Особенности взаимодействия Fe, Ni, Ti, Cu С атомами внедрения C, N, O при импульсных воздействиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Особенности взаимодействия Fe, Ni, Ti, Cu С атомами внедрения C, N, O при импульсных воздействиях

Миронова Татьяна Васильевна

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)

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 см 2/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 рраспределение 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 СН 4 (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, фИ = 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.

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 б-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 0єС, 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.



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, см 2/с; Q, ккал/моль; DТ,К, см 2/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 (Д Ф~ 400є) 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. сварка импульсный химический термический

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 н - число межузлий, приходящихся на узловой атом (н = 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 н0, где н0 - 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 б-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 см 2/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

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

Размещено на Allbest.ru

...