Вплив деформаційних процесів на структуру та енергетичний стан поверхневого шару металів

Як наслідок цього спостерігається кореляція між величиною залишкових макронапружень і активаційним об`ємом. Зростанню стискуючих напружень відповідає зменшення величини активаційного об`єму. Показано, що контактні напруження з ростом деформації збільшуються, виходячи на плато, що відповідає границі плинності сплаву. Хід кривих дозволяє виявити особливості пружно-пластичної деформації матеріалу в залежності від обробки. На підставі отриманих даних, наприклад, можна рекомендувати віброамплітудне шліфування і полірування для збільшення опору контактним деформаціям.

Таблиця 1 - Деякі характеристики матеріалу приповерхневого шару зразків з сплаву титана ВТ3-1 після різних видів поверхневої обробки.

Примітка: A - віброамплітудне шліфування і полірування, 30 хв.; B - обробка сталевими кульками діаметром 1,9 мм в ультразвуковому полі, 3 хв; C - віброамплітудне зміцнення керамічними гранулами діаметром 1,9 мм.

Розділ 6. Зміни приповерхневої структури металів під впливом електроімпульсної та магнітно-абразивної обробок. У даному розділі дисертації описано результати досліджень впливу потужних імпульсів електричного струму і магнітно-абразивної обробки на механічні властивості поверхневого шару металів. Через зразки пропускався розряд конденсаторної батареї ємністю 200 мкФ. Тривалість розряду складала 50 мкс. Максимальна зареєстрована термопарою температура знаходилася в інтервалі 350520 0К. Після електроімпульсної обробки (ЕІО) зразки випробовувалися на втому, а також досліджувалися з використанням рентгеноструктурного аналізу. Визначалися такі величини: макроскопічні залишкові поверхневі напруження у; мікроскопічні деформації ; розмір блоків мозаїки D. Результати, отримані для сплаву титана ВТ3, наведено в таблиці 2. Із таблиці 2 видно, що електроімпульсна обробка підвищує опір втоми в 1,251,50 разів. Макроскопічні напруження зменшуються по абсолютній величині, а мікронапруження зростають. Структурний стан поверхні після ЕІО стає більш однорідним. У роботі зроблений висновок, що ЕІО є способом “прицільного лікування” дефектів кристалічних ґраток і ефективним новим методом поліпшення міцності втоми сплавів.

Таблиця 2 - Довговічність, залишкові напруження і параметри мікроструктури до і після ЕІО сплаву марки ВТ3-1. t - час попереднього зміцнення (УЗО).

Проходження електричних імпульсів через метал супроводжується відділенням теплової енергії. Оскільки будь-які дефектні області кристалу мають більш високий опір електричному струму, теплова енергія в основному виділяється в цих областях. Ця додаткова енергія сприяє переходу дефектних зон у рівноважний стан. Таким чином, дія імпульсів електричного струму специфічна локалізацією виділення теплової енергії. Автором запропонована і розглянута фізична модель еволюції пари точкових дефектів у зоні локального розігріву кристалу. Загальна енергія системи атомів представлена у вигляді:

, (12)

де VR(rij) - потенціал парної взаємодії атомів і та j, відстань між якими rij; f(ni) - функція “занурення” атома i в електронну підсистему густиною ni. Підсумовування проводиться за всіма парами атомів моделі і по всіма атомами i. Використовувалися рівняння багаточасткового неадитивного потенціалу з числовими значеннями параметрів для кристала нікелю, записані у вигляді полінома для кожної пари взаємодіючих атомів. Рівняння враховує найближче оточення шляхом підсумовування поліноміальних функцій. Розглядалася кінетика взаємодії пари вакансія - міжвузловий атом. Моделювання на ЕОМ теплового імпульсу, створюваного електричним струмом, полягало в додаванні всім атомам, що оточують дану пару точкових дефектів ґратки, швидкостей за розподілом Гауса для трьох випадків миттєвих максимальних температур у термічному піку: 2000, 1500 і 1000 0К. Після виникнення температурного піка кристал релаксував протягом 12 пс. При цьому спостерігалися інтенсивні переміщення атомів поблизу області дефектів. При температурі 1000 0К, наприклад, число атомних переміщень у напрямку, перпендикулярному поверхні, складає 94 % від загального числа переміщень. Встановлено значну роль полів пружних напружень дефектів ґратки при їхній рекомбінації. Показано, що термічний пік навіть із відносно не дуже високою максимальною температурою здатний “заліковувати” області кристала з дефектами типу вакансія - міжвузловий атом.

Виходячи з того, що механічні властивості поверхневого шару визначаються взаємозв'язком параметрів мікрогеометрії і напружено-деформованного стану матеріалу приповерхневого шару, в роботі вирішувалась задача дослідження закономірностей формування залишкових напружень поблизу поверхні при магніто - абразивної обробці. На рівні винаходу в даній роботі вперше встановлено, що магнітно-абразивна обробка металів і сплавів у робочому середовищі, що складається із суміші магнітно - абразивного порошку і феромагнітних тіл, є ефективним новим методом одночасного полірування і підвищення міцності сплавів (приблизно в 1,5 рази).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Вперше систематично виміряні розподіл роботи виходу електрона по поверхні алюмінію і сталей у процесі розтягування з постійною швидкістю. Отримано нові експериментальні підтвердження того, що в пружній області спостерігається зростання РВЕ, а в пластичній відбувається падіння РВЕ. Експериментально встановлено, що зменшення РВЕ визначається ступенем пластичного деформування і з його зростанням зміна РВЕ досягає граничного значення і насичення, після якого настає руйнування. Показано що, залежність РВЕ від ступеня деформації може бути описана аналогічно аналітичній залежності РВЕ від концентрації атомів, що адсорбуються на поверхні. Отримані при цьому значення густини ліній ковзання дислокацій, що вийшли на поверхню, добре узгоджуються з даними електронної мікроскопії.

2. Запропоновано фізичну модель, яка дозволяє кількісно оцінити РВЕ для деформованих металів. Вперше розроблено розрахункову схему, яка враховує наступні поправки до моделі “желе”: дискретність розподілу позитивного заряду; вплив релаксації іонних площин поблизу поверхні кристала на електронний розподіл; вплив діелектричного середовища, що граничить з поверхнею металу. Дані проведених розрахунків задовільно узгоджуються з експериментом.

3. Вперше розроблено модель розрахунку РВЕ для неідеальної поверхні металів в умовах їх пружного і пластичного деформування. Модель побудована на основі уявлень про взаємозв'язок РВЕ і електровідємності атомів з урахуванням формування нанодефектів на поверхні. Обчислення, проведені для алюмінію і міді, показали задовільну збіжність з експериментальними даними.

4. Вивчено залежності РВЕ від розвитку фізичних процесів втоми алюмінію, жароміцних сталей і сплавів на основі титана. Проведені виміри значень РВЕ в осьових напрямках зразків, що зазнавали знакозмінних напружень. Вперше отримано, що на початкових стадіях випробувань РВЕ осцилює поблизу деякого значення, що свідчить про зворотність на цих стадіях процесів накопичення ушкоджень втоми і про зміну процесів зміцнення і релаксації, тобто процесів накопичення і анігіляції дефектів кристалічної структури. На наступній стадії впливу прикладених знакозмінних механічних напружень відбувається незворотне накопичення дефектів, розвиток процесів порушення неперервності кристалічної структури і руйнування. Встановлено, що в результаті структурних змін, які поступово підготовлюють зародження тріщин втоми, РВЕ зменшується. У зоні появи майбутньої тріщини криві розподілу РВЕ по поверхні мають характерний “деформаційний” провал.

5. На основі встановленого фізичного механізму явищ запропоновано кількісну модель кінетики структурних перетворень на поверхні металів у процесі втоми, яка включає рух деформаційних дислокацій по площинах ковзання, вихід дислокацій на поверхню і появу атомних заряджених сходинок, що і є причиною зниження РВЕ. З використанням розробленої моделі і виведених рівнянь виконані кількісні оцінки параметрів структурних та енергетичних змін на поверхні металів.

6. Вивчено вплив проміжної термічної обробки на міцність втоми досліджуваних сталей. Знайдено, що проведення відновлювального відпуску після випробувань, які складають 20 - 30 % середньої довговічності, є перспективним способом, що дозволяє істотно збільшити опір втоми. Вакуумна термообробка приводить до зменшення значень РВЕ на поверхні зразка в середньому на 100...120 мэВ. Відпуск зразків, проведений після механічної обробки (виготовлення), викликає різке збільшення величини РВЕ і істотне зменшення розкиду її значень.

7. Методом дифракційної електронної мікроскопії знайдено, що під дією циклічного навантаження спостерігається фрагментація мартенситних пластин у структурі високолегованих сталей, взаємодія дислокацій, їх часткова анігіляція і утворення субзернистої структури. Більшій втомній міцності сталей відповідає відносно однорідна дрібна субструктура.

8. Експериментально встановлено і доведено, що контактна деформація індентуванням і процес тертя супроводжуються зменшенням РВЕ в зоні відбитка від індентора і на доріжці тертя. Виявлено, що РВЕ чутлива до стану і типу структури поверхневого шару і може використовуватися при вивченні явищ контактної взаємодії металів. Послідовне шліфування металевої поверхні наждаковими шкурками різної зернистості приводить до циклічних змін в енергетичному розподілі РВЕ по поверхні. Для усіх видів шліфувань спостерігається граничне значення РВЕ. Із зменшенням параметра шорсткості РВЕ зростає. Величина градієнта РВЕ по поверхні залежить від ступеня локальної залишкової деформації. З часом енергетичний рельєф релаксує. Виявлено вплив окисного процесу при деформуванні металевих поверхонь; із збільшенням товщини окисних плівок спостерігається ріст РВЕ. Потенційний рельєф поверхні обумовлений нерівномірністю розподілу залишкових напружень в матеріалі, а також товщиною і складом поверхневих плівок.

9. Розроблено новий метод, що полягає у швидкій оцінці відносної зносостійкості металів на основі проведення економічних, екологічно чистих і простих по виконанню випробувань на тертя з наступним виміром розподілу РВЕ вздовж доріжок тертя. Розподіл РВЕ по поверхні безпосередньо пов'язаний з розподілом поверхневої енергії. Вимірювання РВЕ може бути використане для дослідження фізичних закономірностей опору металів тертю і зносу.

10. Встановлено, що електроімпульсна обробка приводить до збільшення довговічності металів при випробуваннях на багатоциклову втому. Вплив обробки імпульсним струмом проявляється у зниженні рівня залишкових макронапружень у приповерхневому шарі, зменшенні блоків мозаїки і росту мікронапружень. Вплив імпульсної обробки на структуру проявляється значної мірою для більш розвинутої дефектної структури.

11. У рамках молекулярно-динамічного моделювання показано, що термічний пік навіть з не дуже високою максимальною температурою (~1000 0К) здатний “заліковувати” області кристала з дефектами типу вакансія - міжвузловий атом. Термічні коливання атомів активують процес рекомбінації дефектів, в той час як направлено-орієнтуючий вплив здійснюється пружним полем, обумовленим дефектами. Імовірність переміщення міжвузлових атомів у напрямку до вакансій при рекомбінації відповідних дефектів у значній мірі визначається пружними полями і тому слабко змінюється з ростом температури. Зменшення кількості дефектів може досягатися короткочасними (~10-12-10-11 с) просторово локальними (порядку нанорозмірних) тепловими впливами (піками) з максимальною миттєвою температурою ~1000 0К і випадковим розподілом напрямків швидкостей атомів у тепловому піку. При цьому навколишні області атомних структур залишаються неушкодженими, тоді як при максимальних миттєвих температурах ~2000 0К спостерігається утворення нових дефектів, особливо поблизу вільної поверхні модельного кристала.

12. Розроблено оригінальні експериментальні установки для випробувань на одновісне розтягування, втому, кінетичне індентування, для випробувань на тертя і знос. Здійснені пристрої, що призначені для зміцнення поверхні металевих тіл з використанням електроімпульсного впливу і магнітно-абразивної обробки. Удосконалено методику виміру КРП, на основі аналізу залежності контактної різниці потенціалів від напруги компенсації з використанням одночасно комп'ютерної обробки результатів вимірів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗДОБУВАЧЕМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Левитин В.В., Лоскутов С.В., Степаненко В.Н. Серпецкий Б.А., Павлюткин Ю.С. Магнитно-абразивная обработка лопаток турбомашин // Сб. научн. трудов. "Новые конструкционные материалы, эффективные методы их получения и обработки, повышения надёжности и долговечности деталей машин и конструкций": Киев: УМК ВО, 1991.- С. 22 - 25.

2. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Погосов В.В. Об измерении работы выхода электронов методом динамического конденсатора // Поверхность. - 1992.- 8. - С. 121 - 123.

3. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Кононов В.В., Степаненко В.Н. Способ магнитно-абразивной обработки деталей А.с. 1815184 СССР, МКИ В24 В31/112.-11.10.1992. - Бюл. № 18, 15.05.93.

4. Levitin V.V., Loskutov S.V., Pravda M.I. Serpetsky B.A. Influence of Cyclic Stresses upon the Electronic Work Function for the Metal Surface. Solid State Communications. - 1994. - 92, № 12. - P. 973 - 976.

5. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Правда М.И. О работе выхода электронов в процессе испытаний на усталость // Физика металлов и металловедение.- 1994.- 78, № 2.- С. 180 - 182.

6. Левітін В.В., Правда М.І., Лоскутов С.В. Прогнозування розвитку втомленості в металевих матеріалах вимірюванням роботи виходу електронів // Металознавство та обробка металiв.-1995.-2.- С. 37 - 40.

7. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Павлюткин Ю.С. Резистометрический способ определения площади фактического контакта // Электрический журнал. - 1995. - № 1.- С. 11 - 18.

8. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Правда М.И., Погосов В.В. Изменение работы выхода электронов под влиянием деформирования металла // Физика металлов и металловедение.-1995.- 79, № 5.- C. 3 - 7.

9. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Серпецкий Б.А. О влиянии поверхностных органических плёнок на результаты рентгенодифрактометрического анализа напряжений в металлах // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.- 1997.- № 1-2.- С.72 - 74.

10. Левитин В. В., Лоскутов С. В., Серпецкий Б. А. Исследование замковых соединений лопаток и дисков газотурбинных двигателей с применением резистометрии // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.- 1997.- № 1-2.- С.70 -72.

11. Лоскутов С. В., Левитин В. В. О кинетике энергетического состояния металлической поверхности в процессе усталостного деформирования // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надёжности и долговечности. - Сб. научн. тр. ЗГТУ. - Запорожье, 1998.- С. 37 - 38.

12. Серпецкий Б. А., Лоскутов С. В., Левитин В. В., Манько В. К. Повышение точности и производительности рентгенодифрактометрических измерений макроскопических напряжений // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физические методы исследования и контроля. - 1998. - 3. - С. 28 -30.

13. Лоскутов С. В. Влияние пластической деформации на работу выхода электронов в алюминии // Физика металлов и металловедение. - 1998.- 86, № 2.- С. 61 - 66.

14. Лоскутов С. В. Закономерности распределения работы выхода электрона по деформированной поверхности металла // Известия вузов. Физика. - 1998. - 6.- С. 59 - 63.

15. Лоскутов С. В., Левитин В. В., Серпецкий Б. А. О физическом механизме развития усталостных процессов // Вестник ЗГУ. - 1999. - № 1. - С. 135 - 138.

16. Лоскутов С. В., Левитин В. В., Манько В К., Серпецкий Б. А., Павлюткин Ю. С. Установка и методика испытаний образцов на усталость с одновременным измерением работы выхода электрона // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физические методы исследования и контроля.- 1999. - № 7. - С. 43 - 45.

17. Levitin V. V., Garin O. L., Yatsenko V. K., Loskutov S.V. On structural sensibility of work function // Vacuum. - 2001. - 63, № 1 - 2. - P. 367 - 370.

18. Levitin V.V., Loskutov S.V., Pravda M. I, Serpetsky B. A. Work function for fatigue tested metals // Nondestructive Testing and Evaluation. - 2001. - 17, № 2. - P. 79-89.

19. Лоскутов С. В., Левитин В. В., Павлюткин Ю. С. Контактные электрофизические методы в исследованиях свойств поверхностных слоёв металлов // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.-2001.- № 1.- С. 5 -10.

20. Патент 35141. Україна. МПК G01B7/00. Спосіб визначення напружено-деформаційного стану зразка / В.В. Левітін, С.В. Лоскутов, М.І. Правда, Б.О. Серпецький. - № 99084748; Заявл. 20.08.1999; опубл. 15.03.2001. Бюл. № 6.

21. Лоскутов С.В., Левитин В.В. Влияние электроимпульсной обработки на структуру и долговечность титановых сплавов // Журнал технической физики. - 2002. - 72, № 4.- С. 133 - 135.

22. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Гордиенко В.Н. Формирование энергетического рельефа металлических поверхностей в процессах трения и изнашивания // Трение и износ.- 2002.- 2, № 23.- С.176 - 180.

23. Лоскутов С.В., Яценко В.К., Павленко Д.В. О рентгенодифрактометрическом методе контроля упругих параметров материала приповерхностного слоя металлов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физические методы исследования и контроля. - 2003 .-№ 9.-С.39-41.

24. Лоскутов С.В. О структурной составляющей работы выхода, определяемой методом контактной разности потенциалов // Металлофизика и новейшие технологии.- 2003. - № 3.- 353-361.

25. Павленко Д.В., Лоскутов С.В., Яценко В.К., Гончар Н.В. О структурных изменениях поверхностного слоя сплава ЭК79-ИД после упрочняющей обработки // Письма в ЖТФ.-2003.-29, № 8.- С.79 - 83.

26. Лоскутов С.В. Влияние электроимпульсной обработки на структурные перестройки в ниобии // Металлофизика и новейшие технологии.-2003. - 25, № 8. - С. 1021 - 1026.

27. Богуслаев В.А., Рубель О.В., Сахнюк Н.В., Пухальская Г.В., Лоскутов С.В. Повышение выносливости лопаток компрессора // Технологические системы.- 2002.- № 3. - С. 65 - 70.

28. Лоскутов С.В. Влияние электроимпульсной обработки на структуру титановых сплавов // Вестник двигателестроения.- 2002. -№ 1.- 169- 175.

29. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Бень В.П., Лоскутов С.В, Орлов М.Р., Степанова Л.П. Обеспечение несущей способности лопаток компрессора технологическими методами // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні.- 2002. - № 2.- С. 14 - 19.

30. Богуслаев В.А., Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Бень В.П, Лоскутов С.В. Формирование характеристик поверхностного слоя лопаток компрессора комплексной обработкой // Вестник двигателестроения.-2003.-№ 1.- С.41-46.

31. Лоскутов С.В., Корнич Г.В. О структурной повреждаемости сталей при усталости // Збірник наук. праць IX Міжнародн. н.т. конф. “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів ”.-Україна, Запоріжжя: ЗНТУ, 23-26 вересня 2003. - С. 11-13.

32. Лоскутов С.В. Изменение работы выхода электронов при упругопластическом деформировании металлов //Фізична інженерія поверхні.- 2003.-1, № 3-4.-С.304-309.

33. Лоскутов С.В. Закономерности изменения энергетического рельефа поверхности сталей при испытаниях на усталость // Вісник Донецького університету.-2003.- № 2.- С. 272 - 278.

34. Лоскутов С.В., Правда М.И. Влияние окружающей среды на величину работы выхода электронов, измеряемую методом динамического конденсатора // Складні системи і процеси .-2003.-№ 2.- C.52-58.

35. Levitin V.V., Loskutov S.V. The effect of current pulse on the fatigue of titanium alloy // Solid State Communications.- 2004 vol.131, Issue 3-4, pp.181-183.

36. Патент 68969. Україна. МПК G01N3/42. Спосіб визначення фізико - механічних характеристик матеріалів / С.В. Лоскутов, В.К. Манько, В.В.Ткаченко, В.К. Яценко. - № 20031110553; Заявл. 24.11.2003; опубл. 16.08.2004. Бюл. № 8, 2004 р.

37. Патент № 68970. Україна. МПК B23P6/00, B24B1/04. Спосіб зміцнюючої обробки матеріалів / С.В. Лоскутов, В.К. Манько. - № 20031110554; Заявл. 24.11.2003; опубл. 16.08.2004. Бюл. № 8, 2004 р.

38. Лоскутов С. В. Изменения приповерхностной структуры металлов при электроимпульсном воздействии // Вестник двигателестроения. - 2004. - № 4.- С.29-31.

39. Loskutov S.V. Work function for the deformed metal surface // Surface science. - 2005. - 585/1-2 pp. L166-L170. doi:10.1016/j.susc.2005.04.011

40. Лоскутов С.В. О структурной составляющей работы выхода электронов // Известия вузов. Физика.-2005.-№ .- С. - . (Article in Press)

АНОТАЦІЯ

Лоскутов С.В. Вплив деформаційних процесів на структуру та енергетичний стан поверхневого шару металів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - Фізика металів. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена вивченню фізичного механізму процесів, що відбуваються на поверхні металевих матеріалів під час пружного та пластичного деформування. На базі аналізу енергетичного рельєфу поверхні вивчено взаємодію між іонною та електронною підсистемами металів та сплавів в процесі впливу постійних, знакозмінних та контактних напружень. Предметом досліджень були алюміній, сплави титану, нікелю, жароміцні сталі тощо. Вперше одержано координатні залежності щодо зарядового рельєфу металевої поверхні в умовах різноманітного деформування. На основі отриманих експериментальних даних розвинуті теоретичні уявлення про фізичні закономірності змін в електронній підсистемі металів в процесі деформування. Ці зміни пояснюються рухом дислокацій, виходом їх на поверхню та утворенням сходинок, що мають електричний заряд. Вперше запропоновано модель розрахунку РВЄ для неідеальної поверхні металів, що побудована на основі уявлень про зв'язок РВЕ із електровід'ємнiстю атомів, а також із врахуванням утворення на поверхні нанодефектів. Вперше доведено, що спосіб виміру значень РВЕ дає можливість раннього прогнозу зародження мiкротрiщин втомленості. На основі фізичної моделі втомленості виконані кiлькiснi оцінки зниження РВЕ, густини сходинок та швидкості розмноження дислокацій. Експериментально доведено, що поверхневий зарядовий рельєф чутливий до тертя та процесів контактної взаємодії i може бути використаний в якості інформативного параметру під час досліджень процесів тертя та зносу. Одержано, що обробка сплавів потужними імпульсами електричного струму здатна суттєво збільшити опір втомленості. Виміряні структурні параметри поверхні після електроімпульсної обробки. На основі аналізу розробленої фізичної моделі еволюції пар точкових дефектів в зоні локального нагріву доведено, що електричні імпульси здатні викликати локальне виділення теплової енергії на дефектах кристалічної гратки та їх рекомбінацію.

Ключові слова: поверхня, деформація, контактна різниця потенціалів, робота виходу електронів, макроскопічні напруження, втомленість, дислокація, диполь, зміцнення.

Лоскутов С.В. Влияние деформационных процессов на структуру и энергетическое состояние поверхностного слоя металлов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.13 - Физика металлов.- Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена изучению физического механизма процессов, которые происходят на поверхности и в приповерхностных слоях металлических тел при упругом и пластическом деформировании. На основе анализа энергетического рельефа поверхности в работе изучено взаимодействие между ионной и электронной подсистемами металлов и сплавов в процессе влияния постоянных, знакопеременных и контактных механических напряжений. Изучались также изменения физических структурных параметров в зависимости от различных обработок поверхности. Для достижения поставленных целей в диссертации разработан и усовершенствован ряд адекватных опытных устройств и методов. Создана экспериментальная аппаратура, предназначенная для изучения распределения работы выхода электрона (РВЭ) по поверхности металлических образцов с возможностью проведения одновременных испытаний на усталость. Оптимизирована методика измерений работы выхода, снижена погрешность измерений до 1 мВ. Модернизирована схема рентгеновского дифрактометра, что позволило увеличить предельный двойной угол Вульфа-Брэгга до 177,60. Предложена многоплановая компьютерная программа обработки рентгенодифрактометрических данных. В результате повышена на порядок точность измерений остаточных макроскопических напряжений и увеличена производительность. В диссертации использованы также методы контактного электрического сопротивления, кинетического индентирования, испытаний на усталость и износ. Осуществлены устройства, которые предназначены для упрочнения поверхности металлических тел с использованием электроимпульсного воздействия и магнитно-абразивной обработки. Материалами для исследования служили алюминий, медь, монокристаллический ниобий, сплавы на основе титана, никеля, жаропрочные стали.

Проведены систематические измерения распределения и координатных зависимостей РВЭ по поверхности алюминия, сплавов титана и сталей в процессе растяжения образцов с постоянной скоростью. Найдено, что в упругой области деформаций наблюдается рост РВЭ, а в пластической происходит падение РВЭ. С ростом степени пластической деформации РВЭ достигает максимального значения и насыщения. Наблюдавшиеся закономерности объяснены выходом на поверхность дислокационных диполей в процессе деформации. Выполненные оценки плотности вышедших на поверхность линий скольжения хорошо согласуются с литературными данными. На основе полученных экспериментальных результатов развиты теоретические представления о закономерностях изменений в электронной подсистеме металлов в процессе деформирования. Предложены физические модели, которые позволили провести количественную оценку изменений РВЭ для деформированных металлов. Разработана самосогласованная схема расчета РВЭ, которая учитывает существенные поправки к модели “желе”: дискретность распределения положительного заряда; влияние релаксации ионных плоскостей вблизи поверхности на электронное распределение; воздействие диэлектрической среды, граничащей с поверхностью. Впервые разработана физическая модель расчёта РВЭ неидеальной поверхности металлов. В основу модели положены представления о связи РВЭ с электроотрицательностью атомов с учётом формирования на поверхности нанодефектов. Вычисления, проведенные для алюминия и меди, показали удовлетворительное согласие с экспериментальными данными. Экспериментально установлено, что в процессе воздействия на металлические материалы знакопеременных напряжений происходит локальное уменьшение РВЭ. На основе установленного физического механизма предложена физическая количественная модель структурных изменений на поверхности при усталости, включающая в себя движение дислокаций под влиянием знакопеременных нагрузок, выход дислокаций на поверхность и появление заряженных ступенек, следствием чего является уменьшение РВЭ. Неразрушающий метод измерения значений РВЭ обладает прогнозирующими возможностями относительно зарождения микротрещин усталости уже на ранних стадиях испытаний. На основе предложенной модели усталости выполнены количественные оценки параметров размножения дислокаций, роста числа дислокационных ступенек и снижения работы выхода электронов. Показано, что РВЭ чувствительна к структуре материала поверхностного слоя и может использоваться в качестве параметра при исследовании процессов контактного взаимодействия металлов. Экспериментально установлено, что при обработке сплавов титана мощным импульсом электрического тока происходят структурные изменения, отличные от теплового воздействия постоянным током. Показано, что под действием импульсов электрического тока происходят релаксационные процессы, которые обеспечивают существенное повышение сопротивления усталости. На основе анализа физической модели кристалла с дефектами типа вакансия-междоузельный атом получено, что локальное тепловыделение в кристаллической решётке приводит к ориентированному смещению атомов и к рекомбинации точечных дефектов. Специфическое влияние тока объясняется локальным тепловыделением при рассеянии электронов на кристаллических дефектах. Измерениями остаточных напряжений на натурных деталях установлено, что воздействие рабочих тел на поверхность в ультразвуковом поле ликвидирует неоднородность распределения макроскопических напряжений, вызванную предшествующим изготовлением деталей. Предложен новый эффективный способ магнито-абразивной обработки сплавов в среде, содержащей смесь абразивного порошка с ферромагнитными телами.

Ключевые слова: поверхность, деформация, контактная разность потенциалов, работа выхода электрона, макроскопические напряжения, усталость, дислокация, диполь, упрочнение.

Loskutov S.V. The influence of deformation processes on the structure and the energy condition of surface layer of metals. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of the doctor of physical and mathematical sciences in specialty 01.04.13 - Physics of metals. - G.V.Kurdyumov Institute for metal physics, Kiev, 2005.

The thesis is devoted to investigations of physical basis of processes that occur on surface and in near-surface layers of metals under influence of elastic and plastic strains. The aim of work was to analyze an energetically relief of the metal surface during the effect of constant, sign-changing or contact stresses and to examine the interaction between ionic and electronic subsystems. Various experimental equipment has been worked out. The author has improved several physical methods of investigations. A new experimental set-up has been created, which is intended for the work function (WF) measurements and for simultaneous fatigue tests. The error of WF measurements was reduced up to 1 mV. New scheme of X-ray difractometry was proposed. It enables to raise the maximum Bragg angle up to 177,60 and to increase the accuracy of residual stress measurements by the order. Materials under investigation were aluminum, alloys on the base of titanium, heat-resistant steels a.o. . An ultra-violet irradiation of metal surface was found to give an opportunity to ensure a correctness and repeatability of WF measurements. Systematical measurements of WF distribution were performed for aluminum and steels during the constant-rate straining . An increase of WF was observed at the elastic area of deformation, whereas a decrease of WF took place at the plastic field. A dislocations movement and a formation of charged dipoles on the metal surface causes the regularities that have been observed. A self-coordinated scheme of WF calculation was considered. It took into account essential corrections to model "jelly", in particular, a discontinuity in distribution of positive charge; an influence of relaxation of ionic planes near the surface on electronic distribution; an effect of dielectric medium that bordered on the surface. Author proposed and analyzed physical model for calculations WF of a non-ideal metal surface, too. The data of calculations fit with the experimental results satisfactorily. A local decrease of WF was found to be observed on specimens' surface at the time of influence of sign-changing stresses. A formation of surface steps, which have an electric dipole charge, is shown to be the reason of the local WF drop. Hence, the methods of WF measurements have forecast possibilities as to early forecast the micro cracks generation. Parameters of dislocation multiplication were evaluated as well as an increase of dislocation steps density and decrease of work function, using the proposed physical model of fatigue. It was shown that the work function is sensitive to processes of contact interaction of metals. The method enables express estimation of a relative wear resistance of metals. Electric pulse treatment was proved to increase the fatigue resistance of the titanium-based alloy by 20 percent. Macroscopic residual stresses drop while microscopic stresses grow. The increase of electric resistance of specimens is evidence of a relaxation process. The heat release was found to occur at crystal lattice defects. The electric pulse advancing may be considered as promising method of alloys treatment. The author analyzed an computers model of a crystal that contained defects of type vacancy-interstitial atom. It was obtained that the powerful electric pulse and a local calorification resulted in directed displacements of atoms and in defects recombination. It was obtained by means of measuring residual stresses in real parts that the processing with steel balls in an ultrasonic field eliminates non-uniformity in distribution of macroscopic stresses. A new effective method was suggested by the author for surface strengthening. The method includes a treatment of details in a mixture of abrasive powder and ferromagnetic bodies.

Key words: surface, contact potential difference, work function, macroscopic stresses, fatigue, dislocation, dipole, strengthening.

Размещено на Allbest.ru