Можно ли сделать металлы одновременно высокопрочными и пластичными, чтобы они выдерживали колоссальные нагрузки и в то же время легко приобретали нужную форму? Можно – считают ученые СФТИ, потому что этими исследованиями они занимаются уже много лет.

Чем меньше, тем лучше

Подавляющее большинство металлических материалов, которые используются в технике, состоят из различно ориентированных кристалликов (зерен), то есть имеют поликристаллическую структуру. До недавнего времени использовались металлы и сплавы с размером зерен значительно больше одного микрона. В то же время было известно, что чем меньше размер зерна, тем выше прочность металлов и сплавов. Но воспользоваться этим эффектом удалось сравнительно недавно, после того, как были разработаны способы получения металлических материалов с субмикрокристаллической и нанокристаллической структурами. В первом случае размер зерен находится в пределах 100-500 нанометров, во втором – не превышает 100 нанометров.
Чтобы изготовить металлические материалы с наноструктурой, первоначально использовали метод порошковой металлургии, заключающийся в компактировании (прессовании) нанопорошков с последующим спеканием. При этом получается высокая прочность, но низкая пластичность из-за наличия микропор. Поэтому возникла необходимость в разработке и других способов получения металлических материалов в субмикрокристаллическом и наноструктурном состояниях.
Новый этап в исследовании субмикрокристаллических и нанокристаллических материалов наступил в начале 90-х годов прошлого столетия, когда для формирования в металлах и сплавах указанных микроструктур стали использовать специальные методы интенсивной пластической деформации. В СФТИ совместно с ИФПМ СО РАН фундаментальные и прикладные исследования в области физики прочности и пластичности субмикрокристаллических и нанокристаллических материалов начались в 1997 году и продолжаются до сих пор. При этом во всей России только здесь занимаются исследованием неупругих свойств и микропластической деформации, когда материал от упругой деформации переходит к пластической.

Свой метод

– На основе выполненных оригинальных исследований, – говорит зав. лабораторией физики неупругости материалов профессор Е.Ф. Дударев, – мы доказали, что все закономерности и механизмы неупругой и микрокристаллической деформации, которые свойственны крупнозернистым материалам, реализуются и для субмикрокристаллических металлов и сплавов. Наряду с этим также установили корреляцию в поведении материалов при разных видах нагружения. Это необходимо учитывать, чтобы предсказать – как будет вести себя изделие из таких материалов при различных видах нагружения – при непрерывно возрастающей, постоянно действующей или циклически изменяющейся нагрузке.
Также в рамках гранта РФФИ совместно с ИСЭ и ИФПМ СО РАН проводилась работа по изучению влияния динамического нагружения при воздействии наносекундного электронного пучка. И был получен неожиданный результат: при таком нагружении прочность при субмикрокристаллической структуре у одних металлов больше, а у других меньше, чем при крупнозернистой. За три года удалось выяснить, почему так происходит.
Первоначально исследования проводились на субмикрокристаллических материалах, изготовленных в Уфе. Но стало ясно, что необходимо разрабатывать и другие технологии получения субмикрокристаллических и наноструктурных материалов. Эта работа в СФТИ ведется в двух лабораториях – физики неупругости материалов и металлофизики (зав. кандидат физ.-мат. наук А.Н. Табаченко).
В частности, развивается технология получения субмикрокристаллических материалов методом трехстороннего ортогонального прессования. Причем были разработаны специальные пресс-формы для прессового оборудования. На способ формирования такой микроструктуры и устройство для его осуществления уже получен патент. Этим методом можно получать заготовки крупных размеров и из этих полуфабрикатов создавать детали для промышленности.
Сейчас СФТИ и ИФПМ совместно с Белгородским госуниверситетом в рамках госконтракта занимаются разработкой технологии получения высокопрочных прутков из титана для медицины длиной не меньше одного метра. Изготовить прутки нужных свойств оказалось непростой задачей, но ученые с ней успешно справились. Уже создана оригинальная технология и изготовлена опытная партия прутков. Работа по госконтракту продолжается и в этом году.
Сотрудники лабораторий работают в тесном контакте с коллегами из академических институтов. Такие исследования трудно проводить «в одиночку», особенно когда две лаборатории в общей сложности насчитывают всего 10 научных сотрудников. Совместная работа позволяет решать более крупные задачи, расширяет возможности применения исследовательского оборудования, которым владеют партнеры.

Наталья АЛЕКСАНДРОВА