1. Об'єктом дослідження є процеси поверхневого наноструктурування та зміни енергетичного стану поверхні під впливом різних дій. Метою дисертаційної роботи є розробка найбільш ефективного й найменш витратного способу підвищення конструктивної міцності сталевих деталей машин на основі аналізу впливу різних методів поверхневої дії, в тому числі поверхневого наноструктурування, на властивості не тільки поверхні, але й усього виробу в цілому. Методи дослідження та апаратура. В роботі використані рентгеноструктурний (ДРОН-3) і рентгеноспектральний аналіз (РЕМ-106), оптична (МИМ-7) та електронна мікроскопія (РЕМ-106), визначення механічних характеристик при статичних (на розтяг - Р5) і циклічних (на втому - МУИ-6000) випробуваннях, вивчення профілю поверхні і параметрів шорсткості (TR-200), вимірювання макро-, мікро- і нанотвердості (ТП-7р-1, ПМТ-3, Nano Indenter II відповідно). Результати експериментів оброблювалися методами математичної статистики у програмі Microsoft Office Excel. Теоритичні і практичні результати. Запропоновано теоретичне обґрунтування отримання високої конструктивної міцності виробів при поверхневому наноструктуруванні. Показано, що іонне бомбардування (ІБ) низькоенергетичними іонами при певних режимах приводить до заліковування поверхневих дефектів і формування на поверхні виробів нанокристалічного шару товщиною біля 30-50 нм. В такому шарі пластична деформація відбувається за недислокаційним механізмом з зернограничим проковзуванням нанозерен. Це перешкоджає утворенню концентраторів напружень та окрихченню металу, результатом чого є підвищення міцності в об'ємі матеріалу без зниження пластичності. Новизна: 1. Вперше проведено системне дослідження і аналіз впливу різних способів поверхневої обробки (ХТО, механічного та електролітичного полірування, ППД, ІПО) на об'ємні механічні властивості виробу. Експериментально доведено, що усі проаналізовані дії змінюють тонку структуру і об'ємні характеристики міцності та пластичності. Оцінена роль кожного фактора у підвищенні конструктивної міцності. Показано, що не виявляється однозначний зв'язок між макронапруженнями ?I, показниками тонкої структури (?, розмірами ОКР, ?IІ) і механічними властивостями. 2. Вперше безпосередньо на реальних виробах встановлено, що ІБ приводить до унікального поєднання характеристик міцності і пластичності, яке до цього часу не було досягнуто ні одним з відомих комбінованих способів зміцнення. Після ІБ тимчасовий опір для зразків без концентраторів напружень підвищується на 17 %, границя текучості на 34 % при збереженні і навіть деякому зростанні пластичності (відносне звуження зростає на 3 %). Для виробів з концентраторами напружень цей ефект ще більший: ?в підвищується на ~ 69 %, ?0,2 на ~ 84 %. Наступне нанесення покриття підвищує показники міцності не більш ніж на 3-7 %. 3. Вперше показано, що ІБ низькоенергетичними іонами (~ 1 кеВ) при певних режимах приводить до формування на поверхні виробів нанокристалічного шару товщиною біля 30-50 нм. Твердість цього шару у порівнянні з вихідною (до ІБ) на самій поверхні (< 20 нм) підвищується з 7,8 до 12,4 ГПа, але різко знижується і на глибині ~ 30-50 нм вона практично співпадає з вихідною у наклепаному шарі. Після нанесення покриття твердість збільшується майже у тричі (до 21 ГПа) і зменшується значно повільніше, тобто глибина зміцненого шару помітно більша. Співставлення зміни твердості і глибини зміцненого шару з механічними характеристиками всього виробу свідчить, що такий значний їх ріст саме після ІБ не може бути пояснений підвищенням твердості, оскільки не виконується правило адитивності. 4. Вперше запропонована гіпотеза, яка пояснює отримання високої конструктивної міцності виробів при поверхневому наноструктуруванні. В процесі ІБ здійснюється заліковування поверхневих дефектів і утворення нанокристалічного шару. В такому шарі пластична деформація відбувається за недислокаційним механізмом з зернограничим проковзуванням нанозерен. Це перешкоджає утворенню концентраторів напружень та окрихченню металу, результатом чого є підвищення міцності в об'ємі матеріалу без зниження пластичності. Ступінь упровадження. На базі отриманих результатів теоретичних та експериментальних досліджень було розроблено спосіб підвищення конструктивної міцності виробів (патент України № 55911 "Спосіб підвищення конструктивної міцності сталевих виробів"). Розроблений спосіб особливо ефективний в тому випадку, коли виріб має концентратори напружень. Так, якщо для гладких зразків підвищення тимчасового опору і умовної границі текучості після ІБ складало 17 і 34 % відповідно, то для болтів з різьбою - 69 та 84 %. Сфера (галузь) використання. Результати досліджень, що наведені в дисертаційній роботі, можуть бути використані на машинобудівельних підприємствах для деталей, які потребують високої конструктивної міцності і працюють при значних розтягувальних напруженнях, а також, науковцями та студентами технічних ВУЗів.
