ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Методы поверхностной обработки материалов являются одним из эффективных приемов повышения их эксплуатационных характеристик. Одним из методов финишной обработки поверхностей деталей является метод поверхностного пластического деформирования (наноструктурирующее выглаживание), при котором формируется поверхностный слой с нанокристаллической структурой. Исследование структурных изменений, происходящих непосредственно в процессе такого выглаживания, представляется крайне сложной задачей. В связи с этим методы численного моделирования могут являться важным дополнением к экспериментальным исследованиям. Цель работы: численное исследование механического отклика металлического образца, находящегося в моно- и наноразмерном поликристаллическом состоянии на сдвиговое нагружение. В работе исследованы атомные механизмы зарождения и развития пластической деформации в кристаллическом материале в условиях нагружения, идентичных локальным напряжениям, возникающим при обработке материала поверхностным пластическим деформированием. Методами исследования являются высокопроизводительные параллельные вычисления с использованием метода молекулярной динамики. В качестве объекта исследования выбраны моно- и поликристалл ОЦК-железа. Результаты и обсуждения. Обнаружено, что в условиях локального сдвигового нагружения в исходно бездефектном кристалле α-железа возможно формирование системы взаимно пересекающихся дислокаций, что в дальнейшем приводит к разориентации отдельных частей кристаллита и формированию нанофрагментированной структуры поверхностного слоя. Вместе с тем, результаты моделирования показывают, что в наноразмерном поликристалле сдвиг реализуется посредством двух конкурирующих механизмов: зернограничного проскальзывания, с одной стороны, и процесса рекристаллизации отдельных зерен – с другой. При росте зерен до размеров, сопоставимых с размерами исследуемого кристаллита, деформация в них начинает развиваться преимущественно за счет образования дефектов структуры подобно тому, как это происходит в монокристалле. Таким образом, размеры зерен и ориентация их кристаллической решетки по отношению к направлению прикладывания внешней нагрузки определяют тип реализующихся механизмов пластического деформирования материала поверхности. Полученные результаты могут быть использованы для лучшего понимания закономерностей процессов и механизмов, реализующихся в поверхностном слое материала в условиях обработки поверхностным пластическим деформированием.

1. Scale invariance of structural transformations in plastically deformed nanostructured solids / V.E. Panin, A.V. Panin, Yu.I. Pochivalov, T.F. Elsukova, A.R. Shugurov // Physical Mesomechanics. – 2017. – Vol. 20, iss. 1. – P. 55–68. – doi: 10.1134/S1029959917010052.

2. Oláh A., Croitoru C., Tierean M.H. Surface properties tuning of welding electrode-deposited hardfacings by laser heat treatment // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 438. – P. 41–50. – doi: 10.1016/j.apsusc.2017.10.090.

3. Chemical treatment on aluminum alloy for hydrophobic surfaces / P. Sooksaen, O. Chulasinont, P. Janmat, W. Thovasakul // Materials Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4, iss. 5 (2). – P. 6528–6533. – doi: 10.1016/j.matpr.2017.06.163.

4. Влияние основных параметров процесса сварки трением с перемешиванием на дефектность структуры сварного соединения / О.В. Сизова, А.В. Колубаев, Е.А. Колубаев, А.А. Заикина, В.Е. Рубцов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 4 (77). – С. 19–29. – doi: 10.17212/1994-6309-2017-4-19-29.

5. Cold hole expansion effect on the fatigue crack growth in welds of a 6061-T6 aluminum alloy / K.C. Viveros, R.R. Ambriz, A. Amrouche, A. Talha, C. García, D. Jaramillo // Journal of Materials Processing Technology. – 2014. – Vol. 214, iss. 11. – P. 2606–2616. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.05.030.

6. Reduction of the residual stresses in cold expanded thick-walled cylinders by plastic compression / V.F. Skvortsov, A.O. Boznak, A.B. Kim, A.Yu. Arlyapov, A.I. Dmitriev // Defence Technology. – 2016. – Vol. 12, iss. 6. – P. 473–479. – doi: 10.1016/j.dt.2016.08.002.

7. Nikonov A.Y., Konovalenko I.S., Dmitriev A.I. Molecular dynamics study of lattice rearrangement under mechanically activated diffusion // Physical Mesomechanics. – 2016. – Vol. 19, iss. 1. – P. 77–85. – doi: 10.1134/S1029959916010082.

8. Kuznetsov V.P., Tarasov S.Yu., Dmitriev A.I. Nanostructuring burnishing and subsurface shear instability  // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 217. – P. 327–335. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.023.

9. Toward control of subsurface strain accumulation in nanostructuring burnishing on thermostrengthened steel / V.P. Kuznetsov, I.Y. Smolin, A.I. Dmitriev, S.Yu. Tarasov, V.G. Gorgots // Surface & Coatings Technology. – 2016. – Vol. 285. – P. 171–178. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.11.045.

10. Modeling of nanostructuring burnishing on different scales / A.I. Dmitriev, V.P. Kuznetsov, A.Yu. Nikonov, I.Yu. Smolin // Physical Mesomechanics. – 2014. – Vol. 17, iss. 4. – P. 243–249. – doi: 10.1134/S1029959914040018.

11. Swirad S. The surface texture analysis after sliding burnishing with cylindrical elements // Wear. – 2011. – Vol. 271, iss. 3–4. – P. 576–581. – doi: 10.1016/j.wear.2010.05.005.

12. Grzesik W., Zak K. Modification of surface finish produced by hard turning using superfinishing and burnishing operations // Journal of Materials Processing Technology. – 2012. – Vol. 212, iss. 1. – P. 315–322. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.09.017.

13. Österle W., Dmitriev A.I., Kloß H. Does ultra-mild wear play any role for dry friction applications, such as automotive braking? // Faraday Discussions. – 2012. – Vol. 156. – P. 159–171. – doi: 10.1039/C2FD00117A.

14. Exploring the beneficial role of tribofilms formed from an epoxy-based hybrid nanocomposite / W. Österle, A.I. Dmitriev, T. Gradt, I. Häusler, B. Hammouri, P.I. Morales Guzman, B. Wetzel, D. Yigit, G. Zhang // Tribology International. – 2015. – Vol. 88. – P. 126–134. – doi: 10.1016/j.triboint.2015.03.006.

15. Li J., Chen S., Weng G.J. Significantly enhanced crack blunting by nanograin rotation in nanocrystalline materials // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 151. – P. 19–23. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2018.03.030.

16. Dynamic deformation and failure of ultrafine-grained titanium / Z. Li, B. Wang, S. Zhao, R.Z. Valiev, K.S. Vecchio, M.A. Meyers // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 125. – P. 210–218. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.11.041.

17. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics // Journal of Computational Physics. – 1995. – Vol. 117. – P. 1–19. – doi: 10.1006/jcph.1995.1039.

18. Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., Österle W. Molecular dynamics sliding simulations of amorphous Ni, Ni-P and nanocrystalline Ni ?lms // Computational Materials Science. – 2017. – Vol. 129. – P. 231–238. – doi: 10.1016/j.commatsci.2016.12.039.

19. Development of new interatomic potentials appropriate for crystalline and liquid iron / M.I. Mendelev, S. Han, D.J. Srolovitz, G.J. Ackland, D.Y. Sun, M. Asta // Philosophical Magazine. – 2003. – Vol. 83. – P. 3977–3994. – doi: 10.1080/14786430310001613264.

20. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the Open Visualization Tool // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2010. – Vol. 18, iss. 1. – P. 15012. – doi: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.

21. Honeycutt J.D., Andersen H.C. Molecular dynamics study of melting and freezing of small Lennard-Jones clusters // The Journal of Physical Chemistry. – 1987. – Vol. 91, iss. 19. – P. 4950–4963. – doi: 10.1021/j100303a014.

22. Stukowski A., Bulatov V.V., Arsenlis A. Automated identification and indexing of dislocations in crystal interfaces // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2012. – Vol. 20, iss. 8. – P. 085007. – doi: 10.1088/0965-0393/20/8/085007.

23. Dmitriev A.I., , Nikonov A.Yu., Psakhie S.G. Atomistic mechanism of grain boundary sliding with the example of a large-angle boundary Sigma=5. Molecular dynamics calculation // Physical Mesomechanics. – 2011. – Vol. 14, iss. 1–2. – P. 24–31. – doi: 10.1016/j.physme.2011.04.004.