Особенности взаимодействия fe, Ni, Ti, Cu с атомами внедрения c, N, o при импульсных воздействиях



Скачать 297.04 Kb.
НазваниеОсобенности взаимодействия fe, Ni, Ti, Cu с атомами внедрения c, N, o при импульсных воздействиях
Миронова Татьяна Васильевна
Дата03.03.2013
Размер297.04 Kb.
ТипАвтореферат
источник


На правах рукописи


Миронова Татьяна Васильевна


ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Fe, Ni, Ti, Cu

С АТОМАМИ ВНЕДРЕНИЯ C, N, O ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ


Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук


Самара – 2011


Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

^ НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор физико-математических наук, профессор Штеренберг А.М.


ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук,

профессор Фёдоров В.А.


доктор физико-математических наук

Кадомцев А.Г.


^ ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

ФГБОУВПО «Тульский государственный университет»



Защита диссертации состоится 9 декабря 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.01 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, ауд. 500.


Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.01; факс: (846) 242-28-89.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18)


Автореферат разослан «__» ноября 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Самборук А.Р.




^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. В науке и промышленной практике исследуются и применяются многие виды механико-химико-термической обработки, модификации поверхности и сварки без расплавления, базирующиеся на использовании внешних воздействий. Открытие эффекта аномального массопереноса при импульсных воздействиях, позволило целенаправленно создавать новые и оптимизировать существующие способы химико-термической обработки и сварки в твердой фазе. Действительно, диффузионный перенос вещества определяет формирование в процессе обработки и стабильность в условиях эксплуатации структуры и фазового состава. К настоящему времени хорошо изучено взаимодействие разнородных металлов под влиянием быстропротекающих процессов и установлено, что импульсная упругая или пластическая деформация является необходимым условием для проявления ускоренной миграции атомов, в том числе атомов неметаллов. Процесс массопереноса приводит к образованию фаз по всей диффузионной зоне, поэтому переоценить их роль в науке и промышленности невозможно. Взаимодействию металлов с атомами легких элементов под влиянием импульсных нагружений при низких температурах не уделялось достаточного внимания, хотя снижение времени и температуры обработки является весьма полезным как с точки зрения удешевления процесса получения изделия, так и улучшения качества самого изделия, в частности, из-за отсутствия разупрочнения.

^ Основная цель работы: установить закономерности взаимодействия металлов Fe, Ni, Ti, Cu с элементами внедрения С, N, O при импульсных воздействиях.

Научная новизна. В рамках данной работы впервые установлены особенности взаимодействия Fe, Ni, Ti, Cu с элементами С, N, O в условиях высокочастотных импульсных воздействий при действии только упругих деформаций и при наложении импульсной пластической деформации. Показана зависимость характеристик импульсного воздействия (скорости и температуры ^ Т импульсной деформации, вида и энергии воздействия ЕИ, кратности нагружения n, длительности импульса ) с параметрами массопереноса и фазообразования (формой концентрационного профиля, подвижностью и глубиной проникновения атомов). Впервые систематически исследованы фазовый состав диффузионной зоны и подвижность атомов при взаимодействии ОЦК-, ГПУ- и ГЦК-металлов с азотом, углеродом, кислородом под действием импульсной пластической деформации.

^ Практическая значимость. Впервые полученные систематические экспериментальные данные по массопереносу в металлы атомов легких элементов под действием упругих, высокочастотных и пластических деформаций позволяют определить условия, в которых происходит ускоренные миграция атомов и фазообразование, а также особенности локализации проникающих атомов и выделившихся фаз в объеме и дефектах кристаллической структуры. В свою очередь, это дает возможность целенаправленно использовать новые знания как основу для разработки способов импульсного воздействия, а также определять оптимальные режимы импульсных методов сварки давлением и химико-термической обработки, в основе которых лежат диффузионные процессы.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается использованием апробированных методов исследования, основанных, в первую очередь, на применении радиоактивных изотопов, воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования, сравнением с литературными данными.

^ Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований и изучении особенностей взаимодействия металлов с элементами внедрения при импульсных воздействиях. Автором лично осуществлены постановка задач экспериментального изучения и непосредственное участие в их решении на всех этапах работы, проведен анализ полученных результатов.

^ Основные положения, выносимые на защиту:

  1. При импульсном многократном сжатии газовой среды (60 имп/мин, 2ч, 105-107 Па, 293-1473К) происходит ускорение диффузии азота и углерода в титане, железе и его сплавах в 2 - 5 раз с образованием диффузионных зон глубиной до  500 мкм, твердых растворов внедрения, карбидов, нитридов.

  2. Электрогидроимпульсная обработка железа без нагрева за  10-3 с приводит к образованию диффузионной зоны глубиной от 10 до 40 мкм, содержащей Fe3C, оксиды Fe3O4 с нарушенной стехиометрией, твердые растворы углерода и кислорода в - железе.

  3. Ультразвуковая ударная обработка железа и его сплавов (30 кГц, 0,2 с-1, 1 - 6 с, 77 - 673 К) приводит к проникновению атомов углерода на глубины от 10 до 400 мкм по объемному механизму. Образуются карбидные фазы, пересыщенные твердые растворы внедрения углерода и замещения никеля в железе.

  4. При воздействии со скоростями  = 5∙103 – 5∙105 с-1 без нагрева за 1–3 мкс происходит проникновение в медь азота и углерода на глубину до 500 мкм и образование метастабильных твердых растворов в меди. Коэффициент диффузии углерода при 5∙105 с-1 увеличивается до 0,5 см2/с.

^ Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: Шестой Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, сентябрь 2005 г., Сочи, Россия; Третья Всероссийская конференция молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-ем тысячелетии», март 2006, г. Томск, Россия; ІІ Международная школа «Физическое материаловедение», февраль 2006 г., Тольятти, Россия; ХVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», июнь 2006 г., Самара, Россия; 4–я Международная конференция «Диффузия и диффузионные фазовые превращения в сплавах DIFTRANS – 2007», июль 2007 г., Софиевка (Умань), Украина; XVIII Международное совещание «Радиационная физика твердого тела», июль 2008 г., Севастополь, Россия; Международная конференция «Современные проблемы физики металлов», октябрь 2008 г., Киев, Украина; Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии» май 2009 г., Витебск, Беларусь; XVII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», июнь 2009 г., Самара, Россия; 8-я Международная конференция «Взаимодействие излучений с твёрдым телом» сентябрь 2009 г., Минск, Беларусь.

^ Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 179 наименований. Общий объем диссертации составляет 140 страниц, включая 34 рисунка и 11 таблиц.

^ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации дается краткая характеристика состояния проблемы, ее актуальность, новизна, научная и практическая значимость, изложены основные полученные результаты, формулируется цель исследования и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены и проанализированы имеющиеся в научной литературе экспериментальные данные, касающиеся вопросов, изложенных в настоящей диссертации. Установлены особенности взаимодействия большинства металлов с элементами внедрения при изотермических отжигах и проанализированы соответствующие диаграммы двойных систем. Для одних металлов типично образование твердых растворов и фаз внедрения (Fe, Ti), другим свойственно растворять элементы внедрения без образования химического соединения (Ni-C, Cu-H), в третьих металлах (например, в меди) азот и углерод практически не растворяются в твердой фазе. Также установлено, что температура и время изотермического отжига, давление и свойства газовой среды определяют фазовый состав и протяженность диффузионной зоны.

Однако в ряде бинарных систем, например, Fe-C, при импульсных нагружениях, закалке или с помощью химических реакций возникают фазы внедрения и пересыщенные твердые растворы, не существующие в равновесных условиях. Этот процесс особенно хорошо изучен для деформирования прокаткой, частично для электроискрового легирования, незначительно для электрогидроимпульсной (ЭГИ) обработки.

Эксперименты по сжатию газовой насыщающей среды показали, что отжиг железа и никеля в среде метана и аммиака приводит не только к проникновению собственных меченых атомов, но и атомов углерода и азота.

Исследование упругих и неупругих свойств железа и его сплава с хромом и никелем после ультразвукового ударного насыщения атомами углерода показало, что в результате обработки происходит увеличение концентрации углерода в твердом растворе и на дислокациях. В то же время для более быстрых воздействий (прокатка, удар, взрыв) характерно одновременное возникновение фаз внедрения с избытком металла или неметалла.

Во второй главе описаны исследуемые материалы Fe, Ni, Ti, Cu и методы изучения процессов фазообразования в металлах и сплавах при диффузии в них легких элементов в условиях различных внешних воздействий. Применялись длительные упругие деформации, импульсные упругие и пластические нагружения в широком интервале температур, длительностей воздействия и скоростей деформации, одновременное действие двух видов нагружения. Описано применяемое для этого оборудование и режимы обработок, в том числе и многократное воздействие.

К числу объектов исследования относятся концентрации проникающих атомов в диффузионной зоне, эффективный коэффициент диффузии, диффузионная ширина границ зерен и субзерен.

Применялись различные методы исследования, в первую очередь, связанные с использованием радиоактивных изотопов: послойный радиометрический и авторадиографический анализы; макро-, микро- и электронно-микроскопическая авторадиография.

Для изучения структурных, концентрационных и химических неоднородностей применялись методы микро- и электронномикроскопической авторадиографии с регистрацией изображения в тончайшем (до 0,1 мкм) слое ядерной фотоэмульсии.

Изучение фазового состава диффузионной зоны проводилось методами рентгенографии, гидростатического взвешивания, металлографии и микро-рентгеноспектрального анализа. Эксперименты осуществлялись на образцах, погруженных в жидкий азот непосредственно после импульсной пластической деформации при повышенных температурах для фиксации образовавшихся фазовых составляющих.

Для диффузии меченых атомов в данном случае концентрационный профиль описывался выражением:

, (1)

где ^ Q - количество диффундирующего вещества, D - коэффициент диффузии или массопереноса, - длительность процесса переноса вещества, Х - глубина проникновения. При этом расчет коэффициентов массопереноса М по концентрационным профилям, осуществлялся по формуле:

. (2)

Для коэффициентов М, полученных с помощью снятия слоев, применялась формула:

, (3)

где - активность образца после снятия слоя толщиной , - линейный коэффициент поглощения радиоактивного излучения материалом образца; - длительность миграции атомов.

Для вычисления DМ при авторадиографических методах использовали соотношение (2), где концентрация пропорциональна степени почернения поверхности на фотоснимках.

При построении графика зависимости получалась расчетная формула:

, (4)

где - угол наклона на графике.

При наложении следующего деформирующего импульса коэффициенты диффузии определялись по формуле:

(5)

где А и - константы, определяющие подвижность атомов при предыдущем воздействии, а .

Для образцов, подвергаемых многократным воздействиям, применялся абсорбционный метод. Коэффициенты массопереноса рассчитывались по формуле:

erfc(Z), (6)

где .

При диффузии из тонкого слоя можно считать, что полное число атомов в единице объема приблизительно равно абсолютной концентрации растворителя:

ND + NР  NР . (7)

При переходе к относительной концентрации окончательно можно записать:

, (8)

где h – толщина нанесенного слоя, VD и VP – атомные объемы диффундирующего вещества и металла-растворителя. Для плоскости Х = 0, решение второго уравнения Фика имеет вид:

, (9)

откуда коэффициент диффузии:

. (10)

В третьей главе представлены результаты изучения массопереноса атомов неметаллических элементов (С, N, O), и образования фаз в диффузионной зоне при действии на металлы импульсных упругих деформаций: в условиях импульсного сжатия газовой нейтральной и насыщающей среды; при горении газовых разрядов в нейтральной и насыщающей атмосфере; при электрогидроимпульсной обработке без нагрева.

При бомбардировке ионами азота в плазме тлеющего разряда металлов с различным типом кристаллической решетки Fe (ОЦК), Ti (ГПУ), Cu (ГЦК) в приповерхностном слое железа и титана возникают пересыщенные твердые растворы внедрения и нитридные фазы, соответствующие диаграммам состояний, в то время как в меди, образуется только твердый раствор внедрения. Те же закономерности взаимодействия металлов с углеродом имеют место при обработке в разряде, горящего в среде метана. При бомбардировке ионами аргона или криптона предварительно насыщенных азотом железа и никеля при тех же характеристиках тлеющего разряда, что и процесс насыщения, происходит диссоциация нитридных фаз, находящихся вблизи поверхности, диффузия азота, образование твердого раствора внедрения в объеме зерна и выделение образующихся мелкодисперсных нитридов на границах зерен. Что же касается насыщенной азотом меди, то последующая бомбардировка ионами инертных газов привела к дальнейшей миграции азота в глубь меди, причем концентрационный профиль по-прежнему представлял собой экспоненциальную зависимость от глубины проникновения с максимумом концентрации на поверхности.

Иные закономерности наблюдаются при взаимодействии железа (сталей) и меди с предварительно введенными атомами углерода при бомбардировке ионами инертных газов. Для обоих металлов ионная бомбардировка приводит к такому перераспределению атомов углерода, что на концентрационных профилях возникают максимумы, отстоящие от поверхности (рис. 1,2).



Рис. 1. Предварительное распределение 14С в железе (^ 1) и после бомбардировки ионами Ar (2) (a), авторадиограмма-реплика поверхности (14С), х 4800 (б).

Однако природа этих максимумов в железе и меди различна. В железе он связан с образованием карбидов Fe3С, выявляемых как рентгеноструктурным, так и авторадиографическим анализом, причем изображение, получаемое в излучении изотопа 55Fe, имеет такой же вид, как и в излучении 14С (рис. 1 б). В то же время авторадиографическая картина, полученная с помощью изотопа 85Kr, имеет другой вид: равномерное распределение меченых атомов в объеме и в границах зерен с небольшим количеством скоплений атомов инертного газа в местах образования газонаполненных пор. Максимум в меди, возможно, связан как с восходящей диффузией при действии на атомы углерода повышения температуры приповерхностного слоя при разряде, так и с возникновением радиационных дефектов. Карбиды меди не образуются ни при насыщении из метана, ни при последующей бомбардировке ионами инертного газа, возникает только твердый раствор углерода в меди с максимальным количеством атомов, приходящихся на элементарную ячейку na = 4,05. В него затем встраиваются атомы аргона, что приводит к уменьшению na до 3,9. Следовательно, образуется сложный раствор вычитания, в котором, часть межузлий занята углеродом.



Рис. 2. Распределение атомов 14С в меди после насыщения в тлеющем разряде в среде меченого по углероду диссоциированного метана СН4 (Ер = 1 кэВ) в течение 1 ч (1) и после обработки ионами Ar (2) (а), 85Kr (б) и 14С (в) после обработки меди в плазме тлеющего разряда в среде инертного газа, х 4800.


Таким образом, использование насыщающих и нейтральных сред, а также их последовательное применения для обработки в тлеющем разряде дает возможность создавать заданные профили легирования и вводить требуемое количество легирующей примеси.

Электроискровое легирование без нагрева в среде метана также способствует проникновению атомов углерода в медь. Отметим, однако, что диффузия атомов металла (железа 55Fe из железного электрода) в данных условиях нагружения, но в среде без меченых атомов углерода, происходит на большую глубину – до 30 мкм. Исследование фазового состава диффузионной зоны показало, что при введении углерода в медь как из угольного анода, так и из среды метана образуется не механическая смесь углерода и меди, а твердый раствор, причем параметр решетки меди заметно уменьшается (с 0,3615 до 0,3609 нм). Следовательно можно предположить, что часть атомов углерода замещает атомы меди в узлах решетки, хотя различия в атомных радиусах меди и углерода превышает 15 %. Изотермический отжиг при 973 К в течение 1 ч приводит к распаду метастабильного раствора (параметр решетки меди возвращается к исходному значению), выходу атомов углерода из объема к поверхности и образованию на поверхности тонкого (~ 0,1 мкм) графитного слоя с ромбической симметрией. При одновременном проникновении в медь углерода из среды и железа из электрода также образуется метастабильный раствор, который при нагреве распадается с выходом углерода и образованием дисперсных скоплений железа в диффузионной зоне.

При введении в медь атомов аргона (медный анод, среда – аргон с 85Kr) параметр решетки твердого раствора инертного газа в меди увеличивается. При условиях обработки: ЕИ = 6,4 Дж, τИ = 200 мкс, nИ = 5∙104 в слое до 15 мкм параметр решётки достигает 0,3620 нм, глубина проникновения- 25 мкм.

При действии искровых разрядов на медный образец (анод также из меди) осуществляемом на воздухе увеличивается параметр решетки меди в результате образования сложного раствора внедрения. Симметрия кристалла меди не изменяется, и какие-либо фазы кроме твердого раствора азота, кислорода, аргона и других компонентов воздуха в меди отсутствуют. То есть можно ввести как растворяющиеся, так и нерастворимые металлы обработкой искровыми разрядами.

Аналогичным образом, при обработке искровыми разрядами железа в различных газовых средах (азот, аргон, метан, содержащий водяные пары воздух) происходит образование различных фаз. При этом твердые растворы локализуются в объеме зерна, а фазы внедрения на границах. Следовательно, при электроискровом легировании необходимо учитывать взаимодействия металла со средой.

В отличие от обработки в электрических разрядах при импульсном сжатии нейтральной газовой среды (аргон, криптон) при температурах 473 К и 1223 К не происходит проникновения атомов инертного газа в металлы, наблюдается только миграция атомов поверхностного слоя: собственных атомов железа и титана, атомов никеля в титан.

Однако обработка в насыщающих средах (метан, аммиак) способствует самодиффузии, диффузии азота и углерода, образованию равновесных и пересыщенных твердых растворов и фаз внедрения в железе, титане и сплавах на их основе. Причем диффузия имеет преобладающий зернограничный характер, в то время как ионная бомбардировка в тлеющем и искровом разрядах способствует диффузии и распределению по объему зерна. Нитриды и карбиды, как и при обработке в разрядах, располагаются по границам зерен (рис. 3).

Полученные результаты показывают, что взаимодействие металла (железо, титан) с атомами инертных газов, металлов, легких элементов в данных условиях нагружения является различным. В первом случае проникновение отсутствует, во втором наблюдается ускоренный диффузионный перенос вещества и образование твердых растворов, а в третьем – миграция азота и углерода способствует не только созданию обширной диффузионной зоны, но и твердых растворов внедрения, карбидов и нитридов. Причем эти процессы происходят во время обработки, а не по ее завершению.

В результате электрогидроимпульсной обработки железа при низких температурах можно за тысячные доли секунды получить в диффузионной зоне требуемое распределение атомов углерода и кислорода и фазовых составляющих без увеличения дефектности структуры и формоизменения изделия в целом. То есть, уменьшая в тысячу раз по сравнению с импульсным сжатием среды длительность одного акта воздействия можно получить твердые растворы и фазы внедрения без нагрева.




Рис. 3. Распределение 55Fe в железе после обработки в Ar (1) и CH4 (2) в течение 1 ч (а) и авторадиограмма-реплика Fe в плоскости, параллельной поверхности и лежащей на глубине ~ 100 мкм, после обработки в среде метана, меченого по углероду, х 2500 (б).



На глубину проникновения атомов легких элементов влияют энергия электрогидроудара и количество актов ЭГИ-воздействия, увеличивая протяженность диффузионной зоны. При этом происходит сдвиг максимума концентрации (табл.1).

Таблица 1.

Глубины проникновения (^ Х) и положения максимумов концентрации углерода (Хmax) в зависимости от количества актов ЭГИ-воздействия (n) на железо (ЕИ =35 кэВ).

n

1

3

5

10

20

35

Х, мкм

11

15

18

21

32

40

Хmax, мкм

5

7

9

11

18

22


Несмотря на низкую температуру воздействия, миграция атомов кислорода и углерода в железе происходит по объему зерна. Однако форма профиля их распределения является различной. Введенный в железо цементацией углерод перераспределяется и образует максимум концентрации на расстоянии, которое увеличивается с ростом кратности приложения импульсной нагрузки. Такая форма профиля (с максимумом) типична для перераспределения углерода, как при отжигах, так и импульсных пластических деформациях, а также при импульсном сжатии среды (рис.3). Проникновение кислорода из окисного слоя на поверхности в глубь железа не приводит к образованию максимума. Происходит размытие и понижение исходного П-образного слоя, толщиной до 1 мкм, появление концентрационного профиля экспоненциального вида, переходящего с 5 мкм в слабый протяженный «хвост», тянущийся до 15 мкм (при 20 актах).

Фазовый анализ показал, что при диффузии углерода в железе в приповерхностном слое образуются мелкодисперсные карбиды, расположенные на некотором удалении от поверхности. По-видимому, обеднение поверхности связано как с восходящей диффузией, так и с переходом углерода в процессе фазообразования. Вновь образующиеся карбиды не связаны с карбидами, возникшими при предварительной цементации. Мигрирующие атомы углерода не встраиваются в существующие зерна цементита, а создают новые фазы. Более того, под действием деформации в течение 1 мкс успевают произойти частичный распад исходного Fe3C и твердого раствора углерода в α-Fe, миграция высвободившихся атомов углерода и, наконец, образование пересыщенного твердого раствора углерода в железе и цементита. При диффузии кислорода помимо твердого раствора кислорода в железе в диффузионной зоне присутствуют в незначительном количестве мелкодисперсные нестехиометрические оксиды Fe3O4, то есть атомы кислорода, мигрируя по кристаллической решетке, захватывались атомами железа, как правило, в местах скопления дислокаций и образовывали твердый раствор с переменной концентрацией и оксиды в объеме металла.

В четвертой главе приводятся результаты изучения диффузионных процессов углерода и азота в железе, никеле, меди и титане в различных условиях импульсных пластических деформаций.

При действии на железо и его сплавы высокочастотных колебаний в процессе отжига происходит повышение подвижности атомов, и процесс переноса вещества с поверхности вглубь металла имеет зернограничный характер. Одновременное действие знакопеременных колебаний и импульсной пластической деформации приводит к макроскопическому объемному переносу вещества с поверхности вглубь обрабатываемого в течение нескольких секунд металла даже при комнатной температуре и ниже 0ºС, вплоть до температуры жидкого азота. Причем это справедливо не только для атомов углерода, но и для собственных атомов и атомов элементов, образующих твердые растворы замещения.

Исследование температурной зависимости коэффициента диффузии углерода в железе (рис. 4) показало, что одновременное применение ультразвуковой обработки и импульсной пластической деформации со скоростью до 1 с-1 усиливает перенос вещества в отличие от влияния озвучивания без пластической деформации и позволяет получать при низких температурах заметные науглероженные слои железа, причем концентрационные профили хорошо описываются экспоненциальной зависимостью от квадрата глубины проникновения.

В результате проникновения атомов углерода в железе под действием ультразвуковой ударной обработки образовывались протяженные науглероженные слои, доходящие в зависимости от длительности воздействия до 35 - 60 мкм при обработке без нагрева и до 0,7 мм при 773 К, состоящие из твердого раствора углерода в -Fe с максимальной концентрацией 0,7 % и цементита Fe3C. При температуре 308 К содержание углерода в твердом растворе не превышало 0,2 %, а количество карбидной фазы, примерно, в 4 раза меньше, чем при 773 К. Все это существенно больше, чем при отжиге и озвучивании без деформации. Проникающие атомы металлов и углерода располагались в объеме зерен даже при УЗУО без нагрева, причем образующиеся в процессе деформирования мелкодисперсные карбиды также локализовались преимущественно внутри зерна. Атомы никеля в стали не только растворялись в уже существующем твердом растворе углерода в железе, но и частично проникали в цементит, замещая атомы железа, что приводило к изменению параметра решетки. В то же время при озвучивании без деформации никель не взаимодействовал с карбидом железа. Следовательно, нескольких секунд УЗУО со скоростью деформации 0,2 с-1 достаточно для образования твердых растворов различного типа и фаз внедрения.




Рис. 4. Температурные зависимости коэффициентов диффузии углерода в железе с 5% Ni при изотермическом отжиге (1), при УЗО (2), при УЗУО (3) (а); концентрационные профили распределения углерода в железе при температурах 305 К (1), 473 К (2), 673 К (3) (б).



Различие в температурных зависимостях коэффициентов диффузии углерода и ряда металлов в железо в равновесных условиях и при УЗУО иллюстрирует таблица 2.

Таблица 2.

Параметры диффузии (D0, см2/с; Q, ккал/моль; DТ,К, см2/с) при изотермическом отжиге (873 – 1173 К) и при импульсном воздействии на железо атомов углерода (673 – 873 К) и металлов (308 – 873 К, 5 с)

Диффузант

Изотермический отжиг

УЗУО

D0

Q

D1173 К

D0

Q

D308 К

Углерод 14C

2,0∙10-2

20,1

3,8∙10-6

1,6∙10-2

8,8 ± 0,5

7,1∙10-10

Хром 51Cr

3,0∙104

82,0

2,0∙10-11

9,2∙10-6

2,9 ± 0,2

6,3∙10-9

Железо 55Fe

2,0

60,0

1,5∙10-11

6,8∙10-6

3,3 ± 0,2

2,2∙10-9

Никель 63Ni

9,9

61,9

3,3∙10-11

1,8∙10-5

3,2 ± 0,2

8,6∙10-9


В условиях ударного нагружения изучено взаимодействие ОЦК (Fe) и ГЦК (Cu, Ni) - металлов с азотом и углеродом. В процессе проникновения углерода из науглероженного образца-источника в железо при ударном механическом воздействии в течение нескольких миллисекунд с понижением температуры уменьшается как концентрация углерода в приповерхностном слое, так и глубина его проникновения. Концентрационный профиль становится более крутым, а карбидные фазы исчезают на меньших глубинах. Для деформирования без нагрева максимальная глубина, на которой можно выявить цементит, не превышает 15 мкм, а содержание углерода в твердом растворе на поверхности образца достигает 0,5 %. Расчет количества атомов, приходящихся на элементарную ячейку твердого раствора, выполненный для содержания углерода 0,5% и 1,15%, дает значения , равные 2,044 и 2,150. То есть растворение углерода в железе в процессе импульсной обработки, как и в равновесных условиях, происходит по типу внедрения.

При взаимодействии железа с азотом при деформации со скоростью = 100 с-1 без нагрева обнаружено изменение величины периода кристаллической решетки (до 0,2883 нм), что свидетельствует об образовании твердого раствора азота в железе. В то же время нитриды железа выявлены не были даже в тонком приповерхностном слое. Максимальная глубина проникновения оказалась равной 120 мкм.

При деформировании меди, находящейся в контакте с медью, предварительно насыщенной в тлеющем разряде углеродом, углерод проникал в медь на глубину ~ от 25 до 90 мкм и образовывал твердый раствор. При этом фазы внедрения и места скопления графита не возникали, а имела место экспоненциальная концентрационная зависимость.

На поверхности, контактирующей с насыщенным образцом, параметр решетки меди увеличивается на 0,0006 нм (при параметрах деформации: Т = 1223 К,  = 50 с-1,  = 20 %,  = 4 мс). Подобный результат имеет место только при мгновенном охлаждении в жидком азоте сразу же после деформации. Иначе в процессе остывания за  1 - 2 мин происходят выход атомов углерода из твердого раствора и их миграция к поверхности. На поверхности возникает тонкий слой графита. После его удаления в меди остаются разве что следы углерода, которые никаким из примененных методов выявить не удалось.

При переходе к деформированию меди с более высокой скоростью – в условиях магнитноимпульсной (103-104 с-1) и взрывной (105–5∙105с-1) обработок без нагрева происходит проникновение углерода в медь (из контактирующего с медью графита), пропорциональное скорости деформации, на глубину от 300 до 500 мкм (рис. 5), описываемое экспоненциальной зависимостью концентрации от квадрата глубины. Однако при одновременном действии повышенных температур (Δ Τ~ 400º) и скоростной пластической деформации изменяется форма концентрационного профиля - при перераспределении углерода в меди, предварительно насыщенной углеродом 14С из метановой плазмы тлеющего разряда, появляется максимум на некотором расстоянии от поверхности, связанный с выделением графита, карбидов меди CuC2 и Cu2C2 непосредственно в процессе деформирования.



Рис. 4.15. Проникновение атомов углерода 14С в медь при  = 5·105 с-1.

При скоростной пластической деформации по всей диффузионной зоне образуются несоответствующие диаграмме состояния фазы; метастабильные твердые растворы иной концентрации компонентов; избыточные фазы с отклонением от стехиометрических соотношений компонентов. А.М.Гусаком с сотрудниками были развиты теоретические представления о возможных механизмах массопереноса в металлах, на основе микроскопической модели межузельной диффузии «kick-out», которая базируется на концепции баллистических прыжков, предложенной Ж.Мартеном с сотрудниками для диффузии в условиях облучения или механического перемешивания.

В соответствии с общими термодинамическими соображениями можно допустить квадратичную зависимость диссипации энергии от скорости деформации. Скорость диссипации можно записать в форме: , где T – температура, S – энтропия, зависящая от набора термодинамических параметров . Тогда:

, (11)

где – термодинамические силы, сопряженные с .

При линейной связи между параметрами и :

(12)

с симметричными коэффициентами Онзагера . Тогда подстановка из формулы (12) в уравнение (11) дает следующую квадратичную форму: , где – элементы матрицы, обратной матрице коэффициентов Онзагера.

Таким образом, скорость диссипации при импульсном воздействии связана со скоростью деформации следующим образом:

, (13)

где – константа, которая может отличаться для разных фаз.

Для одномерной диффузии в бинарном сплаве с учетом закона сохранения энергии кинетическое уравнение будет иметь вид:

, (14)

где , и - концентрация компонента В (в узлах), межузлий А и В в n-ой плоскости соответственно.

(15)

и аналогично для с заменой и . Где ν – число межузлий, приходящихся на узловой атом (ν = 3), – число ближайших межузлий в своей плоскости (),  – частота вытеснения атома Y в плоскости j межузлием сорта X из i-той плоскости,  – частота прыжков межузлия X из плоскости i в плоскость j. С учетом неравновесных условий при действии импульса деформации эти частоты прыжков выражаются через энергии соответствующих активационных барьеров и баллистические константы следующим образом:

, (16),

, (17)

где – константа, зависящая от скорости деформации. Для активационного барьера:

, , (18)

где и - седловые энергии для актов «kick-out» и прямых межузельных перескоков соответственно, которые взяты постоянными,  – энергия компонента Y в узле,  – энергия компонента X в межузлии:

, (19)

. (20)

Для системы Fe-C был сделан компьютерный расчет тенденции изменения концентрации растворенного вещества с ростом температуры деформирования с учетом предположения, что константа, зависящая от скорости деформации, b равна 0,02 ν0, где ν0 – число межузлий, приходящихся на ближайшую координационную сферу (16). Сравнение результатов вычислений с экспериментальными данными, полученными при = 100 с-1, показало их соответствие. Полное совпадение наблюдалось только при содержании растворенного углерода в кристаллической решетке α-железа в пределах 0,56 – 0,59% и диапазоне температур 663 – 673 К.

^ Основные выводы диссертационной работы:

  1. При импульсном многократном сжатии газовой среды (60 имп/мин, 2 ч, 105-107 Па, 293-1473К) происходит ускорение диффузии азота и углерода в титане, железе и его сплавах в 2 - 5 раз с образованием диффузионных зон глубиной до  500 мкм, твердых растворов внедрения, карбидов, нитридов.

  2. Электрогидроимпульсная обработка железа без нагрева за  10-3 с в зависимости от количества импульсов приводит к образованию диффузионной зоны глубиной до 40 мкм, содержащей Fe3C, оксиды Fe3O4 с нарушенной стехиометрией, твердые растворы углерода и кислорода в - железе.

  3. Ультразвуковая ударная обработка железа и его сплавов (30 кГц, 0,2 c-1, 1 – 6 с, 77-873 К) приводит к проникновению атомов углерода на глубины от 10 до 400 мкм по объемному механизму. В диффузионной зоне образуются карбидные фазы, пересыщенные твердые растворы внедрения углерода и замещения никеля в железе.

  4. При ударном сжатии со скоростью деформации  = 105 – 5∙105 с-1 без нагрева коэффициенты диффузии углерода в меди составляют DM ~ 0,3 - 0,6 см2/с. Образуются метастабильные твердые растворы атомов углерода и азота в меди ( 0,0008 нм и  0,0002 нм). При повышенных температурах возникают также карбиды CuC2 и Cu2C2.

  5. Полученные экспериментальные результаты в рамках модели межузельной диффузии атомов углерода и азота объясняются путем баллистических прыжков данных атомов.



^ Основное содержание диссертации полностью отражено в следующих работах:

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

  1. Миронова, Т.В. Особенности взаимодействия ОЦК-металлов с углеродом и азотом в условиях ударного сжатия / Т.В.Миронова, Д.С. Герцрикен, А.М. Штеренберг и др. // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2005. - № 3. - С. 66-72.

  2. Миронова, Т.В. Взаимодействие углерода с железом и его сплавами при ультразвуковой ударной обработке / Т.В.Миронова, В.Ф.Мазанко, Г.И.Прокопенко и др. // Физика и химия обработки материалов. – 2006. - №3. - С.73-82.


Статьи в научных журналах или сборниках трудов


  1. Миронова, Т.В. Образование фаз внедрения при импульсном сжатии среды / Т.В.Миронова, В.М.Мазанко, Д.С.Герцрикен и др// Вісник Черкаського націон. ун-ту. Серія «Фіз.-мат. Науки». -2004. - Вип. 62. – С. 74 – 84.

  2. Миронова, Т.В. Особенности проникновения атомов в железо в условиях ультразвуковой ударной обработки / Т.В. Миронова, В.Ф.Мазанко, Г.И.Прокопенко и др. // Доповiдi НАНУ. - 2005. - № 8. - С. 76-83.

  3. Миронова, Т.В. Особенности фазообразования в железе и стали при ультразвуковой ударной обработке / Т.В.Миронова, В.Ф.Мазанко, Г.И.Прокопенко и др. // Доповiдi НАНУ. – 2005. – № 7. – С. 71 – 76.

  4. Миронова, Т.В. Фазообразование при импульсных знакопеременных деформациях / Т.В.Миронова, А.М.Штеренберг, Д.С.Герцрикен, и др. // Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2005. – Т. 12. - Вып. 4. - Часть 2. - С. 1138-1139.

  5. Миронова, Т.В. Взаимодействие металлов с легкими элементами в условиях импульсных упругих деформаций / Т.В.Миронова,  А.М. Штеренберг, Д.В.Миронов / Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. – 2006. - Вып. 3. - С. 44-47.

  6. Миронова, Т.В. Взаимодействие металлов с легкими элементами в условиях импульсных упругих деформаций / Т.В.Миронова, А.М. Штеренберг, В.Ф.Мазанко и др. // «Физическое материаловедение»: сб. тез. II междунар. школы. / ТГУ. - Тольятти, 2006. - С. 92-93.

  7. Миронова, Т.В. Взаимодействие тугоплавких металлов со сталями в условиях скоростной пластической деформации / Т.В.Миронова, В.Ф.Мазанко, А.М. Штеренберг и др. // «Физика прочности и пластичности материалов»: сб. материалов ХVI междунар. науч. конф. / СамГТУ. – Самара, 2006. - С. 202-204.

  8. Mironova, T.V. Тemperature effect on diffusion processes in metals at different impulse treatments / T.V. Mironova, D.S. Gertsriken, V.M.Mazanko // Вісник Черкаського національного університету. Серія «Фізико-математичні науки». - 2007. – Вип. 117. – Р. 40-46.

  9. Mironova, T.V. Features of Fe atoms diffusion in liquid Fe-Al alloys at action of a variable magnetic field / T.V.Mironova, V.M. Mazanko, S.M. Zakharov // «Diffusion and diffusional phase transformations in alloys»: Abstract booklet of IV Inter. conf. «DIFTRANS-2007». - Sofiyivka, Ukraine, 2007. - Р. 145.

  10. Mironova, T.V. Features of Fe atoms diffusion in liquid Fe-Al alloys at action of a variable magnetic field / T.V.Mironova, V.M. Mazanko, S.M. Zakharov // Вісник Черкаського націон. ун-ту. Серія «Фізико-математичні науки». - 2007. - Вип. 117. – Р. 47 – 50.

  11. Миронова, Т.В. Диффузионные процессы в металлах при действии дуговых разрядов / Т.В. Миронова, Б.А. Ляшенко, С.А. Бобырь и др. // «Радиационная физика твердого тела»: сб. трудов XVIII междунар. совещ. - М.: МОН РФ, 2008. - С.85 - 92.

  12. Миронова, Т.В. Взаимодействие металлов с легкими элементами и инертными газами при действии искровых разрядов / Т.В.Миронова, В.Ф. Мазанко, Д.С. Герцрикен и др. // «Радиационная физика твердого тела»: сб. трудов XVIII междунар. совещ. - М.: МОН РФ, 2008. - С. 93 - 99.

  13. Миронова, Т.В. Влияние границ раздела на миграцию атомов в импульсно деформируемых металлах / Т.В.Миронова, В.Ф. Мазанко, Д.С. Герцрикен и др. // «Современные проблемы физики металлов»: сб. тез. междунар. конф. / ИМФ НАНУ. - Киев, Украина, 2008. – С. 144.

  14. Миронова, Т.В. Особенности взаимодействия атомов углерода с железом при многократном электрогидроимпульсном нагружении / Т.В.Миронова, В.Ф. Мазанко, Д.С. Герцрикен и др. // «Перспективные материалы и технологии»: сб. тез. междунар. симпозиума. - Витебск, Беларусь, 2009. - С. 36 - 37.

  15. Миронова, Т.В. Взаимодействие меди с углеродом при высокоинтенсивных воздействиях / Т.В.Миронова, А.М. Штеренберг, В.Ф. Мазанко и др. // «Физика прочности и пластичности материалов»: сб. тез. XVII междунар. конф. - Самара, 2009. - С.7.

  16. Миронова, Т.В. Взаимодействие железа с газами воздуха под действием искровых разрядов / Т.В.Миронова, Д.С. Герцрикен, В.Ф. Мазанко и др. // «Взаимодействие излучений с твёрдым телом»: сб. материалов 8-ой междунар. конф. - Минск, Беларусь, 2009. – С. 24-26.

  17. Миронова, Т.В. Взаимодействие меди с газами воздуха под действием искровых разрядов / Т.В.Миронова, Д.С. Герцрикен, В.Ф. Мазанко и др. // «Взаимодействие излучений с твёрдым телом»: сб. материалов 8-ой междунар. конф. - Минск, Беларусь, 2009. – С. 27-29.



Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.01 Ф ГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

(протокол № 6 от 14 октября 2011 г.)


Заказ № 353 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе.

ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной печати

443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244



Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru