авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Особенности взаимодействия fe, ni, ti, cu с атомами внедрения c, n, o при импульсных воздействиях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Миронова Татьяна Васильевна

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Fe, Ni, Ti, Cu

С АТОМАМИ ВНЕДРЕНИЯ C, N, O ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Самара – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор физико-математических наук, профессор Штеренберг А.М.
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физико-математических наук, профессор Фёдоров В.А. доктор физико-математических наук Кадомцев А.Г.
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ФГБОУВПО «Тульский государственный университет»

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

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

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

Автореферат разослан «__» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Самборук А.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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



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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. При импульсном многократном сжатии газовой среды (60 имп/мин, 2ч, 105-107 Па, 293-1473К) происходит ускорение диффузии азота и углерода в титане, железе и его сплавах в 2 - 5 раз с образованием диффузионных зон глубиной до  500 мкм, твердых растворов внедрения, карбидов, нитридов.
  2. Электрогидроимпульсная обработка железа без нагрева за  10-3 с приводит к образованию диффузионной зоны глубиной от 10 до 40 мкм, содержащей Fe3C, оксиды Fe3O4 с нарушенной стехиометрией, твердые растворы углерода и кислорода в - железе.
  3. Ультразвуковая ударная обработка железа и его сплавов (30 кГц, 0,2 с-1, 1 - 6 с, 77 - 673 К) приводит к проникновению атомов углерода на глубины от 10 до 400 мкм по объемному механизму. Образуются карбидные фазы, пересыщенные твердые растворы внедрения углерода и замещения никеля в железе.
  4. При воздействии со скоростями  = 5103 – 5105 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 5105 с-1 увеличивается до 0,5 см2/с.

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

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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





, (1)

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

. (2)

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

, (3)

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

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

При построении графика зависимости получалась расчетная формула:

, (4)

где - угол наклона на графике.

При наложении следующего деформирующего импульса коэффициенты диффузии определялись по формуле:

(5)

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

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

erfc(Z), (6)

где .

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

ND + NР  NР. (7)

При переходе к относительной концентрации окончательно можно записать:

, (8)

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

, (9)

откуда коэффициент диффузии:

. (10)

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

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

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

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

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

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

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



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.