Наноструктурные покрытия: эффект «шахматной доски»

В последнее время во всех развитых странах мира интенсивно ведется разработка наноструктурных конструкционных материалов новых поколений. Высокие характеристики прочности, износостойкости, усталостной долговечности, коррозионной стойкости позволяет таким материалам занять доминирующее место в материаловедении XXI века

На границе

Следует отметить, что граница любых разнородных сред, имеющих разныеи значения модулей упругости, коэффициенты термического расширения и химического состава, в поле внешних воздействий характеризуется неоднородным распределением напряжений, деформаций и химического потенциала.

Экспериментальные исследования и теоретические расчеты показали, что распределение напряжений и деформаций на интерфейсах в твердых телах является периодическим. Для плоской границы раздела это распределение имеет вид «шахматной доски», на которой клетки, испытывающие сжимающие нормальные напряжения, чередуются с клетками, испытывающими растягивающие нормальные напряжения. Касательные напряжения также имеют «шахматное» распределение, но сдвинутое в пространстве по фазе на π/2.

2005 г. Экспериментально показано существование эффекта «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой — подложка»

Влияние этого эффекта на прочностные характери­стики образца можно объяснить, рассмотрев механизмы пластического течения и разрушения твердого тела при его нагружении выше предела упругости. Все определяется локальной потерей сдвиговой устойчивости, поэтому центральной задачей в методологии описания пластического течения и разрушения твердого тела является системный анализ сдвиговой устойчивости всех возможных подсистем в нагруженном материале.

Известно, что наименьшую сдвиговую устойчивость в нагруженном твердом теле имеет поверхностный слой, который можно рассмотреть как особое состояние вещества. В физической мезомеханике он даже выделяется как самостоятельная подсистема. «Родной» и наноструктурированный поверхностные слои ведут себя по-разному по отношению к возникающим в них дислокациям (дефектам). В первом случае поверхностный слой функционирует как своего рода «насос», закачивающий дислокации внутрь нагруженного материала и ускоряющий его разрушение. В то же время наноструктурированный поверхностный слой можно назвать «насосом наоборот», который задерживает накопление деформационных дефектов в объеме материала, тем самым увеличивая эксплуатационный ресурс работы.

Пластическая деформация в твердых телах может зарождаться и распространяться только в зонах растя-гивающих нормальных напряжений. Именно здесь возникают условия, необходимые для зарождения и распространения ядер дислокаций (или любых других дефектов кристаллической решетки). Поэтому получается, что «шахматный» характер распределения растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе «поверхностный слой — подложка» обусловливает «мозаичную» локализацию зарождения пластических сдвигов в поверхностном слое деформируемого материала.

Чем меньше размер участков локализации деформации, тем больший объем материала одновременно вовлекается в пластическое течение и тем выше прочностные механические характеристики нагруженного материала. Более однородное распределение напряжений, создающееся в образце, препятствует возникновению макроконцентраторов напряжений, где зарождается магистральная трещина и начинается разрушение материала.

Прочность и долговечность

Наноструктурирование поверхностных слоев нагруженных твердых тел и нанесение на них наноструктурных покрытий с учетом эффекта «шахматной доски» может стать эффективным способом упрочнения материалов. В Институте физики прочности и материаловедения это проверено и доказано экспериментально. Кроме того, можно дополнительно улучшить эксплуатационные характеристики инструментальных материалов, используя многоуровневое наноструктурирование поверхностных слоев материала, когда сначала проводится наноструктурирование подложки, а затем наносится само покрытие.

В институте разработан ряд методов наноструктурирования поверхностных слоев конструкционных материалов; подробно исследовано изменение макромеханических характеристик различных сталей и сплавов на основе Ti, Al, Ni при наноструктурировании их поверхностных слоев путем ударной ультразвуковой обработки. Результаты этих работ свидетельствуют о возможности значительно улучшить макромеханические характеристики материала, не меняя при этом состав поверхностного слоя. Особенно эффективным является наноструктурирование сварных соединений высокопрочных сталей и сплавов. Их характеристики, в том числе и усталостная долговечность, могут возрастать при этом многократно.

Особый интерес представляют интерметаллические и химические соединения, которые имеют очень высокую твердость. Однако их высокая термодинамическая стабильность затрудняет формирование наноструктуры. Эту трудность можно преодолеть разными путями. Во-первых, использовать многокомпонентные композиции, в которых могут формироваться смеси нескольких соединений различных конфигураций. Во-вторых, использовать максимально мелкую «шахматную» структуру интерфейса «покрытие — подложка», которая позволяет синтезировать в клетках растягивающих нормальных напряжений кластеры соединений различных модификаций, а границы их раздела удерживать в клетках сжимающих нормальных напряжений. Кроме того, можно облучать осаждаемое покрытие высокоэнергетическими пучками газовых ионов, которые способствуют распределению кластеров различных композиций по клеткам «шахматной доски» на интерфейсах «покрытие — подложка».

На основе научных исследований в ИФПМ СО РАН были разработаны нанотехнологии нанесения сверхтвердых наноструктурных покрытий на материалы самого разного конструкционного и инструментального назначения. Широкое промышленное применение этих результатов должно стать делом не далекого будущего, а сегодняшнего дня.