Ученые Санкт-Петербургского государственного университета и ИПМаш РАН показали, что нанесение газодинамического холодного напыления и последующая лазерная обработка нержавеющей стали улучшают ее ударопрочность. Исследования проводились в лаборатории «Динамика и экстремальные характеристики перспективных наноструктурированных материалов» СПбГУ, созданной в рамках программы мегагрантов Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

Результаты исследования опубликованы в Russian Physics Journal.

Нержавеющая сталь широко применяется в газовой и химической промышленности, при строительстве реактивных двигателей и электростанций, а также в производстве клапанов гидравлических прессов, турбинных лопаток, арматуры крекинг-установок, режущего инструмента, пружин, бытовых предметов и ортопедической стоматологии. Кроме того, она применяется в строительстве и архитектуре, пищевой промышленности, а также в производстве лестниц, ограждений и перил. Материал используют там, где требуется высокая прочность при воздействии высоких температур или в агрессивных условиях.

В этой связи одной из важнейших характеристик стали является ее ударостойкость, то есть способность сохранять свойства под воздействием различных ударов внешней среды. Несмотря на то что этот металл может выдерживать значительные механические нагрузки без разрушения, ее ресурс ограничен, и он может снижаться при экстремальных температурах или высокоскоростных нагрузках.

Лаборатория «Динамика и экстремальные характеристики перспективных наноструктурированных материалов» СПбГУ создана в 2022 году в рамках программы мегагрантов правительства Российской Федерации. Ее руководителем является профессор кафедры материаловедения Харбинского технологического института, специалист в области механики и машиностроения Ли Баоцян.

Физики Санкт-Петербургского университета и Института проблем машиноведения РАН нашли способ увеличения прочности нержавеющей стали за счет комбинированной обработки металла.

«Мы доказали перспективность комбинированной обработки материала, то есть одновременное нанесение газодинамическим методом покрытия и его лазерной обработки. Как показали наши эксперименты, данная обработка немного увеличивает откольную прочность стали, то есть способность материала сопротивляться образованию отколов. Метод можно считать перспективным, так как даже незначительное повышение ударостойкости позволяет улучшить характеристики», — рассказала автор исследования, ведущий научный сотрудник СПбГУ (кафедра теории упругости) и ИПМаш РАН Светлана Атрошенко.

По словам ученого, газодинамическое холодное напыление позволяет получить прочный металлический слой с высокой адгезией, то есть связью со сталью. Такой метод дает возможность создать покрытие, соответствующее составу исходных материалов, и сохраняет неизменным материал подложки. При такой комбинированной обработке получается покрытие достаточной толщины, высокой адгезионной прочности и заданного состава.

Кроме того, таким образом повышается откольная прочность нержавеющей стали за счет большого количества так называемых «двойников». Двойникование — механизм пластической деформации, характерный для ударного нагружения. Как отмечают ученые университета, лазерная обработка поверхностного слоя покрытия стали приводит, с одной стороны, к увеличению размера таких двойников, с другой — к уменьшению их количества. Таким образом повышается скорость удара и соответственно — твердость стали, что может быть полезно во многих областях.

Результаты исследований лаборатории «Динамика и экстремальные характеристики перспективных наноструктурированных материалов» послужат развитию фундаментальной механики в области новых разрабатываемых наноструктурированных материалов, лягут в основу принципов создания новых материалов с заданными механическими свойствами, а также их эксплуатации при экстремальных термомеханических нагрузках, разработке фундаментальных основ создания нормативов и стандартов оценки прочностных свойств конструкционных и медицинских материалов при экстремальных воздействиях, оптимизации технологических процессов и определения оптимальных режимов целенаправленной деформации и разрушения этих материалов.