Технологии формирования и методы исследования наноструктурированного поверхностного слоя конструкционных материалов

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

В. П. Кузнецов, А. С. Скоробогатов 

ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ 

И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО 

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ  

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

У че б но е  по с о б ие

Рекомендовано методическим советом  

Уральского федерального университета для студентов вуза, 

обучающихся по направлениям подготовки 

22.03.01, 22.04.01 — Материаловедение  

и технология материалов 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2020 

ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

УДК 62-97(075.8)
ББК 30.36я73
         К89

Рецензенты:
А. В. Макаров — член-корреспондент РАН, доктор технических 

наук, заведующий отделом материаловедения Института физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург 

Ю. П. Шаркеев — доктор физико-математических наук, профессор, 

заведующий лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов 
Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск 

Научный редактор — доктор технических наук, заведующий кафе
дрой термообработки и физики металлов Уральского федерального 
университета А. А. Попов 

К89

Кузнецов, В. П.
Технологии формирования и методы исследования нано
структурированного поверхностного слоя конструкционных материалов : учебное пособие / В. П. Кузнецов, А. С. Скоробогатов ;  
Мин-во науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург :  
Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 188 с.

ISBN 978-5-7996-3014-0

Пособие посвящено современным представлениям о наноструктурировании кон
струкционных материалов методом интенсивной пластической деформации и развитии технологий нанокристаллизации поверхностных слоев сталей и сплавов для 
существенного повышения эксплуатационных свойств. Рассмотрены механизмы и основы построения технологии формирования наноструктурного состояния материала 
поверхностного слоя. Приведены результаты исследований свойств наноструктурированных поверхностей конструкционных материалов зарубежных и отечественных 
ученых. Большое внимание уделено разработанной и запатентованной авторами технологии NSB. Представлены современные методы исследований наноструктурированных поверхностных слоев.

Предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры направления матери
аловедения и технологии новых материалов.

Табл. 15. Рис. 114. Прил. 3.

УДК 62-97(075.8)
ББК 30.36я73

ISBN 978-5-7996-3014-0
© Кузнецов В. П., Скоробогатов А. С., 2020
© Оформление. Уральский федеральный
     университет, 2020

ВВЕДЕНИЕ

Н

овые подходы к существенному повышению эксплуатационных свойств конструкционных материалов строят
ся на развитии нанотехнологий.

Современные нанотехнологии связывают улучшение физи
ко-механических и эксплуатационных характеристик конструкционных материалов с измельчением их зеренной структуры 
до 100 нм и менее, что приводит к существенному увеличению 
объемной доли границ разделов и обусловливает уникальные 
эксплуатационные свойства, отличные от свойств основного объема металла. Наличие в наноструктуре квазиаморфной 
фазы обеспечивает эффективную релаксацию напряжений любого масштабного уровня и приводит к значительному повышению механических свойств и формированию так называемого «белого» слоя [1].

Создание материалов с повышенными прочностными ха
рактеристиками и экстремальными эксплуатационными свойствами может быть обеспечено на основе управления структурообразованием (субструктурным упрочнением) интенсивной 
пластической деформацией (ИПД) [2]. В результате пластического структурообразования, в поверхностном слое сталей 
и сплавов формируются фрагментированные субмикро- и нанокристаллические структуры.

Эффективными методами создания объемных нанокристал
лических материалов являются равноканальное угловое прессование [2], кручение под высоким давлением [3], интенсивная прокатка, всесторонняя ковка [4] и др.

Введение

В настоящее время разработаны различные методы изго
товления объемных нанокристаллических материалов. Однако 
пока существуют трудности их серийного производства и практического использования в промышленных целях.

Ресурс машин и оборудования определяется состояни
ем поверхностных слоев деталей, подвергаемых воздействию 
механических нагрузок, высоких температур, абразивной 
и коррозионной среды. Особенно остро стоит вопрос повышения надежности изделий при эксплуатации в экстремальных 
и непрерывных условиях нагружения. Таким образом, модификация поверхности путем измельчения зерен и формирование 
наноструктурированного слоя может улучшить как свойства, 
так и срок службы материала.

Традиционным методом создания наноструктурированно
го поверхностного слоя является нанесение покрытий с помощью методов распыления и электроосаждения из паровой 
фазы (PVD), химического осаждения (CVD) и магнетронного распыления.

Широкое применение в инженерии поверхности находят 

наноструктурированные тонкопленочные материалы и многокомпонентные упрочняющие покрытия [1, 5]. Для повышения износостойкости материалов широко применяются специальные защитные нанопокрытия, обеспечивающие работу 
поверхностей изделий при высоких контактных напряжениях 
и температурах в условиях абразивных и окислительных сред. 
Наноструктурированные поверхностные слои и нанопокрытия 
с размерами нанокристаллитов менее 100 нм обеспечивают высокую твердость, теплоемкость и пластичность.

Отношение твердости вдавливания к модулю упругости при 

размере зерен двухмерной структуры нанопокрытий из борида тантала 10…20 нм достигает значений 0,147…0,173. Максимальная микротвердость наблюдается при толщине пленок 
100…150 нм. Твердость вдавливания в наноструктурных покрытиях обеспечивается в пределах 12…40 ГПа. Однако нане

Применение наноструктурных покрытий

сенная наноструктурная пленка является сильно неравновесной системой. При сопряжении тонкого покрытия с подложкой 
формируется резко выраженный интерфейс, оказывающий 
существенное влияние на структурно-фазовые превращения 
в неравновесной структурной системе [1].

Главным недостатком применения наноструктурных покры
тий является относительно низкая прочность сцепления покрытия с подложкой и различие их химического состава. Эти 
недостатки можно предотвратить путем формирования нанокристаллитов непосредственно в поверхностном слое конструкционного материала. Крупные зерна в поверхностном слое с помощью методов интенсивной пластической деформации (ИПД) 
поверхности могут быть уменьшены до нанометрового масштаба, в то время как общий фазовый состав материала остается 
неизменным [6].

Фундаментальные исследования наноструктурирования по
верхностных слоев твердого тела рассматриваются в работах 
академика Е. В. Панина [1] и развиваются в таких областях науки, как наноматериаловедение [7], нанотрибология [8] и др.

Наноструктурирование поверхностного слоя металлов 

и сплавов направлено прежде всего на повышение трибологических, усталостных свойств и стойкости к коррозионному воздействию. Износостойкость наноструктурированных поверхностей сталей в условиях трения обеспечивается оптимальным 
сочетанием их прочности и пластичности. Сверхмелкие зерна 
(менее 8 нм) нанокристаллического слоя не повышают износостойкость стали вследствие повышения его хрупкости. В связи 
с этим необходимо обоснованно выбирать технологии и весьма точно назначать режимы обработки, поскольку интенсивная пластическая деформация с повышением прочности материала может привести к снижению пластичности и разрушению 
поверхностного слоя.

В зависимости от технологии наноструктурирующей об
работки материала поверхностного слоя, изменение параме

Введение

тров физико-механических, структурных и химических свойств 
по глубине может быть непрерывным (плавное, монотонное 
изменение параметров), дискретным (скачкообразное изменение параметров) или смешанным (оба случая одновременно). Особенно важно устанавливать закономерности изменения параметров наноструктурированного поверхностного слоя. 
По мере удаления от поверхности изменяются такие характеристики, как плотность дефектов, размеры фрагментов, субзерен и зерен. Из-за изменения параметров структуры, концентрации дефектов и фазового состава материала по глубине 
поверхностного слоя существенно меняются твердость, прочность, пластичность и другие свойства материала.

Выбор технологии формирования и оценка свойств нано
структурированного поверхностного слоя материалов и деталей является актуальным требованием современной подготовки материаловедов, а также специалистов в других областях.

Для исследования и контроля параметров поверхностного 

слоя материалов в наноструктурном состоянии необходимо изучить комплекс методов, приборов и стандартов, позволяющих 
определять топографию, физико-механические, структурные, 
химические и эксплуатационные свойства.

Список библиографических ссылок

1. Панин, В. Е., Сергеев, В. П., Панин, А. В. Наноструктурирова
ние поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. — Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2008. — 286 с.

2. Валиев, Р. З., Александров, И. В. Наноструктурные материа
лы, полученные интенсивной пластической деформацией. — 
М. : Логос, 2000. — 272 с.

3. Бриджмен, П. В. Исследование больших пластических дефор
маций и разрыва. — М. : ИЛ, 1955. — 444 с.

Список библиографических ссылок

4. An in situ transmission electron microscope study of the thermal sta
bility of near-surface microstructures induced by deep rolling and 
laser-shock peening / I. Altenberger [et al.] // Scripta Materialia. — 
2003. — Vol. 48. — P. 1593–1598.

5. Григорьев, С. Н., Волосова, М. А. Нанесение покрытий и по
верхностная модификация инструмента. — М. : МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2007. — 324 с.

6. Кузнецов, В. П., Скоробогатов, А. С. Теория, практика и пер
спективы развития технологии наноструктурирующего выглаживания // Вестник Рыбинской государственной авиационной 
технологической академии им. П. А. Соловьева. — 2017. —  
№ 2 (41). — С. 184–194.

7. Алымов, М. И. Механические свойства нанокристаллических 

материалов — М.: МИФИ, 2004. — 32 с.

8. Bharat, B. Nanotribology and Nanomechanics: An Introduction. — 

Leipzig: Springer, 2008. — 1516 p.

Глава 1. Теоретические основы и технологии формирования наноструктурированного поверхностного слоя интенсивной  пластической деформацией

ГЛАВА 1. Теоретические основы и технологии 
формирования наноструктурированного 
поверхностного слоя интенсивной  
пластической деформацией

1.1. Современные представления о наноструктурировании 
конструкционных материалов интенсивной пластической деформацией

В

ажную роль в процессе формирования наноструктурного состояния материала методом интенсивной пласти
ческой деформации (ИПД) играют высокое гидростатическое 
давление, мода деформации и история нагружения. Оптимальная мода деформации соответствует простому сдвигу с последующим изменением траектории деформирования (рис. 1.1).

а
б
в

 

Рис. 1.1. Моды деформации материала в направлениях линий скольжения:

а — чистый сдвиг; б — промежуточное состояние; в — простой сдвиг 

1.1. Современные представления о наноструктурировании конструкционных материалов интенсивной пластической деформацией

В условиях простого сдвига, моменты сил, приложенных 

к фрагменту материала в направлениях главных напряжений, 
оказываются неуравновешенными 

 
M
h
k
k
z
y
0
2
4
0
=
(
) - (
)
йл
щы №
е


e
e
, 

где h — расстояние между локализованными полосами сдвига.

Это вызывает вращение фрагментов до тех пор, пока не вос
становится состояние равновесия. Согласованное вращение 
фрагментов приводит к перераспределению деформаций в полосах сдвига и увеличивает углы разориентировки вдоль обоих 
главных направлений [1].

Для сравнения различных деформированных состояний 

с одинаковой интенсивностью скорости деформации h используется коэффициент моды деформации 

 
С =
+
2 1
1
(
/
) ,
h
h
a
b
 

где hα и hb — частное распределение интенсивности скорости 
деформации. Очевидно, что значение C находится в диапазоне 
0…1. Предельные случаи соответствуют состояниям чистого  
(C = 1) и простого (C = 0) сдвигов.

Параметром деформированного состояния материала 

на каждом этапе простого нагружения является накопленная 
деформация 

 
e =
=е∙ i
i
i

N
t

1
3
,  

где N — количество этапов нагружения; hi — интенсивность 
скоростей сдвига; ti — время.

На определенном этапе пластического деформирования, 

микролокализация течения материала в полосах сдвига приводит к ротационной локализации. Происходит перераспределение деформации за счет согласованного вращения фрагментов 
и увеличения угла их разориентировки. Эффект максимален