Основную часть конструкционных материалов составляют металлические, керамические, полимерные и композиционные. Выбор для их применения в конструкциях определяется соотношением между прочностью и пластичностью. Металлические материалы обладают наилучшим таким соотношением [1]. Керамические и полимерные материалы менее пластичны, нежели металлические, а композиционные по указанным характеристикам занимают промежуточное положение между керамическими и металлическими материалами. Оптимальное соотношение между прочностью и пластичностью металлических материалов определило их превалирующую долю в общем объеме конструкционных материалов, которая превышает 90%. Мировое производство стали непрерывно возрастало и к концу XX в. достигло 800 млн. т в год [2]. Некоторое замедление темпов роста в значительной мере связано с удовлетворением потребности за счет повышения качества сталей (табл. 1). К настоящему времени в России разработано и используется около 2000 марок сталей и выпускается более 15 млн. вариантов исполнения металлопродукции, включающих металлы массового назначения (стали, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и др.), высокопрочные стали и сплавы, жаропрочные сплавы, хладостойкие стали, коррозионностойкие стали и сплавы, износостойкие стали, радиационностойкие стали и сплавы, литейные чугуны и др.

Прирост прочностных свойств конструкционных материалов за последние десятилетия был обусловлен в основном разработкой сплавов с новым химическим и фазовым составом. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нано-кристаллической структуры.

Химический и фазовый состав, форма, размеры и другие характеристики кристаллитов и границ раздела оказывают определяющее влияние на свойства материалов. Наноматериалы можно классифицировать по химическому составу, форме кристаллитов и расположению границ раздела (табл. 2) [3]. По этим параметрам они делятся на слоистые, волокнистые и равноосные, для которых соответственно толщина слоя, диаметр волокна или зерна меньше некоторого значения, например 100 нм. По химическому составу кристаллитов можно выделить четыре группы нано-материалов. Для наиболее простого варианта химический состав кристаллитов и границ раздела одинаков - это, например, слоистые поликристаллические полимеры или чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой. Вторая группа представляет наноструктурные материалы с кристаллитами различного химического состава, в частности, многослойные структуры. Для материалов третьей группы химический состав зерен и границ раздела различен. Материалы, в которых наноразмерные компоненты структуры (слои, волокна или равноосные кристаллиты) диспергированы в матрице сплава другого химического состава, составляют четвертую группу.

Многообразие методов порошковой металлургии - компактирование нанопорошков, интенсивная пластическая деформация и кристаллизация из аморфного состояния - обеспечивает широкие возможности для получения наноматериалов. На уплотнение дисперсных порошков значительное влияние оказывают такие параметры, как средний размер частиц, содержание примесей, состояние поверхности, форма частиц и способ прессования. Для прессования нанопорошков широко применяют одноосное прессование: статическое (в пресс-формах, штамповка), динамическое (магнитно-импульсное, взрывное) и вибрационное (ультразвуковое). Для получения высоко-плотных однородных материалов используется всестороннее (изостатическое) прессование: гидростатическое, газостатическое, квазигидростатическое (в специальных пресс-формах под высоким давлением). Применяется также метод интенсивного пластического деформирования (ИПД) - кручение под высоким давлением.

Перспективный способ получения наноматериалов - спекание нанопорошков под давлением. Методами горячего изостатического прессования и высокотемпературной газовой экструзии получены компакты из нанопорошков Ni, Fe и WC-Co с повышенными прочностными свойствами 

Метод ИПД, заключающийся в обжатии с большими степенями деформации при относительно низких температурах (ниже 0.3-0.4 Тпл, где Тпл - температура плавления материала) в условиях высоких приложенных давлений, позволяет получать объемные беспористые нанокристаллические металлы и сплавы [6]. Обычные методы деформации - прокатка, волочение, прессование и др. - в конечном счете приводят к уменьшению поперечного сечения заготовки и не позволяют достигать больших степеней измельчения зерна. Нетрадиционные методы - кручение под гидростатическим давлением, равноканаль-ное угловое прессование, знакопеременный изгиб - позволяют деформировать заготовку без изменения сечения и формы и достигать необходимых высоких степеней деформации и измельчения зерна. К настоящему времени нано- и субмикрокристаллическая структура в ходе ИПД получена в алюминии, железе, магнии, вольфраме, никеле, титане и их сплавах. Такая структура приводит к изменению физических и механических свойств (значительное повышение прочности при сохранении пластичности, повышение износостойкости, проявление высокоскоростной и низкотемпературной сверхпластичности).

Наноструктурные материалы, обладающие повышенными прочностными и магнитными свойствами, можно получать и из аморфных сплавов посредством низкотемпературного отжига. Наноструктура может состоять только из кристаллитов или из смеси наноразмерных кристаллов и аморфной фазы. Наноструктурные сплавы получают также методами термомеханической обработки прессовок из аморфных порошков [7]. Полученные материалы тоже отличаются повышенными прочностными и другими физическими свойствами.

С уменьшением размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренного вещества увеличивается до 88% (рис. 1). Объемные доли межзеренной и внутризеренной (совершенной) компоненты равны при размере зерна около 5 нм. Объемная доля тройных стыков значительно возрастает при размерах зерен менее 10 нм [8]. В ряде случаев при уменьшении размера зерна наблюдается изменение межатомных расстояний в кристаллической решетке. Однако четкой закономерности здесь не наблюдается [6, 9].

Формирование нанокристаллических структур позволяет получать конструкционные материалы с уникально высокими свойствами. Например, их микротвердость в 2-7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, причем это не зависит от метода получения материала (рис. 2) [10]. Прочность нанокристаллических материалов при растяжении в 1.5-2 раза выше, чем у крупнозернистых аналогов (эта проблема требует дальнейшего изучения).

Однако в ряде работ наблюдали падение твердости с уменьшением размера зерна ниже некоторого критического размера, что, вероятнее всего, связано с увеличением доли тройных стыков границ зерен [8]. Для больших зерен рост прочности и твердости при уменьшении их размера обусловлен введением дополнительных границ зерен, которые являются препятствиями для движения дислокаций. При малых наноразмерных зернах рост прочности происходит благодаря низкой плотности имеющихся дислокаций и трудности образования новых. На рис. 3 представлено соотношение между прочностью и пластичностью для сталей. Сталь 12Х18Н10Т с нанокристаллической структурой обладает хорошим соотношением прочности и пластичности [11]. В отдельных случаях низкая пластичность нанокристаллических материалов вызывается, по-видимому, сложностью образования, размножения и движения дислокаций, а также наличием пор, микротрещин и включений в этих материалах.

При уменьшении размера зерна от 10 мкм до 10 нм скорость износа никеля уменьшается от 1330 до 7.9 мкм3/мкм [12]. Износостойкость алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой значительно выше, чем крупнозернистых (рис. 4) [13].

Такие хрупкие материалы, как интерметаллиды, становятся пластичными при уменьшении размеров зерен ниже критических размеров, что можно объяснить наличием специфических механизмов зарождения и распространения микротрещин. Для керамических нанокристаллических материалов обнаружена повышенная пластичность при низких температурах, ее можно использовать в промышленных процессах экструзии и прокатки [9].

Для всех наноматериалов (так же как и для малых частиц) имеет место увеличение теплоемкости с уменьшением размера зерна, но наибольший ее прирост наблюдается для наноматериалов, полученных прессованием порошков. Коэффициент объемного термического расширения увеличивается с уменьшением размера зерна. Коэффициент граничной диффузии в наноматериалах значительно выше, чем в крупнозернистых, что позволяет их легировать нерастворимыми или слаборастворимыми при обычных условиях элементами за счет более развитой зеренной структуры [9,14].

Итак, наноразмерные структуры конструкционных материалов открывают уникальные возможности для получения нового уровня свойств: высокой прочности, твердости, износостойкости при достаточно высокой пластичности. Повышение пластичности керамики и интерметаллидов открывает большие перспективы для их использования в конструкциях.

Разработка методов получения объемных (массивных) нанокристаллических заготовок с равномерной структурой по сечению заготовки, без пор, микротрещин и других дефектов структуры - актуальная задача, решение которой позволит расширить применение наноматериалов конструкционного назначения.

Выступление на научной сессии общего собрания РАН

ЛИТЕРАТУРА

1. Лякишев Н.П, Банных О.А, Поварова К.Б., Тишаев С.И. Металлические материалы в государственной научно-технической программе "Перспективные материалы" // Изв. АН СССР. Металлы. 1991. №6.

2. Лякишев Н.П., Николаев А.В. Некоторые вопросы металлургической технологии будущего// Металлы. 2002 (в печати).

3. Gleiter Н. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta mater. 2000. V. 48.

4. Alymov М.I., Leontieva O.N. Synthesis of nanoscale Ni and Fe powders and properties of their compacts // Nanostr. Mat. 1995. V. 6. № 1-4.

5. McCandlish L.E., Kear B.N., Kim B.K. Processing and properties of nanostructured WC-Co // Nanostr. Mat. 1992. V. 1. № 2.

6. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000.

7. Haas V., Сho М., Ishii Н., Inoue A. Behavior of quasicrystal-reinforced Аl94Сr1Мn3Сu2 under fatigue conditions // Nanostr. Mat. 1999. V. 12. № 5-8.

8. Palumbo G., Thorpe S.J., Aust K.T. On the contribution of the triple junction to the structure and properties of nanocrystalline materials // Scripta Met. 1990. V. 24.

9. Лякишев Н.П., Алымов М.И., Добаткин С.В. Наноматериалы конструкционного назначения // Конверсии в машиностроении. 2002. № 6.

10. Siegel R.W., Fougere G.E. Mechanical properties of nanophase metals // Nanostr. Mat. 1995. V. 6. № 1-4.

11. Косицын И.И., Сагарадзе В.В., Копылов В.И. Формирование высокопрочного и высокопластич-ного состояния в метастабильных аустенитных сталях методом равноканально-углового прессования // Физика металлов и материаловедение. 1999. Т. 88. №5.

12. Robertson A., Erb U., Palumbo G. Practical application for electrodeposited nanocrystalline materials // Nanostr. Mat. 1999. V. 12. № 5-8.

13. Greer A.L. Changes in structure and properties associated with the transition from the amorphous to the nanocrystalline state // Nanostr. Mat.: Science and Technology. St. Petersburg, Russia, 1997.

14. Лариков Л.Н. Диффузионные процессы в нанокристаллических материалах // Металлофизика и новейшие технологии. 1995. Т. 17. №1.