CC BY
91
4. Десненко С. И. Развитие личности учащихся при обучении физике в школе (теоретические и практические аспекты): моногр. Чита: Забайкал. гос. гум.-пед. ун-т, 2006.
5. Каган М. С. Философская теория ценностей. СПб.: Петрополис, 1997.
6. Кочергина Н. В. Формирование системы методологических знаний при обучении физике в средней
школе: дис. ... д-ра пед. наук. М., 2003.
7. Новые требования к содержанию и методике обучения в российской школе в контексте результатов ме-
ждународного исследования PISA-2000 / А. Г. Каспржак [и др.]. М.: Университетская книга, 2005.
8. Проклова В. Ю. Итоговые занятия в системе предпрофильной подготовки / / Физика в школе. 2009. № 4. С. 34-42.
9. Сахаров А. В. Развитие познавательного интереса учащихся к физике на основе экспериментальных заданий экологической направленности: автореф. дис. ... канд. пед. наук (в форме научного доклада). Арзамас, 2000.
10. Селезнева Е. В. Общение как среда саморазвития личности: моногр. М.: Изд-во РАГС, 2002.
11. Учитель и ученик: возможности диалога и понимания / сост. Е. А. Генике, Е. А. Трифонова; под общ. ред. Л. И. Семиной Т. 1. М.: Бонфи, 2002.
12. Федеральный компонент государственного стандарта общего образования / / Физика в школе. 2004. № 4.
13. Христофорова С. В. Варианты заданий по физике и астрономии с учетом регионального компонента // Физика в школе. 2009. № 4. С. 60-64.
14. Шаронова Н. В. Теоретические основы и реализации методологического компонента методической подготовки учителя физики: дис. ... д-ра пед. наук. М., 1997.
15. Щербаков Р. Н. Ценностные аспекты процесса обучения и воспитания на уроках физики: моногр. М.: Прометей, 1998.
УДК 621.791 ББК К 5
С. Ф. Забелин, А. А. Васильев, А. А. Дорожков, А. А. Феофанов
Технологии поверхностной нанокристаллизации металлов и сплавов
Проведен анализ и классификация методов силового и физического воздействия, дана оценка их влияния на строение и свойства поверхностного слоя материала с целью получения высоких трибологических характеристик. Предложены механизмы и модели процессов формирования нанофазных (НФС) систем при различных методах воздействия.
Ключевые слова: нанофазные системы, силовые и физические методы воздействия, поверхность материала, механизмы и модель формирования НФС.
S. F. Zabelin, A. A. Vasiliev, A. A. Dorozhkov, A. A. Feofanov
Technologies of surface nanocrystallization of metals and alloys
The analysis and classification of methods of power and physical influence is lead, the estimation of their influence on a structure and properties of a superficial layer of a material with the purpose of reception high tribologies characteristics is given. Mechanisms and are offered to model of processes of formation NPS at various methods of influence.
Key words: nanophase systems, power and physical methods of influence, a surface of a material, mechanisms and model of formation NPS.
В последнее время в периодической печати и в докладах научно-практических конференций появилось достаточно много обсуждений результатов исследований по упрочняющим технологиям различных материалов и изделий [1-5], в которых, практически в каждом, рассматриваются способы создания наноструктурированного состояния металлических материалов путем активации процесса нанокристаллизации и синтеза наноструктур различными методами внешнего силового или физического воздействия. Анализ этих исследований и разработок показал, что эффект достижения упи-кальных физико-механических и функциональных свойств упрочняемых материалов обусловлен созданием характерного структурного размера зерен и формированием НФС в строении по объему всего или только поверхностного слоя материала [1-10].
Большое разнообразие технологических способов и методов нанокристаллизации материалов, различие подходов междисциплинарного характера к объяснению механизмов формирования НФС пе позволяют выявить полную картину кинетики структурообразования и морфологии физикохимических процессов нанокристаллизации, затрудняют систематизацию и моделирование этих 36
процессов, что на сегодня составляет одну из актуальных проблем практического материаловедения и технологии наноструктурированных материалов (НСМ) [7].
Поэтому целью данной работы является классификация технологий и методов нанокристаллизации металлических материалов, анализ технологий поверхностной нанокристаллизации методами внешнего силового и физического воздействия на материал, установление морфологических схем процессов формирования НФС при различных методах воздействия и построение обобщенной модели механизма их формирования.
Классификация технологий и методов наноструктурирования металлических материалов Методы и технологии наноструктурирования материалов, в том числе и формирования НФС в строении материала, осуществляемые как в процессе их производства, так и в процессе эксплуатации, можно классифицировать по следующим технологическим направлениям [7-10] (табл.1):
1. Технологии объемной нанокристаллизации методами синтеза нанокристаллических материалов способами порошковой металлургии (ПМ) [11], интенсивной пластической деформации (ИПД) [12], контролируемой кристаллизации из аморфного состояния (ККАС) [13] или другими способами, например быстрым охлаждением из жидкого расплава (спинингование), газовой атомизации или гальваническим методом [7].
Таблица 1
Технологии и методы нанокристаллизации металлических материалов
№ п/п Технологии Методы
1 Объемная нанокристаллизация - Порошковой металлургии (ПМ): синтез и консолидация (компакти-рование и спекание) нанодисперсных порошковых материалов. - Интенсивной пластической деформации (ИПД): равноканальное угловое прессование (РКУП) и винтовая деформация под давлением. - Контролируемой кристаллизации из аморфного состояния (ККАС): изотермический отжиг или физическое воздействие. - Газовой атомизации (метод Глейтера). - Гальванический метод
2 Поверхностная нанокристаллизация Внешнего силового воздействия на поверхность материала при: - фрикционной обработке; - ударном наклепе; - прокатке; - гидроэкструзии Внешнего физического воздействия на поверхность материала при: - ультразвуковой обработке; - лазерной обработке; - плазменной обработке; - ионной имплантантации; - термической, химико-термической или термомеханической обработке
3 Нанокристаллизация путем самоорганизующейся микромодификации поверхности С использованием: - ремонтно-восстановительных смесей (РВС) в суспензиях и средах с наночастицами; - поверхностно-активируемых веществ (ПАВ) с наночастицами; - фазового наклепа материала поверхности
4 Нанесение нанострукту-рирован-ных покрытий и пленок При использовании: - физических (PVD) методов (молекулярно-лучевая эпитаксия); - химических (CVD) методов (химическое осаждение из газовой фазы); - электроосаждения
2. Технологии поверхностной нанокристаллизации при использовании внешнего силового или физического воздействия на поверхность материала изделий [14], например способами фрикционной обработки [15], ударного наклепа или прокатки [14], ультразвуковой [16], лазерной и плазменной обработки [17], электроискровым или лазерным микролегированием, термической, химикотермической или термомеханической обработки [2; 7; 18].
3. Технологии поверхностной нанокристаллизации, включающие способы самоорганизующегося микромодифицирования поверхности при использовании ремонтно-восстановительных смесей (РВС) [19] и поверхностноактивных веществ (ПАВ) [20] в суспензиях и средах с наночастицами в процессе эксплуатации изделий.
4. Технологии нанесения покрытий и пленок с нанокристаллическим строением при использовании различных физических (PVD) или химических (CVD) методов их формирования [21].
Не снижая значимости первого технологического направления, связанного в основном с синтезом НСМ, и четвертого, связанного с нанесением покрытий, отметим, что большой практический интерес представляют технологии второго и третьего направления, напрямую связанные с поверхност-но-упрочняющими технологиями, используемыми как на подготовительной стадии производства, так и в процессе эксплуатации изделий.
Физическая сущность поверхностного упрочнения наноструктурированных материалов
Большинство технологий, обеспечивающих формирование НФС в поверхностном слое металлов и сплавов, предназначены для улучшения трибологических характеристик изделий пар-трения. Согласно классической теории износа, низкий абразивный износ и высокая усталостная прочность, а также стойкость к деформации и разрушению связаны с высокой твердостью материала, которая является структурно зависимой характеристикой и связана с упругими и пластическими свойствами материала [3-5]. Например, для оценки стойкости материала к упругой деформации разрушения используют величину отношения твердости H к модулю упругости E, т. е. H/E - индекс пластичности материала, а для оценки сопротивления материала пластической деформации параметр - H3/E2 [5]. Из этого следует, что требуемый материал должен обладать высокой твердостью при низком модуле упругости, что и обеспечивается созданием наноструктурированного состояния поверхностного слоя упрочняемого материала.
Так, из экспериментальных данных (рис.1) виден характер зависимости изменения микротвердости от размера зерна НСМ [22]. Учитывая, что с изменением размера зерна и фрагментацией структурного строения материала при нанокристаллизации, в процессе релаксационной деформации происходит смена дислокационного механизма пластической деформации на зернограничный [22; 23], это подтверждают данные электронно-микроскопических исследований, указывающих на отсутствие дислокаций в объеме зерен либо на пренебрежимо малую их плотность.
Рис. 1. Экспериментальные данные зависимости микротвердости от размера зерна нанокристаллических материалов [23]
НСМ обладают высокой прочностью, но относительно низкой пластичностью, что, очевидно, вызвано подавлением процессов генерации и движения дислокаций из-за малого размера зерна и значительной доли разупрочненного материала, связанных с увеличением объема границ зерен и тройных стыков [11].
Твердость характеризует сопротивление материала упругой и пластической деформации при вдавливании и в значительной мере определяется пределом текучести. Размер зерен оказывает заметное влияние на предел текучести, согласно закону Холла-Петча в обычных металлах:
Оу = 00 + kyd■1/2, (1)
где о0 - внутренне напряжение, препятствующее движению дислокаций; Ц- - константа. При температурах, не превышающих 1/2 температуры плавления, микротвердость (по Виккерсу) связана с пределом текучести оу эмпирическим соотношением ^/оу и 3 [24]. Таким образом, размерная зависимость твердости может быть в первом приложении записана:
^ « № + Ы-1/2, (2)
где Ио и k - константы. Если деформация осуществляется диффузионным скольжением, то, согласно [24], при невысоких температурах скорость деформации составляет:
е = BoQбD/kвTd3, (3)
где B - коэффициент пропорциональности, о - внешнее напряжение, б - толщина границы раздела, Q - атомный объем, D - коэффициент зернограничной диффузии.
Из уравнений (1)-(3) следует, что уменьшение размера зерен приводит к заметному изменению механических свойств, в частности упрочнению материала. Одновременно из (3) следует, что при нанометровом размере диффузионное скольжение приобретает важную роль даже при комнатной температуре, заметно увеличивая скорость деформации. Таким образом, влияние размера зерен на прочностные свойства нанокристаллического материала неоднозначно и зависит от соотношения между изменениями предела текучести и скорости деформации. Кроме этого, нужно принять во
внимание возможное увеличение коэффициента зернограничной диффузии при уменьшении раз-
мера зерен. Действительно, при комнатной температуре микротвердость нанокристаллических материалов в 2-7 раз выше, чем у крупнозернистых.
Технологии внешнего силового воздействия
Износостойкость, коэффициент трения и другие трибологические свойства материала определяются не только исходной структурой и соответствующими ей физико-механическими свойствами контактирующих металлов, но и в значительной степени характером изменения (иерархии) структурного состояния и комплекса свойств в формирующемся в поверхностном слое материала в процессе их контактного взаимодействия. При этом формирование нанокристаллических структур трения обусловлено спецификой напряженного состояния, возникающего в зоне трения скольжения твердых тел [15].
Так, по результатам исследований в Институте физики металлов УрО РАН (Екатеринбург) [2528] установлено, что при трении скольжения практически любых металлических материалов в их тонком (меньше 10мкм) поверхностном слое формируются нанокристаллические структуры, возникновение которых связано с действием в рассматриваемом слое ротационных механизмов пластической деформации. Основным фактором, обусловливающим развитие процессов упругопластической деформации и разрушения поверхностного слоя материала при трении скольжения, являются высокие локальные внешние напряжения, возникающие в зоне контакта. По сути, в процессе трения каждая отдельно движущаяся микронеровность одного тела создает в поверхностном слое сопряженного тела две разных по знаку зоны напряжений [25], вследствие чего микрообъемы материала поверхностного слоя трущихся тел подвергаются последовательному воздействию сжимающих и растягивающих (сдвигающих) контактных напряжений [29].
Сравнительный анализ методами металлографии, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеноструктурного анализа (РСА) структурных изменений, развития фазовых превращений в сплавах и сталях при трении скольжения [30], деформировании сдвигом под давлением (в наковальнях Бриджмена) [31] и прокатке позволили получить данные о величине возникающих в зоне трения исследуемых материалов контактных напряжений, а также о специфике их влияния на фазовый состав, прочностные (микротвердость, сопротивление сдвигу) и трибологические свойства формирующихся нанокристаллических структур (табл. 2).
Таблица 2
Фазовый состав, прочностные и трибологические свойства нанокристаллических структур, возникающих при сухом трении скольжения сплавов железа (трение на воздухе в паре со сталью 45, нагрузка 294 Н,
скорость скольжения 0,07 м/с)
Марка Фазовый Микротвер- Сопротивление Коэффициент Интенсивность
сплава состав дость, ГПа сдвигу, ГПа тренияF изнашивания Ш, 10-7
Г21 E 5,6 1,6 0,28 3,1
Г30 E+Y(25%) 6,2 1,7 0,27 1,6
Г40 Y 6,2 2,5 0,40 11,0
120Г13 Y 8,0 4,0 0,50 1,0
40Х12Г8 А(>80%) 8,9 4,9 0,55 1,8
140Г4 Y+(30%A) 9,3 5,6 0,60 0,4
Кристаллиты (фрагменты), образующие нанофазные структуры, по данным электронномикроскопических исследований [28-30], характеризуются значительной взаимной разориентацией и неоднородны по величине - их размер лежит в диапазоне от нескольких до сотен нанометров. Ниже нанокристаллического слоя - на расстоянии 10 мкм от поверхности трения - формируется ультрадисперсная структура, в которой присутствует ярко выраженная текстура [30].
Реальные величины контактных сжимающих напряжений примерно соответствуют значениям микротвердости поверхности трения. Например, при трении стали У13 возникают контактные сжимающие напряжения, которые достигают уровня 10-12 ГПа [29]. Высокие сжимающие контактные напряжения препятствуют возникновению и развитию микротрещин в поверхностном слое, создавая условия для реализации больших пластических деформаций, которые осуществляются ротационными механизмами пластичности, что и обусловливает формирование нанокристаллических структур трения. Преимущественный характер развития фазовых превращений в поверхностном слое обеспечивает низкий коэффициент трения (менее 0,3) и значительное сопротивление адгезионному изнашиванию (табл. 2), а формирование нанофазного слоя способствует росту прочности и износостойкости стальных изделий.
Технологии методов физического воздействия
Проблема поверхностной нанокристаллизации массивных деталей и изделий из конструкционных и инструментальных материалов может быть решена использованием различных методов физического воздействия на поверхность материала (табл. 1). Рассмотрим ряд примеров таких технологий.
Одним из способов улучшения качественных характеристик изделий из сталей и сплавов является плазменная обработка в высокочастотной (ВЧ) плазме индукционного и емкостного разрядов при пониженном давлении (13,3-133 Па) [17]. В результате воздействия ВЧ плазмы при пониженном давлении с продувом газа на поверхности сталей, титановых и твердых сплавов образуются нанофазные слои толщиной до 30 нм. Исследования с помощью рентгеновского микроанализатора, дифрактометра и электронного магнитного спектрометра показали, что при взаимодействии ВЧ плазмы с металлами и сплавами происходит диффузионное внедрение атомов плазмообразующих газов (Аг, N О, С) в поверхностные слои, образуя на них нанофазные системы из оксидов, нитридов и карбидов элементов, входящих в состав материала. Изменения структуры и свойств материала происходят на глубине 100-200 мкм. При этом попытается коррозийная стойкость, прочность, микротвердость, износостойкость изделий из этих материалов, а причиной установленных изменений являются низко-энергетичная (10-100 эВ) ионная бомбардировка поверхности твердых тел [17].
Не менее эффективно применение методов ионно-лучевой обработки (ИЛО) металлов и сплавов [34], которые приводят к формированию на поверхности модифицированного слоя, физикомеханические свойства которого значительно отличаются от свойств основного материала. В зависимости от флюенса ионов возможно образование в поверхностных слоях метастабильных (пересыщенных) твердых растворов, выделений новых фаз, а также потери дальнего порядка в расположении атомов, образующих кристаллическую решетку твердого тела.
Например, ИЛО аустенитной нержавеющей стали 12Х18 Н10Т проводилась на вакуумной установке УВН-2М с использованием ленточного ионного источника с азотированием полиэнергетиче-ским потоком ионов с энергией 2,5 кэВ и плотностью ионного тока - 2 мА/ см2, до набора дозы внедренных ионов 3x1с19 см-2 при температурах 350-500 0С, и получены модифицированные слои соответственно 5-20 мкм. Ренттенофазовыгй анализ показал, что упрочненный слой состоит из нитридной фазы на основе ГЦК решетки с гексагональными (400 0С) и тетрагональными (450 0С) искажениями. При температурах свыгше 420 0С в слое формируются частицы 0\№ и наноразмерные частицы ферромагнитного а-Бе, размер которых 3-8 нм в зависимости от температуры. Кроме того, в слое обнаружены следы присутствия новой фазы, которая предварительно идентифицирована как гексагональный нитрид (Бе, Сг)2№ Данная технология ионно-лучевого азотирования аустенитных нержавеющих сталей применяется для производства медицинских инструментов, но может найти широкое применение в машиностроительном производстве.
Другим примером технологии физического воздействия на поверхность материала изделий с целью формирования нанофазных систем является электронно-пучковая обработка (ЭПО). Использо-
вание импульсных электронных пучков как способ модификации металлов и сплавов позволяет существенно повысить коррозийную стойкость, износостойкость и микротвердость поверхностных слоев материала, в том числе и конструкционных сталей [36]. Достигаемый эффект объясняется закономерностями эволюций строения структуры на различных структурно-масштабных уровнях фазового состава и дефектной субструктуры материала, в условиях высокоскоростного нагрева и охлаждения, инициированных облучением сильноточным электронным пучком микросекундной длительности.
Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ЭМ-125) в области (глубиной 15-20 мкм) твердофазного а^у^а - превращения в стали 65Г, инициированного ЭПО, выявлены зоны различных структурно-фазовых состояний - со структурой перлита, преобразованного фрагментацией пластин цементита и изменением дефектной субструктуры феррита или, в кото-рыгх фиксировались различные стадии растворения цементита с образованием многофазной структуры, состоящей из кристаллов пакетного мартенсита, пластинчатого низкотемпературного мартенсита, островков либо прослоек остаточного аустенита и частиц цементита [36]. Установлено, что кристаллы! образующегося мартенсита в поперечных размерах измеряются 20-70 нм. Релаксация полей напряжений, формирующихся в стали при ЭПО, осуществляется путем их взаимной аккомодации при образовании кристаллов мартенсита.
Большой практический интерес представляют технологии получения нанокристаллического состояния материала в поверхностном слое массивных изделий (валы прокатного стана, инструмент, штампы и др.) из конструкционных и инструментальных сталей и изделий из титановых сплавов (ВТ22) методом ультразвуковой ударной обработки (УЗУО) [16]. Ее эффективность связана с многократным ударным нагружением металлов и протекающими при этом различными физикохимическими процессами. Наиболее важными из них является снижение деформирующих усилий и ударных нагрузок и существенное повышение подвижности атомов, что приводит к аномальному массопереносу. Высокая степень пластической деформации при УЗУО локализуется в тонких поверхностных слоях, что в совокупности с повыгшением температуры при ударах способствует протеканию различных структурно-фазовых превращений в металлах и сплавах.
Так, в результате УЗУО массивных изделий из закаленных инструментальных и штамповых сталей (4Х5МФ1С) методом ПЭМ высокого разрешения (х106) установлено образование на глубине 15-25 мкм от поверхности нанокристаллических структур (нанофаз) с размером зерна 5-10 нм, а на глубине 250-300 мкм - субмикрокристаллической структуры [16]. При этом наблюдается рост микротвердости в 1,3-1,6 раза.
Рентгеновские методы показали, что уровень внутренних сжимающих напряжений возрастает до 800-850 МПа на глубине до 150 мкм. При этом возрастает плотность дефектов кристаллического строения, являющихся центрами зарождения новых фаз. Кроме того, высокая степень пластической деформации материала поверхностного слоя позволяет ускорить распад метастабильных фаз и ускорить время процесса старения.
Морфологические схемы процессов и модель механизмов формирования НФС
Анализ представленных технологий и других результатов исследований показал, что основную роль в процессе формирования НФС играют структурные изменения в поверхностном слое материала при создании в нем особо активированного состояния. Такое состояние материала обусловлено не только структурными изменениями (измельчение зерна и фрагментация, образование кластерных структур и нанофаз), но и спецификой напряженного состояния и процессов релаксационной деформации, возникающих в зонах концентраторов напряжений (ЗКН) локального взаимодействия твердых тел (внешнее силовое воздействие) или в результате взаимодействия элементов структуры с потоками энергии, ионов или диффундирующих атомов (физическое воздействие).
Системный анализ технологий различных видов воздействий на процессы формирования НФС в поверхностном слое материала (конструкционные стали и сплавы) показал, что физическая сущность процессов и механизмы формирования НФС различны, но морфологические схемы технологий различаются незначительно [37; 38].
При внешнем силовом воздействии на поверхность материала, а это методы механической, термомеханической и фрикционной обработки, ударного наклепа и прокатки, протекают процессы контактного взаимодействия твердых тел, и морфологическая схема технологии имеет следующий вид:
Контактное взаимодействие ^ Напряжения ^ Образование ЗКН ^ Упруго-пластическая деформация ^ Релаксация напряжений ^ Структурные изменения - фрагментация (формирование НФС в поверхностном слое).
При физическом воздействии на поверхность материала, а это методы плазменной, лазерной, ультразвуковой, ионно-лучевой, электроискровой, термической и химико-термической обработки протекают процессы взаимодействия потоков энергии, ионов и/или диффундирующих атомов со структурными элементами материала поверхностного слоя и морфологическая схема таких процессов имеет следующий вид:
Воздействие ^ Напряжения ^ Образования ЗКН ^ Микродеформация и диффузия ^ Структурные изменения - фрагментация, кластерные и нанофазные образования (избирательное изменение фазового состояния и кинетики фазовых превращений при формировании НФС).
Если считать материал изделия многоуровневой системой, в которой пластическая деформация самосогласованно развивается как потеря сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях (нано-, микро-, мезо- и макро), то основополагающим механизмом деформации подобных систем является локальное структурное превращение материала в локальных зонах концентраторов напряжений (ЗКН) различного масштаба.
В случаях внешних силовыгх воздействий, возникающие напряжения, выгзывают большие (интенсивные) пластические деформации (ИПД) структурных составляющих в ЗКН поверхностного слоя материала. В конечном счете, они определяют спектр структурных дефектов и доминирующие микромеханизмы пластичности при контактном деформировании. В этом случае формирование нанофазной структуры в поверхностном слое обусловлено реализацией ротационных механизмов пластической деформации и эффекта фрагментации структуры, под воздействием выщеляемой в условиях деформации энергией.
В случаях, когда осуществляются физические методы воздействия на поверхностный слой материала (высокочастотные колебания при ультразвуковой обработке, ионная бомбардировка при плазменной или ионно-лучевой обработке), в структуре создаются зоны активированного состояния материала - ЗКН, причем на всех уровнях - нано-, микро-, меза- и макроструктуры. Воздействие потоков энергии, ионов, градиентов температуры и концентрации, диффузии атомов плазмообразующих газов и атомов элементов 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 ЗКН, в которыгх инициировано образование метастабиль-ных (пересыщенных) твердых растворов, выпделение новыгх нанофаз, а также наблюдается потеря дальнего порядка в расположении атомов кристаллической решетки твердого тела. При физических методах воздействия на материал в его поверхностном слое образуются внутренние напряжения, достаточные для того, чтобы инициировать и диффузионные процессы, которые приводят к избирательному изменению фазового состояния и изменению кинетики фазовыпх превращений в материале.
С учетом анализа механизмов и представленных морфологических схем процессов формирования нанофазных систем для различных технологических способов внешнего силового и физического воздействия можно предложить обобщенную модель процессов (рис. 2).
Рис. 2. Модель формирования НФС в поверхностном слое материала
Анализ рассмотренных технологий и результатов научных исследований позволяет сделать вывод, что формирование нанофазных систем в поверхностном слое материалов как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации изделия обусловлено реализацией ротационных механизмов пластической деформации, возникающих при внешнем силовом или физическом воздействии, инициирующем процессы диффузии, генерации и релаксации напряжений и преимущественный характер развития фазовых превращений в образующихся зонах локальных внутренних напряжений. Уникальный комплекс конструктивных и функциональных свойств таких материалов объясняется 42
иерархическим изменением структурных образований в поверхностном слое изделия - фрагментацией структуры, образованием кластерных структур и новых папофаз, в частности карбидных, оксидных, нитридных, в зависимости от состава элементов сплава или технологической среды, возникающей при внешнем силовом или физическом воздействии.
Очевидно, результаты примеров научных и практических разработок по трибологическим технологиям с использованием наноматериалов и наноконструирования поверхности деталей и узлов позволят успешно решать проблему борьбы с износом и эффективной эксплуатацией механизмов и машип в различных отраслях промышленности и техники.
Список литературы
1. Вторая Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО-2007». Новосибирск: Изд-во ИXXТ СО РАН, 2007. 510 с.
2. Третья Международная научно-практическая конференция «Наноматериалы технического и медицинского назначения». Тольятти: Изд-во ТГУ, 2007. З82 с.
3. Третья Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО-2009». Екатеринбург: Уральское изд-во, 2009. 900 с.
4. Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии». Витебск: Изд-во НБАН, 2009. 750 с.
5. Третья Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». М.: Изд-во Наука, ИМЕТ РАН, 2009, Т.1. 527 с. Т.2. 407 с.
6. Третьяков Ю. Д. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом / / Вестник РАН. 2007. Т. 77. № 1. С. 3-10.
7. Забелин С. Ф., Алымов М. И. Материаловедение и технология наноструктурированных материалов. Чита: Изд-во ЗабГГПУ (Гриф УМО ВППО). 2007. 141 с.
8. Забелин С. Ф., Забелин К. С. Системный анализ и критерии классификации наноструктурированных материалов / / Технология машиностроения. 2006. № 3. С. 5-10.
9. Забелин С. Ф., Забелин К. С. Системно-технологический анализ процессов синтеза объемных нанокри-сталлических материалов / / Технология машиностроения. 2007. № 6. С. 5-9.
10. Забелин С. Ф., Зеленский В. А., Забелин К. С. Принципы наноструктурирования конструкционных материалов /1 Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности: сб. тр. 4-й Ме-ждунар. науч.-практ. конф. СПб., 2007. Т. 11. С. 72-80.
11. Лякишев Н. П., Алымов М. И. Получение и физико-механические свойства объемных нанокристалли-ческих материалов. М.: Изд-во ЭЛИЗ, 2007. 148 с.
12. Валиев Р. З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.:Логос, 2000. 272 с.
13. Ковнеристый Ю. К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы. М.: Наука, 1999. 80 с.
14. Васильев М. А., Прокопенко Г. И., Филатова В. С. Нанокристаллизация металлических поверхностей методами интенсивной пластической деформации / / Успехи физ. мет. 2004. Т. 5. № 3. С. 345-399.
15. Повышение теплостойкости и износостойкости закаленных углеродистых сталей фрикционной обработкой | А. В. Макаров [и др.] / / МиТОМ. 2007. № 3. С. 51-62.
16. Лесюк Е. А. Технология получения нанокристаллической структуры в поверхностных слоях массивных деталей из конструкционных и инструментальных сталей / / Технология металлов. 2008. № 7. С. 29-35.
17. Формирование нанофазных систем на поверхности металлов в высокочастотной плазме | И. Ш. Абдулин, В. С. Желтухин [и др.]. / / Материаловедение. 2007. № 9. С. 52-56.
18. Курзина И. А. Наноразмерные интерметаллидные фазы, формирующиеся в условиях ионной имплантации / / Материаловедение. 2010. № 2. С. 49-64.
19. Кокоткин В. З., Балабин В. Н., Нежданов В. И. Применение РВС - технологии на железнодорожном транспорте / / Наука и промышленность в России. 2002. № 8. С. 63; № 10. С. 62.
20. Трибологические характеристики смазочных материалов, модифицированных нанодисперсными наполнителями | М. Люты [и др.] / / Наноструктурные материалы. М.: ИМЕТ РАН, 2002. С. 44.
21. Калита В.И. Физика, химия и механика формирования покрытий, упрочненных наноразмерными фазами // ФизXОМ, 2005. № 4. С. 46-57.
22. Поздняков В. А., Глезер А. М. Структурные механизмы пластической деформации нанокристалличе-ских материалов // ФТТ. 2002. Т. 44. Вып. 4. С. 705-710.
23. Поздняков В.А. Механические свойства нанокристаллических материалов / / ФММ. 2003. Т. 96. № 1. С. 114-121.
24. Шевченко С. В., Стеценко Н. Н. Наноструктурные состояния в металлах, сплавах и интерметаллических соединениях: методы получения, структура, свойства / / Успехи физ. мет. 2004. Т. 5. № 2. С. 219-255.
25. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / пер. с англ. М.: Машиностроение. 1986. 359 с.
26. Korshunov L. G., Makarov A. V., Chernenko N. L. Ultrafine Structures formed upon Friction and Their Effect on the Tribological Properties of Sleels //The Physics of Metals and Metallography. 2000. V. 90 S.I.P. 548-558.
27. Макаров А. В., Коршунов Л. Г. Повышение твердости и износостойкости закаленных лазером стальных поверхностей с помощью фрикционной обработки / / Трение и износ. 2003. Т. 24. № 3. С. 301-306.
28. Коршунов Л. Г., Черненко Н. Л., Гойхенберг Ю. Н. Нанокристалические и ультрадисперсные структуры, формирующиеся в аустенитных сталях при трении и статическом растяжении / / Наноматериалы технического и медицинского назначения: материалы междунар. науч.-практ. конф. Тольятти: ТГу. 2007. С. 163-165.
29. Коршунов Л. Г., Шабашов В. А., Черненко Н. Л., Пилюгин В. П. Влияние контактных напряжений на фазовый состав, прочностные и трибологические свойства нанокристаллических структур, возникающих в сталях и сплавах при трении скольжения. Тольятти: ТГУ. 2007. С. 166-168.
30. Коршунов Л. Г. Структурные превращения при трении и износостойкость аустенитных сталей // ФММ. 1992. № 8. С. 3-21.
31. Shabashov V. A., Korshunov L. G., Muroseev A. G. et al. Deformation - induced phase transitions in a high-carbon steel / / Materials Science and Engineering. A 346. 2003. P. 196-207.
32. Абдулин И. Ш., Желтухин В. С., Кашапов Н. Ф. Высококачественная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях: Теория и практика применения. Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та. 2000. 348 с.
33. Белый А. В., Кукареко В. А. Лободаева и др. Ионно-лучевая обработка металлов, сплавов и керамических материалов. Минск: Изд-во ФТИ НАНБ.1998. 220с.
34. Белый А. В. Высокоинтенсивная низкоэнергетическая имплантация ионов азота / / Физическая мезо-механика. 2002. Т. 5. № 1. С. 95.
35. Биленко Э. Г., Вегера И. И. Образование наноразмерных частиц a-Fe в стали 12Х18М10Т при ионнолучевом азотировании// Наноматериалы технического и медицинского назначения: материалы междунар. на-уч.-практ. конф. Тольятти: ТГу. 2007. С. 108-110.
36. Целлермаер И. Б. и др. Формирование наноразмерных кристаллов мартенсита, при электронно-
пучковой обработке стали 65Г. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2007. С. 31-32.
37. Механизмы и модели формирования нанофазных систем на поверхности материала при внешнем си-
ловом и физическом воздействии / С. Ф. Забелин [и др.] / / Материалы международной конференции. Невин-номысск: Изд-во НИЭУП. 2009. С. 276-278.
38. Забелин С. Ф., Зеленский В. А., Забелин К. С. Морфологическая модель процесса формирования на-нофазной системы на поверхности металлов и сплавав // Актуальные проблемы прочности: материалы между-нар. конф. Н. Новгород: Изд-во ННГУ. 2008. С. 125-128.
УДК 378.147: 621.031 ББК Ч 486.81
Л. Я. Калашникова
Курс «Прикладная механика» как основа изучения технических дисциплин направления
«Технологическое образование»
Курс «Прикладная механика» относится к циклу общепрофессиональных дисциплин направления и представляет основу общетехнического знания. В курсе достаточно полно представлена физическая теория, которая выражается системой элементов знаний. Обучение будущего бакалавра «Технологического образования» должно базироваться на взаимосвязи науки и практики, научной основой которых являются теоретические основы прикладной механики.
Ключевые слова: курс «Прикладная механика», технологическое образование, система элементов знаний, общетехнические знания и умения, компетентность.
L. JA. Kalashnikova
Course «Applied mechanics» as a basis of studying of technical disciplines of a direction
«Technological formation»
The course «Applied mechanics» concerns a cycle of general professional disciplines of a direction «Technological formation». It represents a basis general technical knowledge. The physical theory is presented in a course full enough, and expressed by system of elements of knowledge. Training of the bachelor of "Technological formation» should be based on interrelation of a science and the practice which scientific basis are theoretical bases is the applied mechanics.
Key words: a course «Applied mechanics», technological formation, system of elements of knowledge, knowledge, general technical and abilities, competence.
