Особливості формування наноструктури та механічних властивостей в альфа-залізі під час інтенсивної пластичної деформації тертям

Таблиця 3

Зміна структурного стану за товщиною деформованого шару сплаву Fe+1,2 мас.% Ti, обробленого ІПДТ з одночасною дифузією азоту

Порівняння електронних мікроструктур нелегованого заліза (рис. 4 в, г) і залізо-титанового сплаву (рис. 12 а, б) після ІПДТ з одночасною дифузією азоту показує, що титан, підвищуючи розчинність азоту в кристалічній решітці -фази, підсилює вплив азоту на процес диспергування в ще більший мірі, зменшуючи остаточно стабілізований розмір зерна в порівнянні з нелегованим залізом. Як і при терті заліза, додатковий інтенсифікуючий вплив на процес диспергування зеренної структури поверхневого шару надає активне азотовміщуюче газове середовище, що виражається як в збільшенні товщини диспергованого шару, так і в ступені подрібнення в порівнянні з нейтральним середовищем (аргон).

Встановлено, що в бінарній системі Fe-Ti легуючий елемент не робить іс-тотного впливу на величину межі подрібнення зерен, в порівнянні з нелегованим залізом, при ІПДТ в аргоні (рис. 3 г, д; 12 в, г). Слід зазначити важливу роль титана в сплавах заліза при ІПДТ з одночасним насиченням азотом: легування заліза титаном призводить до істотних структурних перетворень і грає важливу роль для інтенсифікації диспергування зеренної структури. По-перше, підвищуючи реакційну здатність і дифузійну сприйнятливість -фази, титан збільшує розчинність в ній азоту до високих концентрацій, викликаючи різке збільшення щільності точкових дефектів, і, тим самим, сприяє сильнішій фрагментації зеренної структури. По-друге, добавка титана дає можливість змінити фазовий склад сплаву в процесі ІПДТ в аміаку. Виділення дисперсних частинок ?-фази на дислокаціях, малокутових і висококутових границях гальмують перерозподіл дислокацій і міграцію границь, перешкоджаючи процесам повернення, затримують зародження і зростання центрів рекристалізації і тим самим сприяють формуванню більш дрібнозернистої структури. Змінюючи концентрацію титана в -твердому розчині, можна в широких межах регулювати його структурний стан, що формується при ІПД тертям з одночасною дифузією азоту. Встановлено, що стабільність структури залізо-титанових сплавів в процесі тривалого старіння при кімнатній температурі залежить від вмісту титана, і збільшується при його збільшенні в сплаві.

П'ятий розділ присвячений вивченню особливостей дифузії азоту в зоні тертя заліза і залізо-титанових сплавів. Зміна структурного стану поверхневого шару в процесі ІПДТ - формування шару нано-, субмікро- і мікрокристалічної структури значної товщини (до 100...200 мкм), грає важливу роль в активізації дифузійної сприйнятливості і реакційній здатності матеріалу. Досліджена швидкість росту дифузійного шару на армко-залізі і залізо-титановому сплаві після ІПДТ в аміаку з витримками 0,5-3 години при температурі 773 К (500С). В результаті математичної обробки методом найменших квадратів експериментальних кінетичних кривих росту шару (рис. 13) одержані вирази закону росту товщини дифузійного шару h за час ф в зоні тертя: для заліза і для залізо-титанового сплаву , в яких показник ступеня «n» відрізняється від показника ступеня «2» для чисто дифузійного процесу. Розрахункові дані знаходяться в хорошій відповідності з експериментальними результатами по кінетиці росту дифузійних шарів в зоні тертя (рис. 13).

Відхилення від параболічного закону росту дифузійного шару (3 на рис. 13) викликане впливом пластичної деформації при насиченні азотом в процесі тертя. Кінетичні особливості насичення азотом при ІПД тертям підтверджуються мікроструктурними дослідженнями, в яких спостерігається значне подрібнення зерен (рис. 2, 4, 5, 11) поверхневого шару і збільшення протяжності границь зерен. Відомо, що насичення азотом в умовах нагріву без деформації не призводить до зміни розмірів зерен, структура залишається крупнокристалічною. Структура зони ІПДТ відрізняється не тільки малими розмірами кристалітів, але і нерівноважними границями зерен, що грають важливу роль в активізації дифузії. При подрібненні в активному газовому середовищі, окрім збільшення питомої поверхні і концентрації границь зерен, має місце утворення нерівноважних дефектів, які істотно впливають на реакційну здатність і дифузійну сприйнятливість, збільшуючи її. Збільшення сумарної щільності дислокацій на 4-5 порядків за рахунок ІПД, їх рух і перерозподіл істотно прискорює процес формування дифузійних шарів. Зменшення розміру зерна збільшує концентрацію границь, уподовж яких коефіцієнт дифузії значно більше, ніж в об'ємі. Розрахунок показав, що в наноструктурній ділянці зони тертя ефективний коефіцієнт дифузії азоту в залізі і залізо-титановому сплаві на 2,5-3,5 порядки перевершує значення коефіцієнта об'ємної дифузії, в субмікроструктурній ділянці ця відмінність сягає 1-2,5 порядки, а в мікрокристалічній ділянці з зернами розміром 1-5 мкм - 10 разів.

На підставі експериментальних даних і теоретичних розрахунків показано, що ІПД тертям заліза і залізо-титанових сплавів стимулює дифузію азоту, скорочуючи час формування дифузійного шару приблизно в 10-30 разів в порівнянні з насиченням без деформації. Це добре узгоджується з сучасними уявленнями, згід-но яких дифузійні процеси в наноструктурних системах протікають з більш великими швидкостями, чим в звичайних мікросистемах.

Шостий розділ присвячено вивченню впливу нано- і субмікроструктурного стану сплавів заліза, одержаних ІПД тертям в газових середовищах, на механічну поведінку і комплекс механічних характеристик. При наноіндентуванні встановлено, що після ІПДТ заліза в аргоні і аміаку модуль Юнга Е -Fe і -Fe[N]- твердого розчину зменшується в порівнянні з його значенням для крупнокристалічного стану при зменшенні зерен до розмірів менше 30 нм (рис. 14 а). Зниження модуля пружності викликано тим, що зменшення розмірів зерен призводить до збільшення об'ємної частки вільного простору (в границях зерен, в приграничних областях, в потрійних стиках), або «зіпсованого» матеріалу із спотвореною кристалічною решіткою, де атоми розташовані із зсувом з рівноважних положень, характерних для ідеального кристала. Залежність твердості від розміру зерна Hh(d-0,5) заліза носить складний характер (рис. 14 б): із зменшенням розміру зерна від 50-80 мкм в крупнозернистій основі до мікрокристалічних і субмікронних розмірів твердість монотонно збільшується від 3 до 5,8 ГПа; при зменшенні зерен від 200 нм до 50 нм твердість майже не змінюється, залишаючись високою і на залежності Hh(d-0,5) спостерігається відхилення від співвідношення Холла-Петча, а зменшення розмірів зерен від 50 до 20 нм викликає зниження твердості від 5,8 до 3,7 ГПа.

Насичення азотом під час ІПДТ збільшує твердість в мікро- та субмікроструктурних ділянках шару у порівнянні з ІПДТ в аргоні. В цих ділянках працює дислокаційний механізм деформації. Високий вміст азоту в Fe[N]-твердому розчині практично не впливає на механічні властивості нанокристалічного заліза, тому що деформація контролюється механізмом зернограничного проковзування. Вплив азоту (за відсутності другої фази) виражається в збільшенні товщини шару наноструктури з підвищеними значеннями характеристики пластичності. Результати, представлені на рис. 14, показують, що поява вторинних виділень ?-фази в наноструктурному -Fe[N]-твердому розчині після природного старіння, а також оксидів при ІПДТ на повітрі, змінює характер впливу геометричного чинника на протилежний, збільшуючи твердість і модуль Юнга (рис. 14 а, б), не дивлячись на наноструктурний стан. В цілому розподіл значень характеристики пластичності A відображає характер розподілу твердості. Зменшення твердості при одночасному зменшенні модуля Юнга дозволяє зберегти високі значення характеристики пластичності A = 0,87 при зменшенні зерен до розмірів менше 50 нм в наноструктурному залізі, одержаному ІПД тертям (рис. 14 в). Наноструктурне залізо, одержане ІПДТ в аргоні і в аміаку, демонструє підвищені значення характеристики пластич-ності A в порівнянні з параметром A після ІПДТ на повітрі і ІПДТ в аміаку з подальшим старінням, коли є виділення другої фази (рис. 14 в).

На відміну від ГЦК металів, в яких відхилення механічної поведінки від закону Холла-Петча спостерігається при зменшенні зерен до розмірів 20 нм, в ОЦК залізі після ІПДТ аналогічний ефект виявляється при більш великих розмірах зерен - 200 нм (рис. 14, 15). Зменшення зерен ОЦК заліза при терті до розмірів менше 50 нм призводить до зменшення твердості, тоді як для ГЦК металів критичний розмір зерна складає 20 нм.

За існуючими уявленнями відхилення від закону Холла-Петча прийнято пов'язувати із зміною механізму деформації. Для ОЦК металів коефіцієнт ky в рівнянні Холла-Петча значно вищий в порівнянні з ГЦК металами і при різкому підвищенні міцності із зменшенням розміру зерен передача ковзання від зерна до зерна вимагає великих напружень. Тому вже при розмірі зерен ~ 200 нм (проти 20 нм для ГЦК металів) виявляється енергетично вигідним підключення до дислокаційного механізму деформації механізму зернограничного проковзування (ЗГП), який починає грати визначальну роль при d 50 нм. По різниці між значеннями твердості, які відповідають співвідношенню Холла-Петча і експериментальними значеннями в нано- і субмікроструктурній ділянці шару (20 d 200 нм) для даного інтервалу розмірів зерен визначений виграш в напруженні течії ?s (при Н ? 3s за Тейбором) при зміні механізму деформації (рис. 16), який показує, на скільки полегшується процес деформації за участю ЗГП в порівнянні з передачею ковзання від зерна до зерна через границю по дислокаційному механізму Холла-Петча.

При зменшенні розмірів зерен до 50 нм виграш в напруженні течії ?s складає 85 кГ/мм2, а для d=20 нм ?s складає 258 кГ/мм2 (рис. 16). Ці дані показують, що в ділянці шару з розмірами зерен 50 < d < 200 нм деформація відбувається за участю змішаного механізму - до дислокаційного механізму підключається механізм ЗГП. При зменшенні зерен до розмірів менше 50 нм, коли спостерігається зменшення границі текучості, а не ії зростання, визначальна роль належить механізму ЗГП - зсувні моди деформації пригнічуються, ротаційні моди деформації активізуються. При цьому деформація реалізується за рахунок повороту нанозерен, який викликаний високим рівнем напружень в потрійних стиках нанозерен.

Зниження твердості та підвищення пластичності, які виявлено в наноструктурному армко-залізі після ІПДТ, викликані полегшенням процесів пластичної деформації у зв'язку із збільшенням об'ємної частки границь зерен і потрійних стиків, їх нерівноважним станом при зменшенні розмірів зерен менше 50 нм. Зменшення розміру зерна менше критичного викликає зміну дислокаційного механізму деформації на механізм зернограничного проковзування (ЗГП) з активізацією ротаційних мод деформації. У наноструктурному ОЦК залізі з розмірами зерен менше 50 нм пластичність зростає, тоді як в ГЦК металах формування наноструктури з розміром зерен до 20 нм викликає зниження пластичності. В ОЦК металах характеристику пластичності A можна підвищити. Характерно, що описані зміни механічних характеристик заліза в зоні впливу ІПДТ вдалося зареєструвати лише при використанні техніки наноіндентування із визначенням характеристики пластичності. Після ІПДТ в аргоні залізо-титанових сплавів при зменшенні зерен до розмірів менше 30 нм значення модуля Юнга зменшуються в порівнянні з крупнокристалічною основою приблизно на 5 % і це зниження дещо менше, ніж після тертя заліза (рис. 17 а).

Твердість Hh градієнтних мікрокристалічної, субмикро- і наноструктурної ділянок поверхневого шару збільшується і приблизно відповідає концепції Холла-Петча. Подрібнення зеренної структури до розмірів менше 50 нм викликає зменшення твердості, яка складає 6,8 ГПа при зменшенні зерен до 20 нм. Зменшення твердості при зменшенні зерен до розмірів менше 50 нм викликає підвищення характеристики пластичності. При цьому при однаковому розмірі нанозерен легування заліза титаном ослабляє вплив розмірів зеренної структури на твердість, пластичність і модуль Юнга, абсолютні значення твердості в залізі з титаном підвищуються, а пластичність знижується. Утворення сегрегацій атомів легуючого елемента по границях зерен удосконалює межкристалічні області, викликає підвищення енергії (міцності) межзеренного зчеплення, блокує дислокації і перешкоджає зернограничному проковзуванню.

Після ІПДТ з одночасним насиченням азотом механічна поведінка сплаву Fe+0,7 мас.% Ti (в однофазному стані) (рис. 17), подрібненого до наноструктурного стану з розмірами зерен менше 50 нм, приблизно така ж сама, як і для армко-заліза (рис. 14) після ІПДТ в аргоні і аміаку. Не дивлячись на сильне подрібнення зеренной структури сплавів із вмістом титана 1,2 і 1,6 мас.%, коли значно збільшується об'єм межзеренного простору, зниження характеристик міцності (Hh і Е) не відбувається (рис. 17 а, б) завдяки наявності виділень нітридів заліза, легованих титаном. Виділення -фази, розташовуючись переважно по границям зерен, утрудняють зернограничне проковзування (ЗГП), прийняте в даний час для пояснення особливостей деформації наноструктур.

Встановлено, що тривале старіння при кімнатній температурі залізо-титанових сплавів із вмістом титана 1,2 і 1,6 мас.% (рис. 17) не викликає таких явних, як в армко-залізі (рис. 14) і сплаві з 0,7 мас.% титана, змін механічних характеристик наноструктурного поверхневого шару. Їх механічні характеристики, як і структура, змінюються мало, що показує високу стабільність в процесі тривалого старіння. Високоміцний стан залізо-титанових сплавів визначається їх структурним станом після ІПДТ з одночасною дифузією азоту: високою щільністю дефектів кристалічної будови, дисперсністю зеренної структури, більш високим вмістом азоту, наявністю виділень нанорозмірних частинок ?-фази. Враховуючи розміри ділянок структурних змін, одержаних на сплавах заліза в процесі ІПД тертям, був використаний метод побудови кривих деформації «у-» в умовах індентування за методикою Ю.В. Мільмана, оскільки інші стандартні методи випробувань не можуть бути застосовні для визначення значень межі пропорційності e і текучості s модифікованих ІПДТ сплавів заліза (рис. 18, табл. 5).

Таблиця 5

Значення границі пропорційності e, і границі текучості s залізо-титанових сплавів після ІПД тертям

Встановлено, що в залізі і залізо-титанових сплавах після ІПД тертям в газових середовищах за рахунок зменшення розмірів зерен відбувається триразове підвищення границі пропорційності e і границі текучості s. Із збільшенням вмісту титана характеристики e і s досліджених шарів збільшуються. Показано, що величина вказаних параметрів визначається фазовим складом модифікованого шару і залежить від розміру зерен структури.

ВИСНОВКИ

У дисертації розроблена наукова концепція диспергування зеренної структури сплавів на основі -заліза від мікро- до нанорозмірів в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в газових середовищах та отримані принципово нові наукові результати про вплив наноструктурного стану на механічні властивості ОЦК-металів. Наукова концепція диспергування зеренної структури сплавів заліза полягає в необхідності одночасного виконання наступних умов: реалізації різноспрямованої деформації (зокрема, стиск зі зсувом); проведення процесу обробки у області температур динамічної рекристалізації; досягнення високого ступеня дійсної деформації 10 і високої швидкості деформації (Э 102 с -1). Управління масштабом зеренної структури від мікро- до нанорозмірів досягається за рахунок варіювання швидкості деформації при зміні ступеня дійсної деформації в інтервалі від 2 до 10. Додатковими чинниками регулювання масштабу зеренної структури є варіювання хімічним складом шляхом насичення домішковими атомами впровадження (переважно азотом) без зміни фазового складу, і/або з виділенням нанорозмірних частинок другої фази. Такими вторинними виділеннями можуть бути оксиди - при обробці на повітрі, або нітриди (наприклад, -фаза) при обробці в аміаку і подальшому старінні (відпалі). Розроблена концепція диспергування зеренної структури сплавів заліза дозволяє подрібнювати структуру поверхневого шару сталей до нанорозмірного рівня в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в газових середовищах при температурі динамічної рекристалізації.

Отримані експериментальні результати і розвинена наукова концепція мають загальний характер для сплавів на основі заліза, вносять значний вклад до розвитку наукових уявлень про структурні перетворення в процесі ІПД, а також ІПД в поєднанні з дифузією атомів з газового середовища, що викликають подрібнення зерен до субмікро- і нанорозмірів та істотно змінюють комплекс механічних характеристик і можуть служити теоретичною основою для створення наноструктурного стану з підвищеним рівнем механічних властивостей для поліпшення експлуатаційних характеристик традиційних конструкційних матеріалів. Отримані результати так само є важливими для адекватного прогнозування механічної поведінки матеріалів в реальних умовах експлуатації (наприклад при терті) і технологічних операцій (при механічній, термічній, хіміко-термічній обробці), при яких відбувається подрібнення структури до нано- і субмікророзміров.

1. Розроблено і науково обґрунтовано новий підхід до створення способу термомеханічній та термомеханікохімічній обробки для ефективного подрібнення зеренної структури сплавів заліза до нанорозмірів при високоенергетичних механічних діях на матеріал інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в газових середовищах, що на відміну від існуючих способів поверхневої ІПД забезпечує формування широких областей диспергованої структури деформаційно-дифузійного походження. ІПДТ, як різновид деформаційного впливу при створенні наноструктурних матеріалів в поєднанні з газовою атмосферою, може бути ефективним способом управління структурою і властивостями металевих матеріалів.

2. На підставі результатів структурних досліджень встановлено, що короткочасна поверхнева ІПДТ в аргоні при температурі 773 К (500С) викликає подрібнення зеренной структури заліза від мікро- до субмікро- і наноструктурного стану. За структурними ознаками деформації проведено оцінний розрахунок ступеня пластичної деформації в зоні впливу тертя, встановлено її зміна за товщиною шару від = 0,2 на межі з недеформованою основою до =13,5 на поверхні зразка. Внаслідок градієнта ступеня і швидкості деформації за товщиною поверхневого шару від максимальних на поверхні до нуля в недеформованій основі його структура має градієнтну будову - від 20 нм на поверхні до 5-10 мкм в ділянках, прилеглих до недеформованої основи в зоні слабкої дії сил тертя.

3. Під час ІПДТ в умовах градієнта ступеня і швидкості деформації встановлена зміна механізму диспергування зеренної структури. Диспергування структури заліза в умовах тертя в нейтральному газовому середовищі відбувається шляхом фрагментації зерен, яка в прилеглих до поверхні ділянках шару, де ступінь і швидкість деформації найбільші, супроводжується динамічною рекристалізацією, про що свідчить формування рівновісної зеренної структури. На більшому віддаленні від поверхні ступінь і швидкість деформації зменшуються, отже, зменшується щільність дислокацій і термодинамічний стимул динамічної рекристалізації, в результаті відбувається зміна механізму формування структури. Структура цієї частини шару (витягнуті фрагменти зерен) формується в процесі фрагментації з динамічним поверненням, що йде паралельно.

4. Вперше встановлено взаємний інтенсифікуючий вплив процесів деформаційного диспергування зеренної структури від мікро- до субмікро- та нанорівня і дифузії атомів азоту в залізі в умовах динамічної рекристалізації, що призводить до значного підвищення дифузійної активності і розчинності азоту, збільшення товщини подрібненого градієнтного шару і зменшення межі деформаційного диспергування (мінімального розміру зерна).

- Виявлено, що в умовах істотного подрібнення зеренної структури ІПДТ від мікро- до субмікро- і нанорівня, і, як наслідок, значного збільшення об'єму межзеренного простору, а також щільності дислокацій, дифузійна рухливість атомів азоту прискорюється приблизно на порядок (від 10 до 30 разів) при цьому, розчинність азоту в залізі збільшується на 2 порядки в порівнянні з гранично досяжній в умовах насичення крупнокристалічного заліза без деформації. Легування заліза титаном (до 1,6 мас. %) підвищує реакційну здатність і дифузійну сприйнят-ливість -фази, збільшує розчинність азоту до 0,9 мас.%, що дорівнює його вмісту у крупнокристалічному азотистому -твердому розчині при температурі насичення 823 K (550С), та викликає виділення нанорозмірних частинок нітридів з пересиченого твердого розчину. Розчинність азоту до високих концентрацій в процесі ІПДТ викликає додаткове збільшення щільності недосконалостей кристалічної структури і, тим самим, сприяє сильнішому диспергуванню зеренної структури і зменшенню межі деформаційного диспергування в сплавах заліза.

- Встановлено, що поєднання ІПДТ з дифузією азоту в умовах динамічної рекристалізації приводить до збільшення товщини диспергованого шару заліза в 3,5 рази і в 2-3 рази в залізо-титанових сплавів за рахунок гальмування релаксаційних процесів розчиненими домішковими атомами азоту і нанорозмірними частинками нітридів. В умовах зменшення рухливості дислокацій із збільшенням кількості дислокаційних стопорів у вигляді сегрегацій домішкових атомів і частинок другої фази, що утрудняють міграцію границь і субграниць, розмір остаточно стабілізованого зерна зменшується з 20 нм до 8-10 нм.

5. Встановлено, що ступінь впливу дифузійного потоку виявляється тим більше, чим вище розчинність дифундуючого елементу в матеріалі основи: дифузія азоту в шар заліза, що деформується, чинить на процес його диспергування сильніший вплив в порівнянні з киснем. Показано, що в порівнянні з тертям в аргоні, ІПДТ заліза на повітрі викликає збільшення в 1,5 рази товщини градієнтного шару з нано-, субмікро- і мікророзмірними зернами і зменшення мінімального розміру зерен до 17 нм, тоді як після ІПДТ з одночасною дифузією азоту товщина шару збільшується в 3,5 рази, а мінімальний розмір зерна складає 10 нм.

6. Розрахунки показали, що ефективний коефіцієнт дифузії Dеф азоту в наноструктурному залізі на 2,5-3,5 порядки перевершує значення коефіцієнта об'ємної дифузії Dоб, і наближається до коефіцієнту зернограничної дифузії; у субмікроструктурній ділянці градієнтного шару Dеф Dоб на 1-2,5 порядки. Отримано математичні співвідношення, які описують швидкість росту насиченого азотом шару та вплив пластичної деформації тертям на прискорення дифузії азоту в сплавах заліза.

7. Вперше вивчено вплив наноструктурного стану ОЦК заліза, сформованого ІПДТ в аргоні, при розмірі зерен d 50 нм на комплекс механічних характеристик (твердість, пластичність, модуль пружності).

- Зменшення зерен від крупнокристалічних до мікрокристалічних і субмікронних розмірів (~ 200 нм) викликає збільшення твердості (до 5,8 ГПа), яке задовільно описується співвідношенням Холла-Петча для твердості. Підвищення твердості супроводжується зниженням значень характеристики пластичності до А=0,82, значення модуля Юнга Е=210 ГПа відповідають крупнокристалічному стану. При зменшенні розмірів зерен від 200 до 50 нм спостерігається відхилення від співвідношення Холла-Петча - значення твердості стабілізуються, залишаючись високими. Зменшення розмірів нанозерен ОЦК заліза від 50 до 20 нм викликає зниження твердості до 3,7 ГПа і збільшення параметра пластичності А від 0,82 до 0,87, тоді як в ГЦК металах, механічна поведінка яких добре вивчено, формування наноструктури з розмірами зерен до 20 нм приводить тільки до підвищення твердості та зниження пластичності і тільки при d < 20 нм спостерігається зниження твердості.. Ці відмінності можуть бути обумовлені більш високим коефіцієнтом ky в рівнянні Холла-Петча для ОЦК металів в порівнянні з ГЦК металами і це є причиною того, що вже при розмірах зерен близько 200 нм (проти 20 нм для ГЦК металів) енергетично вигідно підключення до дислокаційного механізму деформації механізму зернограничного проковзування (ЗГП), який стає визначальнім при зменшенні зерен до розмірів менше 50 нм. Таким чином, формування нанозерен в залізі з розміром d < 50 нм і підвищення за цей рахунок пластичності є цілком досяжним, як показано в цій роботі.

- При зменшенні зерен до розмірів менше 30 нм зареєстровано зниження модуля Юнга на 10 % в порівнянні з крупнокристалічним станом (176±9 проти 210±10 ГПа). Ефект зниження модуля пружності викликаний тим, що зменшення розмірів зерен призводить до збільшення частки вільного об'єму в границях зерен, в приграничних областях, в потрійних стиках і супроводжується ослабленням атомних зв'язків.

- Встановлено, що при однаковому розмірі нанозерен легування заліза титаном до 1,6 мас.% ослабляє вплив масштабу структури на твердість, пластичність і модуль Юнга, при цьому абсолютні значення твердості в залізо-титанових сплавах підвищуються, а пластичність знижується. Утворення сегрегацій атомів легуючого елементу на границях зерен стабілізує межкристалітні області, викликає підвищення міцності межзеренного зчеплення, і перешкоджає зернограничному проковзуванню.

8. Розчинений азот збільшує твердість в мікро- та субмікроструктурних ділянках, де працює дислокаційний механізм деформації. Вперше встановлено, що високий вміст азоту в твердому розчині практично не впливає на механічні властивості (твердість, характеристику пластичності, модуль Юнга) нанокристалічного заліза при d < 50 нм, де деформація контролюється механізмом зернограничного проковзування.

Вплив азоту (за відсутності другої фази) виражається в збільшенні товщини шару наноструктури з підвищеними значеннями характеристики пластичності. Проте, виділення при старінні нанокристалічного заліза з високою концентрацією азоту дисперсних частинок ?-фази (Fe4N) змінює механічні властивості. У ділянці шару з розміром зерен 20 нм твердість підвищується від 3,7 до 6 ГПа, характеристика пластичності А знижується від 0,87до 0,78, і модуль Юнга підвищується на 10%, наближаючись до значень, характерних для крупнокристалічного стану.

9. При ІПДТ на повітрі значення модуля пружності для наноструктурного заліза не змінюються в порівнянні з крупнокристалічним станом, твердість підвищується до 7,8 ГПа, а характеристика пластичності А зменшується до 0,78, що пов'язано з виділенням нанодисперсних частинок оксидних фаз.

10. Встановлені закономірності формування структури і механічних властивостей сплавів заліза дозволяють, змінюючи вихідний хімічний склад матеріалу, газового середовища, і умови обробки, формувати структурні стани з різним рівнем дисперсності зеренної структури і регульованими механічними властивостями (твердістю і пластичністю).

Отримані результати мають значення для управління дисперсністю структури і рівнем механічних властивостей поверхневих подрібнених та модифікованих шарів сплавів заліза в процесі ІПДТ, а також дають можливість прогнозувати механічну поведінку матеріалів в реальних умовах експлуатації і технологічних операцій (при терті, механічній, термічній, хіміко-термічній обробці).

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Юркова О.І. Диспергування заліза, легованого титаном, в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям з одночасною дифузією азоту // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2006. - № 4. - с. 130-136.

2. Юркова О.І. Структурні зміни в залізі під впливом інтенсивної пластичної деформації тертям з одночасною дифузією азоту // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2006. - № 3. - с. 83-90.

3. Юркова A.И., Белоцкий А.В., Бякова A.В. Исследование механизма диспергирования железа при интенсивной пластической деформации трением // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2006. - т. 4, вип. 2. - С. 483-500.

4.Юркова. A.И., Белоцкий А.В., Бякова A.В., Мильман Ю.В. Механизм диспергирования железа при интенсивной пластической деформации трением с одновременной диффузией азота // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2007. - Т. 5, вип. 2. - с. 555-578.

5.Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A., Milman Yu., Dub S. Ultra fine grained iron that is fabricated by severe plastic deformation stimulated by diffusion flow of dopant element: structural features and mechanical behaviour // Металлофизика и новейшие технологи. - 2006. - т.28 , № 10. - с.1397-1420.

6. Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A. Mechanical Behaviour of Nanostructured Iron Fabricated by Severe Plastic Deformation under Diffusion Flow of Nitrogen. // Materials Science Forum. - 2006. - vols. 503-504. - р. 645-650.

7. Юркова A.И., Белоцкий А.В., Мильман Ю.В., Бякова A.В. Формирование наноструктуры на поверхности железа при трении // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2004. - т.2, вып.2. - с.633-644.

8. Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A. Anomalous Nitrogen Solubility in Gradient Nanostructured Layer Formed in the Surface of Bulk Iron by Severe Plastic Deformation under Friction. «Nanostructured Materials by High-Pressure Severe Plastic Deformation» - In Book NATO Science Series. ІІ. Mathematics, Physics and Chemistry. Netherlands: Springer. -2005. - Vol. 212. - p.107-112.

9. Юркова О.І., Білоцький О.В., Бякова О.В. Визначення механічних характеристик азотованих шарів на сплавах заліза методом локального навантаження жорстким пірамідальним індентором // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2005. - № 5. - с. 76-80.

10. Юркова О.І., Бякова О.В., Білоцький О.В., Дуб С.М. Механічна поведінка наноструктурного заліза, отриманого інтенсивною пластичною деформацією тертям в газових середовищах // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2005. - № 6. - с. 76-81.

11. Юркова О.І., Бякова О.В., Білоцький О.В., Дуб С.М. Вплив розміру зерна на модуль Юнга заліза, отриманого інтенсивною пластичною деформацією тертям в газових середовищах // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2006. - № 1. - с.73-78.

12. Юркова О.І., Білоцький О.В. Структура дифузійних шарів, утворених на сталі Ст3 при терті у газових середовищах // Металознавство та обробка металів. - 2004. - № 3. - с. 32-37.

13. Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A., Podrezov Yu., Danylenko M. Nanocrystallization in Iron Alloys Induced by Friction Treatment and Nitrogen Diffusion. In Book «Metallic Materials with High Structural Efficiency». - Netherlands: Kluver Academic Publishers, 2004. - P.113-118.

14. Белоцкий А.В., Юркова A.И. Взаимодействие азота с легированным железом при трении в среде аммиака // Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. -Т.23, № 4. - С.551-557.

15. Белоцкий А.В., Юркова A.И. Диффузия азота в сплавах железа при нагреве трением // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. - т. 24, № 7. - с.927-933.

16. Bilots'ky O.V., Yurkova A.I., Pavlovs'ka A.M. Phase Transformation after Nіtriding of Sintering Powder Fe Alloyed by V and Ti. // Met. Phys. Adv.Tech. - 2001. - Vol. 19. - p.375-379.

17. Белоцкий А.В., Юркова A.И. Особенности образования и распада высокоазотистого аустенита при регулируемых скоростях нагрева и охлаждения // Металлофизика и новейшие технологии. -1996. -Т.18, № 1. - c.27-32.

18. Белоцкий А.В., Юркова А.И., Мохорт В.А. Электроннооптический анализ структуры диффузионных слоев сплавов на основе железа, обработанных трением в аммиачной среде // Металлофизика. - 1990. - Т 12, №.6. - с.83-86.

19. Bilots'ky O.V., Yurkova A.I., Pavlovs'ka A.M. Phase Transformations Reorganization After Nitriding of Sintering Powder Iron Alloed by Vanadium and Titanium // Metallofiz., Noveishie Tekhnol. - 1999. - Vol.21, № 2. - р.104-106.

20. Белоцкий А.В., Юркова A.И. Фрикционное азотирование сплавов железа // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1991. - № 1. - с.10-12.

21. Белоцкий А.В., Юркова А.И. Использование энергии трения при азотировании сплавов железа // Физика и химия обработки материалов. - 1989. - № 1. - c.87-91.

22.Bilots'ky O.V., Yurkova A.I. The Formation and Decomposition of High-Nitrogen Austenit at Controlled Heating and Cooling Rates // Met. Phys. Adv.Tech. - 1996. - Vol. 16. - p.43-49.

23. Білоцький О.В., Юркова О.І., Кузьменко Г.А., Павловська А.М. Вплив марганцю на азотування пористих залізних сплавів // Металознавство та обробка металів. - 1998. - № 4. - с. 36-40.

24. Способ обработки стальных изделий: А.с. 1540319. СССР. МКИ С21D 1/34; С21D 1/78; С23С 11/00 / А.В. Белоцкий, А.И. Юркова. - № 4361629/02. Опубл. 28.02.1990. Бюл. №. 4. - 5 с.

У публікаціях, що виконані у співавторстві, дисертантові належить наступне:

об'єкти дослідження, формулювання мети і задач дослідження, визначення умов проведення експериментів, обробка, опис, аналіз та узагальнення експеримент-тальних результатів, формулювання висновків, написання статей; в [3, 4, 7, 12, 17, 18, 21] - ідея досліджень, первинна інформація про зміни структури заліза в зоні ІПД тертям, характеристика особливостей перебігу окремих етапів деформації; в [5, 6, 9-11] - масив експериментальних даних та встановлення закономірностей впливу наноструктурного стану на механічні властивості заліза; в [16] - експериментально одержані та математично опрацьовані кінетичні параметри росту дифузійних шарів на сплавах заліза при ІПД тертям в газових середовищах; в роботах [8, 13, 14, 16, 19, 22, 23] - вивчено вплив легування на перебіг фазових та структурних перетворень при насиченні заліза азотом; в [20, 24] - спроектована установка і запропоновано ефективний метод механіко-термічної активації з метою інтенсифікації подрібнення структури та дифузійної взаємодії елементів.

АНОТАЦІЯ

Юркова О.І. Особливості формування наноструктури та механічних властивостей в -залізі під час інтенсивної пластичної деформації тертям. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена розробці наукової концепції формування в сплавах заліза структур нано- і субмікророзмірного рівня та встановленню ролі розмірних ефектів у формуванні механічних властивостей. Розроблено оригінальний метод ефективного подрібнення зеренної структури сплавів заліза до нанорозміров при поєднанні поверхневої інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) та газових середовищ. Проведено систематичні дослідження змін зеренної і дислокаційної структури армко-заліза і залізо-титанових сплавів під впливом ІПД тертям в газових середовищах і встановлено кількісний взаємозв'язок між ступенем деформації і розмірами зерен, їх зміна під впливом дифузійного насичення азотом в процесі ІПДТ. Експериментально показано, що для формування нанорозмірної (100 нм) зеренної структури заліза в процесі ІПД необхідні високі ступінь ( 10) і швидкість (102 с-1) різноспрямованої деформації при температурі динамічної рекристалізації. Встановлено і теоретично обґрунтовано механізм диспергування зеренної структури сплавів заліза в умовах ІПД тертям при температурі динамічної рекристалізації і його зміна при переході від рівновісних зерен до структури з витягнутими зернами у зв'язку із зменшенням ступеня і швидкості деформації. Виявлено взаємний інтенсифікуючий вплив процесів деформаційного подрібнення зеренної структури заліза від мікро- до нанорівня і дифузії атомів азоту в умовах динамічної рекристалізації, що виражається в значному підвищенні дифузійної активності і розчинності азоту, збільшенні товщини подрібненого градієнтного шару і зменшенні межі деформаційного диспергування (мінімального розміру зерна). Встановлені закономірності впливу структурного стану заліза, сформованого в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям, на механічні властивості. Подрібнення зерен ОЦК заліза до розмірів від 50 до 20 нм викликає збільшення пластичності, тоді як в ГЦК металах формування наноструктури з розмірами зерен до 20 нм призводить тільки до зниження пластичності. Механічні характеристики сплавів заліза в наноструктурному стані принципово змінюються у присутності нанокристалічних частинок другої фази (оксидів або нітридів), які можуть утворюватися у зв'язку з обмеженою розчинністю домішкових елементів (кисню, азоту) або унаслідок розпаду пересиченого твердого розчину при природному старінні сплавів заліза, насичених азотом.

Ключові слова: -залізо, інтенсивна пластична деформація, тертя, диспергування, наноструктура, динамічне повернення, динамічна рекристалізація, азот, дифузія, механічні характеристики.

АННОТАЦИЯ

сплав залізо нанорозмір деформація

Юркова А.И. Особенности формирования наноструктуры и механических свойств в -железе при интенсивной пластической деформации трением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена разработке научной концепции формирования в -железе и его сплавах структур нано- и субмикроразмерного уровня, установлению роли размерных эффектов в формировании механических свойств. Разработан оригинальный способ измельчения зеренной структуры железа до наноразмерной, состоящий в совмещении поверхностной интенсивной пластической деформации трением (ИПДТ) с одновременной диффузией атомов из газовой атмосферы, который может быть эффективным способом управления структурой и свойствами металлических материалов. Проведены систематические исследования изменения зеренной и дислокационной структуры армко-железа и железо-титановых сплавов под влиянием ИПДТ в газовых средах и установлена количественная взаимосвязь между степенью деформации и размерами зерен, их изменение под влиянием диффузионного насыщения азотом в процессе обработки. Показано, что для формирования наноразмерной ( 100 нм) зеренной структуры железа в процессе ИПД необходима одновременное сочетание разнонаправленной (в частности, сжатие со сдвигом) деформации с высокой степенью истинной деформации (е10) и высокой скоростью деформации (102 с-1) при температуре динамической рекристаллизации. Установлен и теоретически обоснован механизм формирования зеренной структуры железа в условиях ИПДТ при температуре динамической рекристаллизации и его изменение при переходе от равноосной зеренной структуры к структуре с вытянутыми зернами в связи с уменьшением степени и скорости деформации. Обнаружено сильное взаимное интенсифицирующее влияние процессов деформационного диспергирования зеренной структуры железа от микро- до наноуровня и диффузии атомов азота в железе, способствующее повышению диффузионной активности и растворимости азота, значительному увеличению толщины измельченного слоя и уменьшению предела деформационного измельчения d* (минимального размера зерна) по сравнению с трением в нейтральной среде (аргон). В единых условиях нагружения методом наноиндентирования установлены закономерности влияния нано- и субмикроструктурного состояния сплавов железа, сформированного в процессе ИПДТ, на механические характеристики. Установлено увеличение пластичности -железа при уменьшении зерен до размеров меньше 50 нм, тогда как в ГЦК металлах формирование наноструктуры с размерами зерен до 20 нм приводит только к повышению твердости и снижению пластичности. Это обусловлено тем, что в отличие от ГЦК металлов, в которых снижение твердости происходит при размере зерен меньше 20 нм, в наноструктурном железе этот эффект наблюдается уже при размерах зерен меньше 50 нм. Разупрочнение вызвано облегчением процессов деформации при уменьшении размера зерна и изменением дислокационного механизма деформации на механизм зернограничного проскальзывания (ЗГП). Экспериментально зарегистрировано уменьшение модуля Юнга при измельчении зерен до размеров меньше 30 нм, вызванное увеличением доли свободного объема (в границах зерен, в приграничных областях, в тройных стыках) и ослаблением атомных связей. Установлено, что при одинаковом размере нанозерен легирование железа титаном до 1,6 мас.% ослабляет влияние масштаба структуры на твердость, пластичность и модуль Юнга, при этом абсолютные значения твердости в железотитановых сплавах повышаются, а пластичность снижается. Растворенный азот увеличивает твердость в микро- и субмикроструктурных участках, в которых работает дислокационный механизм деформации. Установлено, что высокое содержание азота в твердом растворе практически не влияет на механические свойства (твердость, характеристику пластичности, модуль Юнга) нанокристаллического железа при d < dc (d < 50 нм), когда деформация контролируется механизмом зернограничного проскальзывания. Влияние азота (при отсутствии второй фазы) выражается в увеличении толщины слоя диспергированной структуры с повышенными значениями характеристики пластичности. При этом значения модуля Юнга, твердости и пластичности для одинаковых размеров зерен не изменяются, сохраняя значения, характерные для железа после ИПДТ в нейтральной среде. Механические характеристики наноструктурного железа принципиально изменяются (твердость повышается, пластичность уменьшается) в присутствии наночастиц второй фазы (оксидов или нитридов), образующихся в связи с ограниченной растворимостью примесных элементов (кислорода, азота) или вследствие распада пересыщенного твердого раствора при естественном старении сплавов железа, насыщенных азотом.

Установленные закономерности формирования структуры и механических свойств сплавов железа в процессе ИПДТ позволяют, изменяя исходный химический состав материала, газовой среды и условия обработки, формировать структурные состояния с различным уровнем дисперсности зеренной структуры и регулируемыми механическими свойствами (твердостью и пластичностью), а также дают возможность прогнозировать механическое поведение материалов в реальных условиях эксплуатации и технологических операций (при трении, механической, термической, химико-термической обработке), приводящих к измельчению структуры до наноразмеров.

Ключевые слова: -железо, интенсивная пластическая деформация, трение, диспергирование, наноструктура, динамический возврат, динамическая рекристаллизация, азот, диффузия, механические характеристики.

ABSTRACT

Yurkova A.I. Specific features of Nanostructure and Mechanical Properties of -Fe, Resulted from Severe Plastic Deformation by Friction. A Manuscript.

Thesis for doctor's degree by speciality 01.04.07 - Physics of Solid Body. - I.M. Frantsevich Institute for Propblems of Materials Science, NAS of Ukraine, Kyiv, 2008.

The thesis is devoted to the development of scientific conception of formation in б-Fe and it's alloys nano- and submicrostructures under severe plastic deformation by friction (SPDF) in gas atmosphere (argon, air, ammonia). This original new method allows one to refine grain structure down to nanometre scale together with modifying the surface by dopant element. Minimum strain necessary to produce 100 nm sized б-Fe grained structure was estimated to be about 10 with high strain rate (Э102 s-1) in dynamic recrystallization condition. It is concluded that grain refinement process and directional mass transfer of dissolved atomic nitrogen in iron influence by each other, facilitating the evolution of deformation-induced structure and resulting in improvement of nitriding efficiency. That is why SPDF with nitrogen diffusion provides for greatest extension of deformation-induced structure, which demonstrates both the smallest stabilised grain size as well as abnormally high amount of nitrogen in grain interior. Due to the grain refinement the amount of nitrogen was recorded to become higher by 102 times than that typical for conventionally grained -Fe[N] solid solution obtained by nitriding without deformation. Finally stabilised grain size ensured by SPDF under diffusion flow of the dissolving dopant element (nitrogen) is found to be at least smaller by factor two compared to that induced by SPD with argon gas. Scale effect of grain structure on mechanical parameters such as Young's modulus, nanohardness and plasticity characteristic A were detected by using nanoindentation technique. It was shown that Young's modulus of _Fe tends to be smaller when grain size is reduced down to 30 nm. The inversion of Hall-Petch relation was found when grain size of _Fe[N] decreases down to 50 nm. Parameter A increases when grain size of bcc_Fe decreases down to 50 nm whilst it decreases when grain size of fcc_Fe decreases down to 20 nm. These results are important both for the current basic research and for application in engineering practice.

Key words: -iron, severe plastic deformation, friction, refinement, nanostructure, dynamic recovery, dynamic recrystallization, nitrogen, diffusion, mechanical characteristics.

Размещено на Allbest.ru