CC BY
40
УДК 539.3
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ НАНОФАЗНЫХ СИСТЕМ (НФС) В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МАТЕРИАЛА ПРИ СИЛОВЫХ И ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ
© С.Ф. Забелин, А.А. Васильев, А.А. Феофанов
Забайкальский государственный гуманитарно-педагогический университет им. Н.Г. Чернышевского,
г. Чита, Россия, e-mail: metal@zabspu.ru
Ключевые слова: механизм формирования; нанофазные системы; поверхность; силовое и термопластическое воздействие.
Установлены морфологические схемы и механизмы процессов формирования НФС в поверхностном слое материала при силовых и термопластических методах воздействия. Предложена обобщенная модель процесса формирования нанофазных структур с учетом особенностей методов воздействия.
Анализ результатов научных исследований, посвященных вопросам разработки упрочняющих технологий путем формирования нанофазных систем на поверхности металлов и сплавов при внешнем силовом и физическом воздействии, показал, что основную роль играют структурные изменения, протекающие в поверхностном слое материала при создании в нем особо активированного состояния [1].
Такое состояние материала обусловлено не только структурными изменениями (фрагментация, образование кластерных структур и нанофаз), но и спецификой напряженного состояния, возникающего в зонах локального взаимодействия твердых тел (внешнее силовое воздействие) или в результате взаимодействия с потоками энергии, ионов или диффундирующих атомов при самоорганизующемся микромодифицировании поверхности (физическое воздействие) [2]. Поэтому представляет научный и практический интерес установить морфологические схемы процессов и механизмы формирования нанофазных систем в поверхностном слое материалов.
При внешнем силовом воздействии на поверхность материала протекают процессы контактного взаимодействия твердых тел. Морфологическая схема таких процессов имеет следующий вид:
Взаимодействие ^ Напряжения ^ Упругопластическая деформация ^ Релаксация напряжений ^ Структурные изменения (формирование нанофаз-ной системы).
При физическом воздействии на поверхность материала (методы плазменной, ультразвуковой, лазерной, термопластической обработки) протекают процессы взаимодействия потоков энергии, ионов или диффундирующих элементов со структурными элементами. Морфологическая схема таких процессов имеет следующий вид:
Воздействие ^ Напряжения ^ Микродеформация ^ Диффузия ^ Структурные изменения (изби-
рательное изменение фазового состояния и кинетики фазовых вращений).
Установлено, что в обоих случаях особое значение имеет напряженное состояние поверхностного слоя материала.
В случаях внешних силовых воздействий возникающие напряжения вызывают большие (интенсивные) пластические деформации (ИПД) структурных составляющих поверхностного слоя материала. В конечном счете, они определяют спектр структурных дефектов и доминирующие микромеханизмы пластичности при контактном деформировании [3], а формирование на-нофазной структуры в поверхностном слое обусловлено реализацией ротационных механизмов пластической деформации и эффекта фрагментации структуры под воздействием выделяемой в условиях деформации энергией [4].
В случае, когда осуществляются методы физического воздействия на поверхность материала (высокочастотные колебания при ультразвуковой обработке, ионная бомбардировка при плазменной или ионнолучевой обработке, или термопластической) создаются зоны активированного состояния материала. Воздействие потоков энергии, ионов, градиентов температуры и концентрации, диффузии атомов плазмообразующих газов приводит к формированию нанофазных систем в поверхностном слое материала. В зависимости от плотности потоков энергии, частоты колебаний или флюенса ионов в структурном строении материала происходит образование метастабильных (пересыщенных) твердых растворов, выделение новых нанофаз, а также наблюдается потеря дальнего порядка в расположении атомов кристаллической решетки [4].
При физических методах воздействия на материал в его поверхностном слое образуются внутренние напряжения, достаточные для того, чтобы инициировать диффузионные процессы, которые и приводят к избирательному изменению фазового состояния и изменению кинетики фазовых превращений в материале.
Внешнее силовое воздействие
Взаимодействие с потоками энергии
Напряжения и ИПД
Фрагментация и ротационная микроструктура
Нанофазная система
Диффузионная активность
Рис. 1. Обобщенная модель процессов формирования нанофазных систем для различных технологических направлений
Возможен и третий случай формирования нанофаз-ных систем на поверхности металлов и сплавов при самоорганизующемся микромодифицировании поверхности материала деталей пар-трения. В основе технологии лежат эффекты фрагментации структуры под воздействием ИПД [4] при введении в зону контакта (трения) на этапе эксплуатации «первичных» нанопорошков. Диспергированные в смазочно-разделительном слое нанопорошки (медь) или суспензии (углеродные наночастицы с размерами 3-8 нм) превращаются в новые активные центры зарождения и роста «вторичных» нанокристаллических структур под воздействием выделяемой в условиях ИПД энергии.
В активной зоне контакта под воздействием нагрузок и температуры при фрагментации образуются слои с нанокристаллической структурой (размер фрагментов от 3 до 100 нм), в результате чего в десятки раз увеличивается диффузионная подвижность атомов [5]. Морфологическая схема данной технологии будет иметь следующий вид:
Взаимодействие ^ Напряжения и ИПД ^ Диффузионная активность ^ Ротационная микроструктура ^ Микромодифицирование поверхностного слоя.
С учетом анализа механизмов и предложенных морфологических схем процессов формирования на-нофазных систем для различных технологических направлений можно предложить обобщенную модель процессов (рис. 1).
ЛИТЕРАТУРА
1. Забелин С. Ф., Зеленский В.А., Забелин К. С. К вопросу об активированном состоянии нанокристаллических материалов // ПРОСТ-2006: материалы международной конференции. М.: МИСиС(ТУ), 2006. С. 134.
2. Третьяков Ю.Д. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом // Вестник РАН. 2007. Т. 77. № 1. С. 3-10.
3. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные ИПД. М.: Логос, 2000. 272 с.
4. Забелин С.Ф., Зеленский В.А., Забелин К.С. Методологические и технологические принципы наностурктурирования материалов // Наноматериалы технического назначения: материалы международной конференции. Тольятти: ТГУ, 2007. С. 11-13.
5. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 192 с.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Zabelin S.F., Vasilyev A.A., Feofanov A.A. Features of the mechanism of formation of nanophase systems (NPS) in the material blanket at power and thermoplastic methods of influence.
Morphological schemes and mechanisms of processes of formation NPS in a material blanket are established at power and thermoplastic methods of influence. The generalized model of process of formation nanophase structures taking into account features of methods of influence is offered.
Key words: the formation mechanism; nanophase systems; a surface; power and thermoplastic influence.
