Оно написано на основе концептуально нового подхода, согласно которому наноструктурные материалы и наноструктурные покрытия являются сильно неравновесными многоуровневыми системами. <...> В физической мезомеханике поверхностные слои нагруженного твердого тела рассматриваются как самостоятельная подсистема. <...> Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что поверхностный слой толщиной в несколько межатомных расстояний следует рассматривать не просто как ослабленный кристалл, а как систему нанокластеров, которая ведет себя принципиально отлично от равновесного кристалла с трансляционной симметрией. <...> Как показано в настоящем пособии, пластическое течение таких неравновесных тонких пленок происходит путем распространения вдоль оси нагружения мезополос локализованной деформации по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. <...> Другими словами, кластерный механизм пластического течения на наномасштабном уровне является более универсальным по сравнению с движением дислокаций на микромасштабном уровне. <...> Он может развиваться в деформируемом твердом теле с любой внутренней структурой и в любых условиях нагружения. <...> С другой стороны, нанокластерный механизм может логично объяснить атомный механизм локальных структурных превращений при зарождении и движении дислокаций, дисклинаций, мезо- и макрополос локализованного пластического течения. <...> Если наноструктурировать поверхностный слой обычного кристалла, то его пластическое течение при растяжении образца также происходит механизмом распространения вдоль рабочей части образца мезополос локализованного пластического течения. <...> Наводороживание наноструктурированного поверхностного слоя плоских образцов титана позволило вскрыть тонкую структуру мезополос: они состоят из отдельных ламелей, испытывающих сдвиг как целое относительно друг друга. <...> Принципиально важно, что ламельная структура экструдированных <...>
Наноструктурирование_поверхностных_слоев_конструкционных_материалов_и_нанесение_наноструктурных_покрытий.pdf
УДК 620.22:620.1+620.22:539.4(075.8)
ББК 30.3-3Я73
П16
Панин В.Е.
П16
Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных
материалов и нанесение наноструктурных покрытий: учебное
пособие / В.Е. Панин, В.П. Сергеев, А.В. Панин; Томский политехнический
университет. – 2-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2013. – 254 с.
ISBN 978-5-4387-0264-1
В пособии рассматриваются механизмы деформации, разрушения и изнашивания
поверхностных слоев конструкционных материалов в различных условиях
нагружения. Показана высокая эффективность их наноструктурирования
и нанесения наноструктурных покрытий, что кратно повышает такие важные
характеристики, как износостойкость, усталостная долговечность, коррозионная
стойкость, ресурс работы и надежность высокоответственных конструкций и их
сварных соединений. Описаны современные технологии наноструктурирования
поверхностных слоев и нанесения наноструктурных покрытий.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки
бакалавров и магистров 150600 «Материаловедение и технология новых материалов».
УДК
620.22:620.1+620.22:539.4(075.8)
ББК 30.3-3Я73
Рецензенты
Доктор технических наук, профессор ТПУ
В.А. Клименов
Доктор физико-математических наук, профессор ИФПМ СО РАН
Ю.П. Шаркеев
Опубликовано при финансовой поддержке
Министерства образования и наук РФ, ГК № 16.552.11.7063
ISBN 978-5-4387-0264-1
© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2010
© Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В., 2010
© Обложка. Издательство Томского
политехнического университета, 2010
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введние………………………………………………….…………...... 5
Глава 1. Поверхностные слои и внутренние границы раздела как самостоятельные
подсистемы в твердых телах…………………………………… 9
1.2. Структура
1.1. Физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних
границ раздела в деформируемом твердом теле……………...
и
закономерности
деформации
поверхностных слоев…………………………………………………. 10
1.3. Поверхностные слои как синергетический активатор пластического
течения нагруженного твердого тела…………………...………... 21
1.4. Внутренние границы раздела как мезоскопический структурный
уровень деформации………………….………………………………. 26
Список литературы………………..………………………………......
33
Глава 2. “Шахматный эффект” распределения напряжений и деформаций
на интерфейсе “поверхностный слой–подложка”…………………... 38
2.1. Расчеты распределения напряжений на интерфейсе двух разнородных
сред в одномерном приближении…………………………... 38
2.2. Двухмерное приближение. “Шахматный мезоэффект” интерфейса… 43
2.3. Автоволновой процесс массопереноса на интерфейсе разнородных
сред в условиях внешних воздействий………………………… 49
2.4. Модели нелинейного автоволнового массопереноса в условиях
“шахматного” распределения напряжений на интерфейсе………… 52
2.5. Эффекты скейлинга в структурно-фазовой самоорганизации на
интерфейсе “напыленная тонкая пленка – подложка”…………....... 55
Список литературы…………………………………………………… 72
Глава 3. Физическая природа зарождения и развития пластических сдвигов
на различных структурно-масштабных уровнях…………………....
3.1. Неравновесная термодинамика как основа зарождения пластических
сдвигов
и
разрушения
материала
в
3.2.
Методология многоуровневого описания термодинамики неравновесных
состояний………….………………………………………..
нагруженном твердом теле…………………………………………… 76
77
3.3. Экспериментальная верификация представлений термодинамики
неравновесных состояний в деформируемом твердом теле………... 81
3.4. Термодинамические основы возникновения субмикро(нано-) кристаллической
структуры при интенсивной пластической деформации……..
91
3.5. Мезомеханика диспергирования кристаллической и дефектной
подсистем при интенсивной пластической деформации без нарушения
сплошности……………………………………………………. 95
252
76
9
Стр.251
3.7. О нижнем
3.6. Экспериментальное исследование мезомеханики измельчения
структуры при интенсивной пластической деформации…………... 98
пределе
измельчения
структуры
при
интенсивной пластической деформации…………………………….. 103
Список литературы…………………………………………………… 105
Глава 4. Механизмы влияния поверхностного слоя на пластичность и
прочность твердых тел………………………………………………..
4.1. Влияние ультразвуковой обработки поверхностных слоев конструкционных
материалов на характер их пластической деформации
и разрушения…………………………………………………………..
113
113
4.2. Влияние наводороживания поверхностных слоев на характер пластической
деформации и разрушения конструкционных материалов……. 138
4.3. Влияние нанесения тонких покрытий и поверхностного упрочнения
в условиях зубчатого (игольчатого) профиля интерфейса “поверхностный
слой-подложка” на пластичность материала………...
Список литературы…………………………………………………… 149
145
Глава 5. Наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных
покрытий – эффективный способ упрочнения конструкционных
материалов……………………………………………… 154
5.1. Наноструктурирование покрытий и поверхностных слоев ионной
бомбардировкой…………………………………………………….… 158
5.2. Наноструктурирование покрытий путем смешивания химических
элементов……………………………………………………………… 178
5.3. Наноструктурирование поверхностных слоев сталей, сплавов и
покрытий методом ультразвуковой обработки…………………...… 187
Глава 6. Современные
5.4. Влияние комплексной обработки поверхностного слоя высокопрочных
конструкционных материалов на их износостойкость…... 193
Список литературы…………………………………………………… 199
технологии
наноструктурирования
поверхностных слоев и нанесения наноструктурных покрытий….. 205
6.1. Обработка поверхности ионными и электронными пучками, ультразвуком 207
6.2. Вакуумные технологии нанесения наноструктурных покрытий….. 223
6.3. Нанесение наноструктурных покрытий методом магнетронного
распыления……………………………………………………………. 226
6.4. Вакуумно-дуговое напыление наноструктурных покрытий с ионной
бомбардировкой…………………………………………………..
234
6.5. Композиционные катоды и мишени для нанесения наноструктурных
покрытий и поверхностного наноструктурирования………….. 241
Список литературы…………………………………………………… 246
Заключение……………………………………………………………. 250
253
Стр.252