Л.П. Арефьева – к.ф-м.н., доцент, Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону)  E-mail: Ludmilochka529@mail.ru

Ю.В. Долгачев – к.т.н., доцент, Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону)

E-mail: yudol@mail.ru

Постановка проблемы. Основными направлениями развития материаловедения являются создание новых и повышение качества существующих материалов, необходимых для изготовления конструкций и инструментов. Наибольшее применение в различных отраслях промышленности имеют стали. Традиционно микроструктура сталей исследуется с помощью методов оптической, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии. Сканирующая зондовая микроскопия открывает новые возможности для трехмерных измерений характерных размеров структурных составляющих микро- и нанорельефа поверхности.

Цель работы – получение и анализ топологии полированной поверхности конструкционной углеродистой и инструментальной легированной сталей, а также установление фрактальной размерности поверхностей.

Результаты. Методом сканирующей туннельной микроскопии получены изображения поверхности стальных образцов. В качестве материалов для исследования были выбраны сталь 40 и ХВГ в отожженном состоянии. Исследования проводились на полированных образцах. Методом фрактальной размерности с использованием программного комплекса Gwyddion получены наноструктурные характеристики поверхности образцов стали 40 и ХВГ. Фрактальная размерность, определенная методом подсчета кубов, составляет для образца стали ХВГ Df = 2,448 ± 0,013, стали 40 Df = 2,43553 ± 0,015. Установлено, что средняя шероховатость поверхности стали ХВГ больше, чем стали 40 в 1,6 раза.

Практическая значимость. Проведенный анализ топологии поверхности показал, что сканирующая туннельная микроскопия позволяет однозначно характеризовать микро- и наноструктуру стали.

1. Адамчук В.К., Балиж К.С., Быков В.А., Добротворский А.М., Мальцев А.А., Пушко С.В., Сеньковский Б.В., Ульянов П.Г., Усачев Д.Ю., Цыганков А.Б. Способ металлографического анализа // Бюллетень. №20. 2014. 
2. Douketis C., Wang Z., Haslett T. L., Moskovits M. Fractal character of cold-deposited silver films determined by low-temperature scanning tunneling microscopy // Physical Review B. 1995. V. 51. № 16. P. 51.
3. Zahn W., Zosch A. The dependance of fractal dimension on measuring conditions of scanning probe microscopy // Fresenius J. Analen Chem. 1999. V. 365. P. 168–172.
4. Beech I.B. The potential use of atomic force microscopy for studying corrosion of metals in the presence of bacterial biofilms – an overview // International Biodeterioration and Biodegradation. 1996. P. 141–149.
5. Man J., Valtr M., Weidner A., Petrenec M., Obrtlík K., Polák J. AFM study of surface relief evolution in 316L steel fatigued at low and high temperatures // Procedia Engineering. 2010. V. 2. P. 1625–1633.
6. Сдобняков Н.Ю. Зыков Т.Ю., Базулев А.Н., Антонов А.С. Определение фрактальной размерности островковых пленок золота на слюде // Вестник Тверского государственного ун-та. Сер. Физика. 2009. Вып. 6. С. 112–119.
7. Зыков Т.Ю., Сдобняков Н.Ю., Самсонов В.М., Базулев А.Н., Антонов А.С. Исследование морфологии рельефа поверхности золота на слюде методом сканирующей туннельной микроскопии // Конденсированные среды и межфазные границы. 2009. Т. 11. № 4. С. 309–313.
8. Шляхова Г.В., Баранникова С.А., Зуев Л.Б., Бочкарева А.В. Применение методов АСМ для изучения стали 40Х13 в различных структурных состояниях // Сб. тезисов XV Междунар. школы-семинара «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах». 2018. С. 104.
9. Шляхова Г.В., Зуев Л.Б., Попова Е.А. Оценка параметров структуры конструкционной углеродистой стали методами АСМ // Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. Приложение к журналу. 2018. Т. 23.  № 123. С. 581–584.
10. Шляхова Г.В., Зуев Л.Б., Попова Е.А. Исследование углеродистой стали метолом атомно-силовой микроскопии // Сб. трудов междунар. конф. «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций XII» 2018. С. 302.
11. Карбань О.В., Ладьянов В.И., Маклецов В.Г., Решетников С.М., Борисова Е.М. Применение сканирующей зондовой микроскопии при коррозионных исследованиях стали 12Х18Н10Т в различных средах // Вестник Удмуртского ун-та. 2014. Вып. 2. С. 5–12.
12. Hogstrom R., Korpelainen V., Riski K., Heinonen M. Atomic force microscopy studies of surface contamination on stainless steel weights // Metrologia. 2010. V. 47. P. 670–676.
13. Kovács D., Dobránszky J., Bonyár A. Effect of different active screen hole sizes on the surface characteristic of plasma nitrided steel // Results in Physics. 2019. V. 12. P.1311–1318.
14. Li Y., He Y., Xiu JJ., Wang W., Zhu YJ, Hu B. Wear and corrosion properties of AISI 420 martensitic stainless steel treated by active screen plasma nitriding // Surf. Coat. Technol. 2017. V. 329. P. 184–192.
15. Корх М.К., Корх Ю.В., Ригмант М.Б., Казанцева Н.В., Виноградова Н.И. Использование метода зонда Кельвина для контроля фазового состава аустенитно-ферритной хромоникелевой стали // Дефектоскопия. 2016. №11. С. 59–69. 
16. Блесман А.И., Касьяненко В.А. Сканирующая зондовая микроскопия поверхности стали 38Х2МЮА после ионной имплантации гадолиния, иттрия, скандия и титана // В сб. «Актуальные проблемы современной науки» Материалы VIII Региональной науч.-практ. конф. с междунар. участием. 2019. С. 7–10.
17. Брылкин Ю.В., Кусов А.Л. Соотношение фрактальной размерности и различной шероховатости для образцов меди // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / Под общ. ред. В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. Вып. 5. Тверь: Тверской государственный ун-т. 2013. С. 33–38.
18. Wang Q., Huang C., Zhang L. Microstructure and tribological properties of plasma nitriding cast CoCrMo alloy // J. Mater. Sci. Technol. 2012. V. 28. P. 60–65.
19. Исанова В.С., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука. 1994. 383 с.
20. Арефьева Л.П., Шебзухова И.Г. Смачивание и анизотропия межфазной энергии на границе контакта нанокристаллов индия с ориентированной подложкой // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: Межвуз. сб. науч. тр. / Под общ. редакцией В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. Вып. 10. Тверь: Тверской государственный ун-т. 2018. С. 27–34.
21. Арефьева Л.П., Шебзухова И.Г., Сахно Т.А., Шахова Л.С. Применение атомно-силовой микроскопии для исследования анизотропии межфазной энергии на границе металл-ориентированная подложка // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: Межвуз. сб. науч. тр. / Под общей редакцией В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. Вып. 11. Тверь: Тверской государственный ун-т. 2019. С. 16–25.
22. Aref’eva L.P. Blinov A.V., Kravtsov А.A., Shebzukhova I.G., Serov A.V. Features Wetting and Anisotropy of Interfacial Energy in a Metal Particle-Silicon System // Matec. Web. of Conferences. 2018. V. 226. Art. № 03009. 7 p.
23. Дука В.В., Федосов В.В., Долгачев Ю.В., Механические свойства композиционного материала на базе доэвтектоидной стали // Сб. статей Междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 2018. С. 84.
24. Пустовойт В.Н., Дука В.В., Долгачев Ю.В. Сценарий роста трещины в стали со структурой ферритно-мартенситного композита // Изв. Волгоградского государственного технического ун-та. 2017. № 10 (205). С. 156–160.
25. Duka V.V., Pustovoit V.N., Ostapenko D.A., Aref`eva L.P., Dombrovskij Yu.M. The use of the atomic force microscopy to investigate the structure of steel 14G2 // IOP Conf. Series Materials Science and Engineering. 2019. V. 680. Art. № 012023. 7 p.
26. Nečas D, Klapetek P. Gwyddion: an open-source software for SPM data analysis // J. Phys. 2012. V. 10. P. 181–185.