2.1. Особенности микро- и нанокристаллического строения поверхности конструкционных материалов

До появления сканирующих микроскопов атомного разрешения структура поликристаллических конструкционных материалов рассматривалась на атомно-кристаллическом уровне, определявшемся рентгеновскими методами исследований, микроскопическом и макроскопическом уровнях. На макромасштабном уровне использовался аппарат механики сплошной среды, а на микромасштабном уровне применялась теория дислокаций [4]. В последнее время в проблеме прочности и пластичности твердых тел развивается релаксационный многоуровневый подход, начало которому было положено в работах Панина В.Е. [7]. Сибирского отделения РАН. Пластическая деформация и разрушение конструкционных поликристаллических материалов связаны с потерей их сдвиговой устойчивости на различных структурно-масштабных уровнях.

Появление приборов нового поколения – сканирующая туннельная микроскопия, лазерная профилометрия, оптико-телевизионные измерительные комплексы и др., позволило определить широкий спектр механизмов деформации на нано-, микро-, мезо- и макромасштабном уровнях, которые развиваются согласованно с механизмом перемещения дислокаций на микромасштабном уровне [8].

При относительно небольших деформациях (на примере чистого алюминия) формируются мезоячеистая структура с размером ячеек около 10 мкм. При средних степенях деформации образуется система мезополос локализованной деформации, формируя мезоклеточную структуру с размером клетки около 30-40 мкм. Сопряженные мезополосы развиваются в различных зернах, что самоорганизует их в конгломераты. В соответствии с [8] зернограничное скольжение связывается не с движением зернограничных дислокаций, а с кластерным механизмом массопереноса на границах зерен-кристаллов. Мезомасштабные механизмы деформации развиваются подобно дислокационным механизмам деформации на микромасштабном уровне, что свидетельствует об их масштабной инвариантности. Таким образом, определяющая роль закона структурных уровней деформации состоит в масштабной инвариантности механизмов и пластической деформации поликристаллов.

В современном материаловедении деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая организованная система [9]. Наименьшую сдвиговую устойчивость в нагруженном кристалле имеет поверхностный слой. Поэтому его пластическое течение начинается раньше и развивается более интенсивно по сравнению с объемом материала [10]. Как следствие, поверхностный слой играет важную функциональную роль в зарождении и генерации в объеме материала всех видов деформационных дефектов. Причем, в мезомеханике пластичная деформация твердого тела рассматривается как релаксационный процесс. Первичные сдвиги зарождаются на свободной поверхности и распространяются в направлении максимальных касательных напряжении, генерируя в объем материала все виды деформационных дефектов. В поверхностных слоях поликристаллов формируется крупномасштабная мезоскопическая субструктура, элементами которой являются конгломераты самосогласованно деформирующихся зерен, а их размер, форма и скорость формирования определяется природой поликристалла.

Пока в поверхностном слое образца развивается самосогласованная подстройка пластичных деформирующихся зерен, происходит компенсация материальных поворотов пластичных сдвигов в каждом из этих зерен с сохранением сплошности материала. Когда же конгломерат пластичных деформирующихся зерен оказывается замкнутым, начинается его поворот как целого. В вершине такого конгломерата формируется макроконцентратор напряжения, который генерирует в его объем трещину как способ релаксации. Для предотвращения формирования опасной блочной мезоструктуры необходимо подавить зернограничное проскальзывание, что осуществляется целенаправленным легированием.

Высокое значение прочности и низкая пластичность наноструктурных материалов связаны с подавлением в них кристаллографических сдвигов и интенсивным развитием мезо- и макрополос локализованной пластичной деформации [15]. Поскольку механическое поведение нагружаемых твердых тел определяется соотношением сдвигов на различных масштабных уровнях, то для повышения пластичности наноструктурных металлов необходимо обеспечить определенный вклад дислокационных сдвигов на микромасштабном уровне.

Очень перспективным является создание наноструктуры только в поверхностном слое конструкционного материала. Это позволяет обеспечивать одновременное повышение как его прочности, так и пластичности по сравнению с ныне применяемыми поликристаллическими металлами и сплавами .