Нержавеющей стали добавили износостойкости

Учёные из Санкт-Петербургского государственного университета и ИПМаш РАН после нанесения газодинамического холодного напыления подвергли нержавеющую сталь лазерной обработке. После этих процедур характеристики стали значительно улучшились, материал стал более ударопрочным, сообщили в пресс-службе СПбГУ. Теперь износостойкость, а значит и срок годности такой стали увеличились примерно на 5-6 процентов по сравнению с традиционным производством.

Как известно, сталь до обработки сам по себе достаточно мягкий материал. Поэтому люди научились её закаливать ещё в Бронзовом веке. Самые древние образцы археологи нашли на территории современной Португалии. В средние века закалка шагнула на новый уровень — сталь прошла путь от костра до мартеновской печи, которая до сих пор используется в металлургии. Сегодня закалка представляет собой нагревание металла с последующим охлаждением — последовательное погружение нагретой заготовки в несколько ванн с различными носителями, включая расплавленные соли, щёлочи и металлы.

С появлением нержавеющих сплавов методы термической обработки получили новое развитие, и сегодня закалка нержавейки позволяет получатьдостаточно прочные материалы. У обработанных таким образом изделий значительно улучшаются эксплуатационные характеристики.

Нержавеющая сталь — это разновидность легированной стали, устойчивая к коррозии за счёт содержания хрома — 12% и более.

Изделия из нержавеющей стали в большом количестве используются в пищевой и химической промышленности, теплоэнергетике, машиностроении, медицине. Да фактически во всех отраслях, где есть механизмы или сложные и прочные инструменты. Такую сталь используют там, где требуется высокая прочность при воздействии температур или в агрессивных условиях. Ведь материалы из нержавейки отличаются высокой пластичностью, термической и коррозионной стойкостью. Правда, она недешёвая. Даже посуда из нержавейки порой стоит дороже, чем серебряные столовые приборы.

Несмотря на то, что нержавеющая сталь может выдерживать значительные механические нагрузки без разрушения, её ресурс ограничен, и ударостойкость снижается со временем. Деструкция может усиливаться под воздействием экстремальных температур или высокоскоростных нагрузок. В зависимости от условий эксплуатации и назначения готовые конструкции или элементы из нержавейки могут служить десятки лет, но нет предела совершенству.

Физики Санкт-Петербургского университета и Института проблем машиноведения РАН нашли способ увеличения прочности нержавеющей стали за счёт 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 учёного, газодинамическое холодное напыление позволяет получить прочный металлический слой с высокой адгезией, то есть связью со сталью. При этом методе появилась возможность создать покрытие, соответствующее составу исходных материалов, которое сохраняет неизменным материал подложки. При такой комбинированной обработке получается покрытие достаточной толщины, высокой адгезионной прочности и заданного состава.

Используемая учёными комбинированная обработка повышает прочность нержавеющей стали за счёт большого количества так называемых двойников — механизмов пластической деформации, характерных для ударного нагружения. Лазерная обработка поверхностного слоя покрытия стала приводить, с одной стороны, к увеличению размера таких двойников, с другой — к уменьшению их количества. Таким образом повышается скорость удара и соответственно — твёрдость стали.

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.

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

Егор Петров