, 2001 г.) — 9th Int. Symp. «Nanostructures: Physics and Technology» (С.Петербург, 2001 г.) — II междунар. междисциплинарный симп. «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2001 г.) — 1-ая Евразийская науч.-практич. конф. «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2002 (Москва, 2002 г.) — Междунар. конф. «Байкальские чтенияII по моделированию процессов в синергетических системах» (Максимиха, 2002 г.) — Междунар. школа-семинар «Нелинейные процессы в дизайне материалов» (Воронеж, 2002 г.) — Всероссийская науч.-технич. конф.(с международным участием) «Методы и технические средства оперативной оценки структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин» (Москва, 2002 г.) — Междунар. междисциплинарный симпозиум «Фракталы и прикладная синергетика ФиПС-03» (Москва, 2003 г.) — 2-ая Евразийская науч,-практич. конф. «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2004 (Москва, 2004 г.);

Публикации. По материалам диссертации опубликовано свыше 150 печатных работ, в т. ч. 4 монографии, 5 учебных пособий, 50 статей в отечественных и зарубежных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Она содержит 376 страниц машинописного текста, включая 154 рисунка, 47 таблиц и список литературы из 425 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Развито новое научное направление, связанное с использованием мультифрактальных представлений в металловедении. В его рамках создана и успешно опробована на практике методология мультифрактальной параметризации, позволяющая проводить количественную оценку общей конфигурации изучаемых структур материалов, а также сравнивать термодинамические условия их формирования.

2. Впервые предложено рассматривать приповерхностные слои как подсистему, входящую в общую систему деформируемого материала. При этом подсистема внутренних объемов ответственна за внутренние свойства системы, а подсистема приповерхностных слоев — за обмен системой энергией, веществом и информацией с окружающей средой и определяет внешние свойства системы в данной окружающей среде. Соответственно этому появляется возможность посредством изменения свойств подсистемы приповерхностных слоев эффективно управлять свойствами системы в целом.

3. Экспериментально показано, что модифицированием поверхности сплавов молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю на глубину 1−7 мкм путем нанесения ионно-вакуумных покрытий, обезуглероживания, изменения топографической структуры в ряде случаев удается одновременно повысить показатели прочности и пластичности, что сложно достигнуть при использовании традиционных объемных методов модифицирования материалов. Показана возможность увеличения: пределов пропорциональности и текучести — до 80%, предела прочности — на 25%, относительного удлинения — на 119%, относительного сужения — на 85%,.

4. Установлено, что важной причиной улучшения характеристик прочности, пластичности и усталости при модифицировании поверхности молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю является увеличение равномерности, снижение локализации и замедление процессов зарождения поверхностных микротрещин.

5. Для сплавов молибдена и стали 00Н16К4М4Т2Ю установлен относительный характер глубины возникающего при деформировании приповерхностного слоя, в котором структурные изменения протекают с опережением по сравнению с внутренними объемами металла. Предложен новый параметр для оценки модификации поверхности h/d, где h — глубина модифицирования (толщина покрытия, максимальная глубина поверхностных дефектов и т. п.), a d — диаметр образца.

6. Для всех исследованных материалов независимо от структурного состояния и диаметров образцов выявлены две характерные зоны приповерхностного слоя: общая зона с Л/с/"0,005.0,01 и зона наиболее интенсивного протекания структурных изменений с Л/с/"0,001.0,003. Рекомендована оптимальная относительная глубина поверхностной модификации h/d не более 0,01, но не меньше глубины имеющихся на поверхности микродефектов.

7. Экспериментально показано, что нанесение покрытия Mo-46%Re подавляет протекающие в приповерхностном слое Мо при статическом растяжении процессы измельчения субзеренной структуры и рост плотности дислокаций в малоугловых границах (на стадии микропластического деформирования) и рост плотности дислокации в зернах приповерхностного слоя (на стадии макропластического деформирования).

8. С использованием мультифрактальных представлений выявлены и количественно исследованы структурные изменения в приповерхностных слоях материалов (сплавов Мо, стали ООН 16К4М4Т2Ю, сплавов А1,, слоев Au, А1203, GaN и C6o-CdTe), протекающие в условиях направленных внешних воздействий на их поверхность: механической обработки, ударного воздействия высокоскоростной частицылазерного и плазменного облучения, ионно-вакуумного и микродугового формирования покрытий. Впервые количественно описаны явления перехода одного типа структуры металлического материала в другой тип, а также обнаружены не выявляемые традиционными методами отличия структур, эффекты кластеризации, границы масштабного интервала существования структур Сформулированы рекомендации по оптимизации рассмотренных методов модификации поверхности.

9. Результаты исследований использованы в «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара», «НПО ТЕХНОМАШ», ФГУП «Московский институт теплотехники», «КБ Химического машиностроения им. А.М. Исаева», ОАО «Московский радиотехнический завод», ФГУП «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. академика Н.А. Пилюгина», Бурятском НИИ высоких технологий, Уфимском государственном нефтяном техннч. университете, а также включены в 5 учебных пособий и используются в учебном процессе в МВТУ им. Н. Э. Баумана, ВГТУ, ЛГТУ и ряде других вузов. Получен патент Российской Федерации на исследовательскую установку.

Автор диссертационной работы выражает глубокую благодарность за поддержку, консультации, сотрудничество, помощь в проведении экспериментов и обсуждении полученных результатов: проф., д.т.н. В. Ф. Терентьеву, проф., д.т.н. B.C. Ивановой, д.ф.-м.н. Г. В. Встовскому, д.ф.-м.н. И. Ж. Бунину, д.ф.-м.н. В. Т. Заболотному,. д.ф.-м.н. В. Н. Пименову, к.ф.-м.н. Н. М. Шмидт, Е. Е. Старостину, Н. Н. Краснобаеву, д.т.н. В. Н. Малышеву и многим другим ученым, с которыми ему довелось сотрудничать. Автор также очень признателен оппонентам за согласие уделить внимание диссертационной работы и за внесенные ими ценные замечания и предложения.