Направление исследований, о котором пойдет речь, лежит на стыке обработки металлов давлением и физики твердого тела. Возникло оно около 10 — 15 лет назад, когда был опубликован цикл статей по формированию в металлах ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с размером кристаллитов порядка 100 нм и менее.
Процессы обработки давлением, приводящие к образованию УМЗ структур в металлах, тогда же, в начале 90-х, предложили называть интенсивной пластической деформацией (ИПД). Интерес к процессам ИПД продолжает бурно нарастать. Только в 2002 — 2003 гг. около десяти международных форумов были посвящены непосредственно методам ИПД и их воздействию на металлы. Практически на каждой современной конференции по проблемам физики металлов и металловедения рассматриваются вопросы ИПД и обсуждаются УМЗ структуры, полученные этими методами.
Чем же так привлекательны сильнодеформированные металлы с УМЗ структурой? Что такое процессы ИПД и почему именно их используют для получения указанных структур? Ответ на первый вопрос непосредственно связан с так называемыми наноструктурными (НС) материалами, которые уже около 15 лет находятся в центре внимания специалистов в области физики твердого тела и физического материаловедения. Эти материалы характеризуются тем, что размер элементов их структуры сопоставим с характеристической длиной различных физических явлений (размером петли Франка — Рида для скольжения дислокаций, длиной свободного пробега электронов для электрокинетических явлений, размером домена для магнитных явлений и т.д.). Из-за малости отдельных структурных элементов (порядка десятков нанометров) и развитой сети границ раздела между ними, процессы переноса вещества и энергии протекают в НС структурах иным образом, чем в системах того же химического состава, но с гораздо большими размерами элементов. Это обуславливает совершенно необычные, иногда парадоксальные, свойства хорошо известных материалов в НС состоянии.
В результате больших пластических деформаций металлов благодаря процессам фрагментации размеры кристаллитов уменьшаются и достигают значений, характерных для наноструктур. Вследствие этого сильнодеформированные металлы приобретают качественно новые свойства, многие из которых представляют практический интерес. В частности, они обладают аномально высокой пластичностью в сочетании с большой прочностью. В сильнодеформированном состоянии значительно изменяются и фундаментальные характеристики металлов, такие как упругие модули, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др.
ИПД обработка — это новая технология обработки металлов давлением, позволяющая получать объемные наноструктурные материалы с уникальными свойствами посредством сильного измельчения зерна до наноразмеров
Для осуществления больших пластических деформаций в принципе можно использовать традиционные процессы обработки давлением: прокатку, волочение, прессование и др. Однако этому, прежде всего, мешает недостаточно высокая пластичность металлов. Кроме того, монотонное формоизменение заготовки (постоянное увеличение длины при прокатке и волочении, уменьшение высоты при осадке), очевидно, приводит к тому, что при больших деформациях ее размер, хотя бы в одном из направлений, становится чрезвычайно малым.
Исследования показывают, что эффект больших деформаций при определенных условиях можно получить путем немонотонного формоизменения заготовок, что как раз и используется в процессах обработки давлением, основной целью которых является накопление деформации в заготовках, а не изменение их формы. Именно такие процессы причисляют, в настоящее время, к ИПД. Поскольку форма заготовки после ИПД практически совпадает с исходной, то имеется возможность их многократной обработки для накопления достаточной деформации.
С одной стороны, операции ИПД являются процессами обработки давлением. Поэтому их реализация невозможна без решения характерных для таких процессов задач: определения напряженно-деформированного состояния заготовки, расчета силовых параметров процесса, проектирования и изготовления деформирующего инструмента и оснастки, подбора смазок и т.д. С другой стороны, ИПД — это не обычные операции обработки давлением, целью которых является, прежде всего, формоизменение заготовок, а процессы, призванные формировать структуру материалов, обеспечивающую заданные физико-механические свойства. Поэтому для эффективного применения ИПД необходимо иметь представления о возможностях тех или иных схем нагружения в плане структурообразования, о влиянии температурно-скоростных режимов деформирования на структуру и свойства обрабатываемых материалов.
Следует отметить, что ИПД применима в основном к пластически деформируемым материалам. Для достижения больших деформаций используются кручение под квазигидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование, прокатка, раскатка, всесторонняя ковка. Сущность этих методов заключается в многократной интенсивной пластической деформации сдвига обрабатываемых материалов. Использование интенсивной пластической деформации позволяет, наряду с уменьшением среднего размера зерен, получать массивные образцы с практически беспористой структурой материала, чего не удается достичь компактированием нанопорошков.
Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся тем, что атомы в кристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго определенном для каждого металла порядке. При особых условиях охлаждения металл затвердевает в виде большого кристалла правильной формы, называемого монокристаллом. Строение монокристалла определяется соответствующей кристаллической решеткой. B промышленных условиях это не возможно, и затвердевание металла начинается одновременно во многих центрах кристаллизации. Поэтому после затвердевания такой металл состоит не из одного кристалла, а из большого числа прочно сросшихся друг с другом кристалликов неправильной формы, называемых кристаллитами, гранулами или зернами. Металлы такого строения называются поликристаллическими
Имеется градиент размеров структурных элементов. Структура от ультрамелкозернистой изменяется до нанокристаллической, где размер зерен уже измеряется нанометрами. В нанокристаллическом состоянии металлы имеют повышенные твердость, предел текучести и предел прочности. Так твердость увеличивается в 2 — 6 раз. Увеличение твердости материала в поверхностном слое приводит к уменьшению вероятности возникновения межгранулярных переломов. Это связано с уменьшением количества микротрещин между гранулами, так как именно они являются первопричиной прогрессирования межгранулярных разрывов и, как следствие, переломов имплантатов. Предел прочности данных материалов в поверхностном слое возрастает по оценкам экспертов в 4 — 10 раз.
Пластическое деформирование металлов в холодном состоянии позволяет заменять чистовую обработку резанием. При пластическом деформировании сочетается высокая степень чистоты поверхности с упрочнением поверхностного слоя металла. У деталей, обработанных пластическим деформированием, повышается твердость поверхностного слоя, его прочность, предел текучести и , в особенности, предел усталости. Как известно, наклеп обуславливает в поверхностных слоях деталей возникновение благоприятных сжимающих внутренних напряжений.
Высокая производительность, сравнительно низкая стоимость инструментов и простота операций являются преимуществами обработки пластическим деформированием перед чистовой обработкой резанием. Инструменты для ПД обладают высокой стойкостью, сохраняют стабильное состояние рабочих поверхностей во времени, чем создают благоприятные условия для автоматизации процессов обработки давлением. Использование данного метода позволяет получить изделия, обладающие высокой износостойкостью и качеством поверхностного слоя.
Следует отметить, что ИПД применима в основном к пластически деформируемым материалам, что ограничивает применение данного метода обработки для хрупких и твердых материалов. Также к недостаткам метода следует отнести необходимость проектирования специального инструмента и осуществления переналадки оборудования.
На основании рассмотрения закономерностей формирования поверхностного слоя деталей при обработке точением и методами пластического деформирования установлено, что при обработке ПД поверхностный слой обработанного изделия приобретает наноструктуру и качественно новые свойства. В результате этого сочетается высокая степень чистоты поверхности с упрочнением поверхностного слоя металла. У деталей, обработанных пластическим деформированием, повышается твердость поверхностного слоя, его прочность, предел текучести и , в особенности, предел усталости.
С использованием приведенной методики обоснованы режимы точением и обкатыванием, обеспечивающие повышение качества поверхностного слоя деталей машин.