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 отде-
ления 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 ма-
териалов : 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 раз-
витии технологий нанокристаллизации поверхностных слоев сталей и сплавов для 
существенного повышения эксплуатационных свойств. Рассмотрены механизмы и ос-
новы построения технологии формирования наноструктурного состояния материала 
поверхностного слоя. Приведены результаты исследований свойств наноструктури-
рованных поверхностей конструкционных материалов зарубежных и отечественных 
ученых. Большое внимание уделено разработанной и запатентованной авторами тех-
нологии NSB. Представлены современные методы исследований наноструктуриро-
ванных 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 эксплуата-
ционных свойств конструкционных материалов строят-

ся на развитии нанотехнологий.

Современные нанотехнологии связывают улучшение физи-

ко-механических и эксплуатационных характеристик конструк-
ционных 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 основно-
го 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 характеристиками 
и экстремальными эксплуатационными свойствами 
может быть обеспечено на основе управления структу-
рообразованием (субструктурным упрочнением) интенсивной 
пластической деформацией (ИПД) [2]. В результате пластического 
структурообразования, в поверхностном слое сталей 
и сплавов формируются фрагментированные субмикро- и на-
нокристаллические 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 изготовления 
объемных нанокристаллических материалов. Однако 
пока существуют трудности их серийного производства и практического 
использования в промышленных целях.

Ресурс машин и оборудования определяется состоянием 
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 вы-
сокую твердость, теплоемкость и пластичность.

Отношение твердости вдавливания к модулю упругости при 

размере зерен двухмерной структуры нанопокрытий из бори-
да тантала 10…20 нм достигает значений 0,147…0,173. Мак-
симальная микротвердость наблюдается при толщине пленок 
100…150 нм. Твердость вдавливания в наноструктурных по-
крытиях обеспечивается в пределах 12…40 ГПа. Однако нане-

Применение наноструктурных покрытий

сенная наноструктурная пленка является сильно неравновес-
ной 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 по-
крытия с подложкой и различие их химического состава. Эти 
недостатки можно предотвратить путем формирования нано-
кристаллитов непосредственно в поверхностном слое конструк-
ционного материала. Крупные зерна в поверхностном слое с по-
мощью методов интенсивной пластической деформации (ИПД) 
поверхности могут быть уменьшены до нанометрового масшта-
ба, 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 на-
уки, как наноматериаловедение [7], нанотрибология [8] и др.

Наноструктурирование поверхностного слоя металлов 

и сплавов направлено прежде всего на повышение трибологи-
ческих, усталостных свойств и стойкости к коррозионному воз-
действию. Износостойкость наноструктурированных поверх-
ностей сталей в условиях трения обеспечивается оптимальным 
сочетанием их прочности и пластичности. Сверхмелкие зерна 
(менее 8 нм) нанокристаллического слоя не повышают износо-
стойкость стали вследствие повышения его хрупкости. В связи 
с этим необходимо обоснованно выбирать технологии и весь-
ма точно назначать режимы обработки, поскольку интенсив-
ная пластическая деформация с повышением прочности мате-
риала 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 изме-
нение параметров) или смешанным (оба случая одновремен-
но). Особенно важно устанавливать закономерности измене-
ния параметров наноструктурированного поверхностного слоя. 
По мере удаления от поверхности изменяются такие характе-
ристики, как плотность дефектов, размеры фрагментов, суб-
зерен и зерен. Из-за изменения параметров структуры, кон-
центрации дефектов и фазового состава материала по глубине 
поверхностного слоя существенно меняются твердость, проч-
ность, пластичность и другие свойства материала.

Выбор технологии формирования и оценка свойств нано-

структурированного поверхностного слоя материалов и дета-
лей является актуальным требованием современной подготов-
ки материаловедов, а также специалистов в других областях.

Для исследования и контроля параметров поверхностного 

слоя материалов в наноструктурном состоянии необходимо из-
учить 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 на-
несение наноструктурных покрытий. — Томск : Изд-во Том-
ского 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 «СТАН-
КИН», Янус-К, 2007. — 324 с.

6. Кузнецов, В. П., Скоробогатов, А. С. Теория, практика и пер-

спективы развития технологии наноструктурирующего выгла-
живания // 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 наноструктурно-
го состояния материала методом интенсивной пластической 
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 восстановится 
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