2.4.1. Металлические

Основную часть конструкционных наноматериалов составляют металлические, керамические, полимерные и композиционные материалы. Металлические материалы обладают наилучшим соотношением между прочностью и пластичностью по сравнению с другими конструкционными материалами. Доля сталей в общем объеме конструкционных материалов превышает 90% [8]. Соотношение между прочностью и пластичностью для нанокристаллических материалов существенно выше по сравнению с крупнозернистыми аналогами.

В приборах оптотехники находит широкое применение коррозионно-стойкая сталь аустенитного класса 12Х18Н10Т, которая после равноканального углового прессования при комнатной температуре с размером зерна 100 нм имеет предел текучасти 1340 МПа, что практически в 6 раз превышает предел текучести этой стали после термообработки [9]. При этом пластичность (относительное удлинение) сохраняется на достаточно высоком для такой прочности уровне, равном 27%.

Прочность низкоуглеродистых низколегированных сталей с субмикроскопической структурой при комнатной температуре в 2-2,5 раза выше, чем серийно выпускаемых аналогов, при сохранении удовлетворительной пластичности и высокой вязкости. Такие стали сочетают высокие прочностные и высокие пластические свойства при отрицательных температурах, что позволяет им работать в качестве деталей приборов в условиях крайнего Севера.

Наноструктурирование поверхностных слоев методами ионной имплантации и ультразвуковой обработки является эффективным методом поверхностной обработки высокопрочных сталей [10]. При этом изменяется характер развития пластической деформации в поверхностном слое материала. В совокупности с высокой демпфирующей способностью наноструктуры метод позволяет повысить усталостную прочность и долговечность материалов.

Наноструктурыне покрытия, осажденные магнетронным распылением многофазных мишеней, упрочняют поверхность и имеют низкую скорость износа в паре с оксидной керамикой для режущего инструмента [11-12].

Цветные наноструктурные сплавы отличаются от крупнозернистых также более высокими прочностными и пластическими характеристиками. Так, наноструктурный чистый титан, полученный методом интенсивной пластической деформации, имеет предел прочности, равный 1100 МПа и близкие значения пластичности (относительное удлинение составляет 10%). При этом циклическая прочность повышается как в области малоцикловой, так и в области многоцикловой усталости по сравнению с крупнозернистым титаном [8]. В таблице 4 представлено соотношение между прочностью и пластичностью для титановых сплавов с различным размером зерна [13]:

Таблица. 4

Механические свойства материалов с различным размером зерна

Материал	Размер зерна, мм	Т, оС	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение до разрушения, %
Титановый сплав ВТ1-00	50	20	380	29
	0,1		730	18
Титановый сплав ВТ6	10	20	1050	9
	0,4		1300	7
	10	600	585	46
	0,4		200	200
Титановый сплав ВТ8	5	20	1050	45
	0,06		1400	53
Сплав Al-Mg-Li-Sc-Zr	10	20	450	5
	0,2		600	6
Сталь 25%Cr-0,2TiО	50	20	485	26
	0,2		730	17

Износостойкость алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой значительно выше износостойкости крупнозернистых сплавов [8]. Уменьшение размера зерна способствует проявлению низкотемпературной и высокотемпературной сверхпластичности. Так, в субмикрокристаллическом сплаве Al–3%Mg–0,2Sc при температуре 400^оС и скорости деформирования 3,310,2с^-1 получено удлинение 22,8%. Высокие значение пластичности получены на субмикрокристаллических Al–Mg–0,22% Sc–0,15Zr сплавах с содержанием магния от 0 до 4,5% в интервале температур 320-500^оС и скорости деформирования 0,01-0,4 с^-1.

При уменьшении среднего размера зерна карбида вольфрама прочность, твердость и износостойкость твердого сплава возрастают [8]. Технология получения наноструктурных твердых сплавов включает синтез нанопорошков заданного фракционного и фазового составов, прессование и последующее спекание. К настоящему времени разработаны различные способы получения нанопорошков тугоплавких металлов, карбидов и нитридов вольфрама, титана, ванадия и тантала. Порошки карбида вольфрама получают карбидизацией порошков металлического вольфрама или оксида вольфрама. В табл. 5 приведены свойства сплава WC + 6% Co при различном среднем размере зерна карбида вольфрама [14].

Таблица.5

Свойства твердого сплава WC + 6% Co:

Свойства	Средний размер зерна WC, мкм
	0,5–0,6	0,8–0,9	1,4–1,8
Предел прочности при сжатии, МПа	7200	6000	5500
Предел прочности при изгибе, МПа	3800	3000	2000
Твердость по Виккерсу	2040	1800	1580
Абразивная износостойкость (относительные единицы)	2,78	2,08	1,26

В 2000 году в мире было изготовлено около 30 000 тонн твердых сплавов, из них около 12 000 тонн субмикронных твердых сплавов. Основные области применения субмикронных твердых сплавов представлено в табл. 6. [14].

Таблица. 6

Основные области применения субмикронных твердых сплавов

Доля, %, %	Инструмент
60	Вращающийся инструмент: сверла, прокатные валки и др.
18	Износостойкие детали: ножницы по металлу; отрезные вставки, вставки вырубных штампов, формообразующий инструмент
13	Микро-сверла и другой инструмент для электронной промышленности
5	Металлообрабатывающий инструмент
4	Деревообрабатывающий инструмент

С уменьшением размера зерна относительное удлинение интерметаллидов значительно увеличивается [8]. Интерметаллиды занимают среднее положение между металлом и керамикой по своим характеристикам. Они имеет высокую пластичность и вязкость разрушения, по сравнению с керамикой. Такие свойства интерметаллидов, как температура плавления, модуль Юнга и отношение модуля Юнга к плотности (жесткость), для интерметаллидов выше, чем для соответствующих металлов. Например, интерметаллиды на основе алюминидов титана являются перспективными материалами для применения в оптотехнике и авиакосмической промышленности благодаря их высокой жаростойкости, высокой удельной прочности и жесткости, однако недостатком алюминидов титана является низкая пластичность – относительное удлинение составляет от 1 до 3%. Методом всесторонней изотермической ковки получены интерметаллиды с размером зерен 100–500 нм, обладающие высокой пластичностью при комнатной температуре, их относительно удлинение составляет 10–20% [15].

Рост пластичности таких алюминидов титана при комнатной температуре обусловлен повышенной релаксационной способностью границ зерен, которые способны обеспечивать релаксацию напряжений в вершине дислокационных скоплений. Это значительно облегчает прокатку сплавов при комнатной температуре для получения листовых и фольговых заготовок [15].