Obrabotka Metallov 2019 Vol. 21 No. 1

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 21 № 1 2019 94 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ металлургии [1]. Срок эксплуатации таких эле- ментов зависит от многих факторов, основными из которых являются прочность, твердость и из- носостойкость их поверхностных слоев толщи- ной до двухсот микрометров. Существует не- сколько эффективных путей повышения этих характеристик. Наиболее распространенным из них является использование для синтеза компо- зитов порошков с субмикронными и наноразмер- ными округлыми частицами с низким содержа- нием дефектов. Применение таких порошковых смесей позволяет получать объемные низкопо- ристые композиты с высокими механическими характеристиками [2 и 3]. Однако ввиду низкой смачиваемости керамических наночастиц и их склонности к образованию кластеров создание объемных металло-матричных нанокомпозитов требует использования сложных и дорогостоя- щих технологий синтеза. В то же время достижение высоких значе- ний механических характеристик металлокера- мических элементов (твердости, прочности и вязкости разрушения) существенно только для поверхностной области композита. Поэтому аль- тернативным подходом является изменение ме- ханических характеристик поверхностных слоев уже готовых композиционных образцов, полу- чаемых из смеси достаточно крупных (микро- размерных) порошков с использованием тради- ционных технологий. Изменения механических свойств поверхностных слоев композиционных материалов можно достичь путем нанесения композиционных покрытий (в том числе нано- структурных), характеризующихся высокими значениями твердости и вязкости разрушения [4–13], или модификацией структуры поверх- ностных слоев [14–19]. При всех своих достоинствах метод созда- ния покрытий имеет существенный недостаток, а именно образует «скачок» теплофизических и механических свойств на границе между по- крытием и подложкой, что вызывает концентра- цию напряжений на интерфейсе и отслаивание покрытия. Указанные проблемы не присущи методам упрочнения поверхностных слоев ме- таллокерамик с микроразмерными керамиче- скими включениями посредством обработки их концентрированными потоками энергии, напри- мер методу высокоэнергетического импульсно- го электронно-пучкового облучения в плазмах инертных газов [20]. Такое высокоэнергетиче- ское воздействие обеспечивает высокоскорост- ной нагрев и охлаждение поверхностных слоев (толщиной до 50 мкм) и приводит к многократ- ному измельчению структуры и формированию вторичных керамических фаз субмикроскопиче- ского и наноскопического масштаба (нанострук- турированию) [21-23]. Ключевой особенностью такой обработки является формирование в по- верхностных слоях регулярной ориентирован- ной упаковки столбчатых упрочняющих частиц [20]. Результаты экспериментальных исследова- ний показывают, что особенности структуры и механических свойств поверхностных слоев композита существенно зависят от характери- стик высокоэнергетического облучения и выбо- ра плазмообразующего инертного газа. Управляя этими параметрами, можно варьировать такие характеристики поверхностных слоев, как, на- пример, размеры упрочняющих керамических включений, их пространственная «упаковка», прочность и износостойкость, в широких пре- делах [20]. Для создания поверхностных слоев с определенными значениями механических, трибологических и структурных характеристик необходимо понимание характера зависимо- сти механических свойств от каждого из клю- чевых параметров структуры в отдельности и в сочетании с другими параметрами [24–28]. Определение зависимостей такого рода экспе- риментальными методами чрезвычайно затруд- нительно. Поэтому настоящая работа посвящена численному изучению роли ключевых факторов, обеспечивающих направленное увеличение ме- ханических свойств модифицированных элек- тронно-пучковым облучением поверхностных слоев металлокерамик. Методика исследований Численное моделирование проводилось на основе метода подвижных клеточных автома- тов ( MCA ), подробное математическое описание формализма которого приведено в работах [29 и 30]. Метод MCA относится к классу вычисли- тельных методов дискретных элементов [31 и 32]. В настоящей работе механический отклик подвижных клеточных автоматов, моделиру- ющих керамические включения и связующее,