Особенности механических свойств наноматериалов для технических средств

Возможности практического использования нанокристаллических материалов базируются на их свойствах, таких как твердость, прочность, упругость, пла- стичность и т. д.

Среди механических свойств нанокристаллических материалов в первую очередь необходимо отличить необычайно высокую твердость. Размер зерен оказывает заметное влияние на микротвердость. Этот эффект хорошо изучен на металлах, сплавах и керамике с размером зерен D более 1 мкм. Согласно закону Холла — Петча:

б _у = б ₀ + K_yD ~⁰'⁵ ,

где б0 — внутреннее напряжение, препятствующее движению дислокаций; Ку — постоянная. Отсюда размерная зависимость твердости:

H _v ^ H o + KD-°'⁵ ,                        (2)

Если деформация осуществляется диффузионным скольжением, то скорость деформации ё = ds/dt равна de = B<7M8ddif_ dt — kbtd3 ,

где B — коэффициент пропорциональности; а — приложенное напряжение; ш — атомный объем; 8 — толщина границы зерна; d dif — коэффициент диффузии.

Из уравнений (1) — (3) следует, что уменьшение размера зерен должно приводить к заметному изменению механических свойств. В частности, уравнения (1) и (2) предсказывают украшение материала при уменьшении размера зерна D.

При 300 K микротвердость нанокристаллических материалов в 2–7 раз выше, чем у H _v крупнозернистых материалов [1].

Основная часть

Важной проблемой является демпфирование колебаний деталей, снижающее вредное воздействие циклических нагрузок, вызывающих большинство аварий и поломок, уменьшает шумы, связанные с вибрацией механизмов. Нанокристалли-ческие материалы сочетают повышенные прочные и демпфирующие свойства. В обычных материалах при повышении демпфирующих свойств прочные свойства снижаются.

По данным проведенных исследований, в результате формирования в стали субмикрокристаллической структуры фон внутреннего трения и предел текучести возросли в 4 раза. Поэтому для практического использования можно рекомендовать, например, упрочнение поршневого пальца двигателя внутреннего сгорания, работающего в резкопеременном режиме нагрузок и трения, восстанавливать его путем гальванического осаждения нанопорошка с целью повышения твердости и износостойкости при ремонте. В этом случае можно ожидать повышение надежности в 2–4 раза этой детали, а также коленвала [2; 3].

Процесс эксплуатации топливной аппаратуры связан с ухудшением технического состояния плунжерных пар. Из-за износа плунжерных пар возникает большая неравномерность подачи топлива, а также запаздывание момента впрыска.

Износ деталей плунжерных пар происходит вследствие гидроабразивного воздействия, который обусловлен наличием в топливе механических частиц. Износ имеет локальный характер и расположен в местах, наиболее благоприятных для защемления абразивных частиц. Значительно изнашиваются плунжера, особенно участок в ее верхней части, расположенной против впускного окна гильзы. Длина изношенного участка 9,5...11 мкм. У втулки изнашивается внутренняя поверхность, примыкающая к впускному и перепускному окнам. Больший износ находится у впускного окна, меньший — у перепускного. Износ составляет 26 мкм.

Для восстановления и упрочнения плунжерных пар существуют различные методы нанесения на рабочую поверхность слоя какого-либо износостойкого материала, например хрома, никеля и др.

Одним из наиболее распространенных методов восстановления плунжерных пар является гальваническое хромирование. Этот процесс позволяет нанести слой хрома толщиной 15–30 мкм на изношенные поверхности, что повышает их твердость до 800–1000 HV и снижает коэффициент трения. Однако у хромирования есть недостатки:

• 1.    Высокая пористость покрытия, способствующая коррозии;

• 2.    Трудность обработки локальных зон износа (например, участков у впускных окон);

• 3.    Экологическая опасность из-за использования электролитов на основе хромового ангидрида.

Более перспективными считаются высокоэнергетические методы напыления, такие как:

• –    детонационное напыление карбидов вольфрама (WC-Co). Позволяет создать плотное покрытие с адгезией до 80 МПа, устойчивое к гидроабразивному износу. Твердость слоя достигает 1200–1400 HV, а износостойкость повышается в 3–5 раз по сравнению с хромированием;

  – плазменное напыление нитрида титана (TiN). Формирует тонкий (5–10 мкм) износостойкий слой с низким коэффициентом трения (0,1–0,2). Метод особенно эффективен для зон контакта плунжера и втулки.

Использование современных методов восстановления снижает затраты на ремонт на 40–60% по сравнению с заменой плунжерных пар. Например, детонационное напыление увеличивает ресурс детали до 15 000 моточасов, что на 30% превышает показатели новых узлов с заводским хромированием.

Следует также упомянуть о сверхпластичности керамических наноматериалов — до 20 раз. Такие материалы можно использовать в подшипниках скольжения коренных и шатунных подшипников коленчатого вала двигателя. Это такие материалы, как Si ₂ N ₄ /SiC , TiO ₂ , МдО и т. д.

В настоящее время в этих подшипниках используются свинец, олово и сурьма (бензиновые двигатели), алюминий, сурьма и магний — для дизелей. Срок службы этих подшипников также можно было бы увеличить до 2–4 раз по сравнению с существующими [4].

Заключение

Наноматериалы широко используются в альтернативной энергетике — в топливных элементах, литий-ионных аккумуляторах и т. д. Они имеют большую перспективу для развития энергомашиностроения, модернизации существующих двигателей внутреннего сгорания. Используя особенности наноматериалов и нанотехнологии, возможно повышение надежности и ресурса существующих и разрабатываемых технологических средств.