Физико-химические основы упрочнения поверхности легких конструкционных сплавов ультразвуковой ударной обработкой при криогенных температурах

Получены принципиально новые научные знания относительно физико-материаловедческих основ и закономерностей упрочнения поверхностных слоев легких конструкционных сплавов путем ультразвуковой ударной обработки (УЗУО) при криогенных температурах. Эти закономерности обусловлены подавлением процессов динамического возврата и динамической рекристаллизации, а также эффекта аннигиляции дислокаций под действием фактора глубокого охлаждения. Доказана возможность формирования нитридных соединений в приповерхностных слоях за счет явления механодинамической диффузии атомов азота из внешней среды в процессе криодеформации. Отличительной особенностью полученных результатов от отечественных и зарубежных аналогов является поверхностная обработка материала при криогенных температурах в условиях гидростатического сжатия вместо хорошо известных методов криодеформации всего объема материала. Измельчение исходной структуры до наномасштабного уровня, а также развитие механохимических реакций под действием УЗУО при криогенных температурах по сравнению с традиционной методикой УЗУО предоставляет возможность упрочнения поверхности до ~500%, увеличение толщины модифицированного слоя до ~250 мкм, (на воздухе до ~100 мкм), уменьшения шероховатости поверхности в 2,5 раза, повышения износо- и коррозионной стойкости, усталостной долговечности до ~3 раз, уменьшения продолжительности процессов модификации поверхности материала до нескольких минут. В частности, максимальные значения микротвердости поверхности стали 12Х18Н10Т (HV = 5-5,66 ГПа) получены после криогенной УЗУО продолжительностью 150 с, что обусловлено формированием максимальной объемной доли α'-мартенсита (53%) по сравнению с обработкой на воздухе (9%), наноразмерами зерен α'-мартенсита (24 нм) и аустенита (45 нм) и наличием нанодвойников (60-120 нм). Кроме низкой энергии дефектов упаковки (~30 МДж/м2), это обусловлено высокой скоростью деформации (~103) и криогенными температурами (77 К)). Значение параметра Зинера-Холомона в условиях УЗУО в жидком азоте составляет 26, тогда как при комнатной температуре на воздухе и в аргоне – 15 и 17, соответственно.