Obrabotka Metallov 2018 Vol. 20 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 20 № 3 2018 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ния, называемый также выглаживанием [8–12]. Установлено, что при таком способе воздействия материал в области контакта движущегося ин- струмента с поверхностью испытывает слож- ную систему одновременно действующих сдви- говых и сжимающих напряжений, идентичных по характеру с напряженным состоянием, реали- зуемым в условиях интенсивного пластического деформирования [8, 9]. Результатом такого воз- действия является модификация поверхностно- го слоя с формированием ярко выраженной на- нокристаллической структуры, ответственной за качественные изменения физико-механических и триботехнических свойств поверхности обра- батываемого материала. Вместе с тем требования, предъявляемые, в частности, к современным фрикционным материалам, сочетают в себе целый комплекс параметров, обеспечение которых материа- лом с простой структурой зачастую становит- ся невозможным. В этой связи все большую популярность приобретают композиционные фрикционные материалы, в которых каждый из составных элементов композиционной смеси несет свою функциональную нагрузку и спо- собен обеспечить те или иные фрикционные свойства материала в целом [13, 14]. Фунда- ментальный научный интерес заключается в изучении механического поведения таких мате- риалов в условиях сдвигового нагружения. Са- мостоятельной задачей является исследование влияния особенностей структуры фрикцион- ного материала на характер его пластического деформирования. Как показывают те же резуль- таты обработки поверхностным пластическим деформированием, наряду с работами других авторов, свойства материалов в нанокристалли- ческом состоянии существенно отличаются от материала, характеризующегося большим раз- мером зерна [15, 16]. Исходя из сказанного цель настоящей ра- боты заключалась в численном исследовании механического отклика металлического кри- сталлита, находящегося в моно- и нанокристал- лическом состоянии на сдвиговое нагружение. В качестве объекта исследований в работе был выбран кристаллит α-железа, представляющий собой традиционный материал большинства современных фрикционных металлических ма- териалов. Методика исследований Для изучения особенностей пластического деформирования кристаллита α-железа на атом- ном масштабе в условиях сдвиговой деформации применялся программный пакет LAMMPS [17]. Все расчеты были выполнены на суперкомпью- тере SKIF Cyberia Томского государственного университета. Исследования проводились в два этапа. Первоначально исследовались процессы и механизмы, реализующиеся в исходно безде- фектном монокристалле в условиях локального сдвигового нагружения. На втором этапе работы моделировалось механическое поведение нано- размерного поликристалла ОЦК-железа в усло- виях сдвиговой деформации. На первом этапе в качестве объекта исследо- ваний был выбран идеальный кристаллит в фор- ме параллелепипеда с размерами 40 × 25 × 15 нм вдоль направлений лабораторной системы коор- динат X , Y и Z соответственно. Структура об- разца создавалась таким образом, что кристал- лографические направления [100], [010] и [001] ОЦК-решетки соответствовали осям X , Y и Z . Изображение исходной структуры модельного образца представлено на рис. 1, а . Процесс локального сдвигового нагружения поверхностного слоя был реализован с исполь- зованием тангенциально движущегося полевого индентора, имеющего форму цилиндра с радиу- сом R и осью, направленной вдоль оси Z . Взаи- модействие индентора с поверхностью осущест- влялось следующим образом. Если расстояние между атомом и осью индентора r становилось меньше равновесного значения R , то на этот атом действовала дополнительная сила, направ- ленная от оси цилиндра. Величина отталкива- ющей силы рассчитывалась как F = –k ( r – R ) 2 , где k – жесткость индентора. При этом при r > RF ( r ) = 0. Радиус индентора составлял 4 нм. На этапе вдавливания индентор погружался в об- разец на глубину 3 нм, а скорость перемещения центра индентора вдоль свободной поверхности составляла 10 м/с, что близко к предельным ско- ростям, используемым на токарно-фрезерных центрах при поверхностной пластической обра- ботке стальных изделий [8, 9]. Для ухода от наведенной симметрии числен- ной модели в моделируемом кристаллите явно задавалась шероховатость поверхностного слоя