Коллектив междисциплинарной лаборатории компьютерного моделирования и анализа конденсированных сред ТГУ проанализировал, как микроструктура образцов из титанового сплава ВТ6 влияет на упругое восстановление царапин, формирующихся в них в процессе скретч-тестирования. Предложен новый механизм, который объясняет значительное восстановление царапин в образцах ВТ6 с бимодальной микроструктурой: в процессе царапания в них развиваются обратимые фазовые превращения.

Полученные результаты могут быть полезны при разработке методов повышения износостойкости сплавов.

Основу сплава ВТ6 составляет титан, обязательно присутствуют алюминий, ванадий. Такой сплав используется во многих отраслях промышленности – от изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов до медицины. При этом применение титановых сплавов ограничено высокой стоимостью производства получаемых изделий традиционными методами. Это вызывает необходимость искать новые пути – например, активно развивающиеся аддитивные технологии. Однако применение таких технологий для изготовления деталей из металлических материалов встречает ряд проблем, связанных с наличием в деталях внутренних дефектов, пористости и неоднородности микроструктуры.

Чтобы изучить деформационное поведение сплавов, ученые ТГУ применили скретч-тестирование. С его помощью ведется контроль механических свойств материалов: их царапают индентором в виде твердого наконечника с контролируемой нагрузкой (постоянной или переменной) в твердомере. Основное внимание уделяется изучению пластического оттеснения материала движущимся индентором, оценке твердости, определению коэффициента трения и других характеристик образцов. В то же время влияние микроструктуры материалов на их износостойкость по-прежнему остается недостаточно исследованным.

Царапание поверхности индентором – эффективный способ изучить закономерности абразивного изнашивания материалов, поскольку механизмы деформации и разрушения покрытий при скретч-тестировании и при абразивном износе носят аналогичный характер, – пояснила профессор кафедры механики деформируемого твердого тела физико-технического факультета ТГУ Светлана Баранникова.

После того, как специалисты лаборатории провели компьютерное моделирование, используя метод молекулярной динамики, удалось объяснить экспериментально наблюдаемое различие профилей царапин в зависимости от направления перемещения индентора образцов ВТ6. Расчеты проводил профессор кафедры физики металлов физического факультета ТГУ Андрей Дмитриев.

Было установлено, что остаточная глубина царапин в образцах с бимодальной микроструктурой, состоящей из равноосных зерен α-Ti и мелкодисперсных частиц α-Ti и β-Ti, оказывается вдвое меньше, чем в образцах с ламельной микроструктурой. Данный эффект обусловлен тем, что образцы с бимодальной микроструктурой обладают более высокой твердостью в сочетании с сильным восстановлением материала в области царапин.

Как добавила Светлана Баранникова, результаты работы могут быть интересны для области трибологии и триботехники. Трибология изучает непосредственно процессы трения, а триботехника – их применение в узлах машин.

Практическая значимость результатов исследования заключается в получении новых знаний, необходимых для производства изделий с модифицированными поверхностными слоями и функциональными покрытиями, обладающими одновременным сочетанием таких характеристик, как высокая износостойкость, твердость, тепло- и электропроводность и низкое сопротивление скольжению, – отметил Андрей Дмитриев.

Работа была выполнена в рамках Программы повышения конкурентоспособности ТГУ. Результаты исследований опубликованы в журнале Metals (Q1 в категории Metallurgy & Metallurgical Engineering, IF = 2.117 за 2019 год); https://doi.org/…/met10101332.