Доктор технических наук Владимир СТОЛЯРОВ, главный научный сотрудник Института машиноведения РАН

Проблема повышения деформационной способности конструкционных материалов, особенно малопластичных, и наноструктурных сплавов - одна из наиболее актуальных в обработке металлов. В первую очередь это касается длинномерных изделий тонкого сечения (проволока, фольга, лист). Скажем, для того, чтобы получить из прутка диаметром 10 мм проволоку диаметром 1 мм и менее, необходимо провести несколько операций. Сначала его подвергают механическим воздействиям (волочению, прокатке или прессованию). При удлинении образца примерно на 5 см наступает предел прочности, и дальнейшая аналогичная обработка приведет к тому, что материал потрескается или полностью разрушится.

а ля того чтобы снять внутренние напряжения в металле, применяют отжиг. Полученный полуфабрикат сначала нагревают до определенной температуры (ее величина зависит от используемого материала), а после охлаждают на воздухе либо в какой-нибудь жидкости (вода, масло и др.). Затем этот цикл (механообработка или отжиг) повторяют, пока не получат проволоку нужного диаметра. Аналогичным способом поступают и с листовыми материалами.

Словом, речь идет о довольно длительном и трудоемком процессе, требующем высокой точности (главное - вовремя остановить механические воздействия) и больших затрат электроэнергии.

Ученые задумались: а есть ли какой-нибудь способ избавиться от столь многочисленных переходов? Одна из идей - воздействовать на пруток в процессе пластической деформации импульсным током, определить, как будет меняться его структура и функциональные свойства. Опыты проводили в разных институтах, но первым в мировой практике электропластический эффект* открыл в 1969 г. доктор технических наук Олег Троицкий (Институт машиноведения АН СССР). Именно его работы показали перспективность такого способа холодной деформации. Способ оказался эффективным и для современных наноматериалов, исследованиями которых с 1998 г. занимается автор данной статьи. За основной материал мы выбрали сплав TiNi (условное название - нитинол) с эффектом запоминания форм (конкретно об этом явлении скажем ниже) и обладающий комплексом высоких физико-механических свойств

* Электропластический эффект - повышение пластичности металла под действием импульсного тока (прим. ред.)

Схема подвода импульсного тока.

(твердостью, прочностью, пластичностью и т.д.). Целью изыскания было определение влияния импульсного тока, пропускаемого через образец при прокатке, на деформационную способность, микротвердость и внутреннюю структуру нитинола.

Сначала опишем все операции в ходе испытаний.

Изучаемые образцы сплава размером 2 × 6 × 150 мм вырезали из исходной заготовки. Предварительно их закаливали, чтобы они имели крупнозернистую структуру. Затем их поверхность обрабатывали электрохимическим методом для снятия наклепанного (упрочненного) слоя. После чего приступали к самим испытаниям. Образцы прокатывали на электромеханических вальцах, оборудованных генератором импульсного тока. Весь процесс шел при комнатной температуре со скоростью 4 м/мин. При этих условиях уменьшение толщины образца за один проход можно регулировать с точностью до ± 25 мкм, что позволяло с достаточно малой погрешностью определять момент появления микротрещин.

Импульсный ток, причем однополярный (он имеет только положительные значения), на установку подавали от генератора, частота которого была равна 10³ с^-1, а длительность импульса - 0,8 10^-4 с. Некоторые характеристики эксперимента мы опускаем, поскольку они являются российским ноу-хау.

По окончании исследований предстояло оценить результат. Начали мы с того, ради чего и затевали их - определили деформационную способность сплава по изменению толщины образца, причем как разовую, так и суммарную, соответствующую появлению первых микротрещин или полному разрушению образца при единичной и многоразовой прокатке.

В итоге оказалось: разовая и суммарная деформации до разрушения при традиционных методах (т.е. без использования импульсного тока) составляют соответственно 0,45 и 0,86, а при новом - 0,84 и 1,42. Но это еще не все. В первом случае разрушение образцов происходит с разделением на части (хвостики), что никогда не наблюдается во втором.

Казалось бы, цель нашего эксперимента достигнута, и секрет увеличения пластичности материала перестал быть таковым. Однако мы не остановились на этом. Нас заинтересовало, что же стало с микроструктурой изучаемых образцов. И дальнейшие опыты показали: в обработанном сплаве сформировалась смешанная структура, состоящая из протяженных аморфных участков и нанокристаллических областей с размером кристаллов 5 - 10 нм. Более того. Отжиг деформированного сплава при 400°C в течение 1 ч приводит к полной нанокристаллизации аморфных областей и росту первичных кристаллов до 60 нм.

Итак, как часто бывает в науке, решение одной задачи дает так называемые побочные результаты, по своей значимости зачастую превосходящие первоначально поставленные цели. Поиск улучшения деформируемости исходных заготовок привел нас к получению наноструктурированного материала, обла-

дающего значительно более высокими механическими свойствами, в том числе прочностью, твердостью и др. А это означает, что в целом ряде конструкций появляется возможность устанавливать детали менее металлоемкие, например, прутки гораздо меньшего диаметра, чем из традиционных материалов, благодаря чему снижается вес конструкции, экономятся металл и электроэнергия за счет уменьшения циклов "механообработка-отжиг".

Однако при всем положительном эффекте у нас возникли и сложности. Созданный нанокристаллический материал был хрупким и очень трудным в обработке. Но тут на помощь опять "пришел" импульсный ток: оказалось, он повышает и его пластичность. В результате ученому удалось прокатать 2-миллиметровую пластину до толщины 0,2 мм.

Пока мы проводили только фундаментальные исследования, а если заглянуть чуть вперед и оценить их возможное использование на практике, то окажется: у новации большое поле применения, и прежде всего в изготовлении полуфабрикатов - всевозможных прутков, проволоки, каркасов и т.д. (о выгоде и преимуществах таких изделий говорилось выше).

Впрочем, помимо перечисленного нам удалось получить материал с улучшенными функциональными свойствами. Оказывается, нитинол обладает так называемой памятью форм. Эффект был открыт металлофизиком академиком Георгием Курдюмовым в 1948 г.

Что это значит? Если взять, к примеру, прямую тоненькую проволоку, опустить ее в жидкий азот и там согнуть, то затем, при обычной температуре, она примет свою первоначальную форму. Хотя такое происходит не всегда. Стоит углу изгиба проволоки оказаться предельно большим, как выявляется остаточная деформация. И нам удалось выяснить: у нанокристаллического материала она значительно уменьшается. Последнее обстоятельство может иметь серьезное практическое применение. Приведем насколько примеров.

Одно предназначение - различные датчики, связанные со значительным перепадом температур там, где нельзя использовать биметаллические пластины.

Еще очень важное применение нитинола - в качестве съемно-разъемного термомеханического соединения (муфты) для труб, изготовленных из разного материала. Стоит взять муфту с внутренним диаметром чуть меньше, чем внешние диаметры соединяемых с нею труб, а потом ее охладить и скрепить с трубами, то при ее нагреве соединение становится неразъемным. Если же его нужно разъединить, производят обратные действия - охлаждение муфты и расстыковку соединения.

Сейчас речь шла о фундаментальных исследованиях и возможных путях применения полученных результатов. Следующий этап - опытно-конструкторские разработки.

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: