Содержание
Введение........................................................... 5
1 ГЛАВА 1. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ.................................. 12
1.1 Перспективные методы модификации поверхности материалов ... 12
1.2 Физические особенности применения электровзрывного легирования для упрочнения и защиты поверхности......................... 22
1.3 Формирование упрочненных поверхностных слоев высоко и низкоэнергетическими электронными пучками........................ 26
1.4 Моделирование температурных полей при воздействии НСЭП .... 29
1.5 Выводы из литературного обзора........................... 33
2 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОД ЭЛЕКТРОННОПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА 36
2.1 Материал исследования.................................... 36
2.2 Методика электронно-пучковой обработки образцов стали
65Г....................................................... 36
2.3 Методы структурно-фазовых исследований и определения количественных характеристик материала исследования................. 38
3 ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ОТОЖЖЁННОЙ СТАЛИ 65Г.............................................. 45
З.Т Фазовый состав и дефектная субструктура исходного состояния стали . і...................................................... 45
3.2 Фазовый состав и дефектная субструктура зоны термического влияния ........................................................ 58
3.2.1 Структурно-фазовое состояние зерен перлита........ 58
3.2.2 Структурно-фазовое состояние зерен глобулярного перлита................................................. 64
3.2.3 Структурно-фазовое состояние зерен феррита........ 65
і
2
3.3 Твердофазное превращение феррито-перлитной стали........... 70
3.3.1 Структурно-фазовые преобразования зерен феррита 70
3.3.2 Структурно-фазовые преобразования зерен пластинчатого перлита.................................................... 73
3.3.3 Структурно-фазовые преобразования зерен глобулярного перлита («псевдоперлита»).................................. 82
3.4 Фазовый состав и дефектная субструктура дна зоны расплава 87
3.4.1 Структурно-фазовое состояние зерен феррита.......... 87
3.4.2 Структурно-фазовое состояние зерен глобулярного перлита ■л . (псевдоперлита)..................................... 89
3.4.3 Структурно-фазовое состояние зерен пластинчатого перлита.................................................... 92
3.5 Фазовый состав и дефектная субструктура объема стали, формирующегося из расплава........................................... 96
3.5.1 Структурно-фазовое состояние микронных зерен........ 96
3.5.2 Структурно-фазовое состояние зерен субмикронных размеров ...................................................... 101
3.6 Корреляции и закономерности эволюции структуры ферритоперлитной стали 65Г при электронно-пучковой модификации 105
Заключение по главе 3............................................. 112
4 ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ЗАКАЛЁННОЙ СТАЛИ 65Г....................... 114
4.1 Фазовый состав и дефектная субструктура исходного состояния закаленной стали 65г............................................... 114
4.2 Фазовый состав и дефектная субструктура зоны термического влияния стали 65Г, обработанной электронным пучком................. 125
4.2.1 Преобразование дефектной подсистемы................ 125
(4.2.2 Преобразование карбидной подсистемы............... 128
-4.2.3 Преобразование остаточного аустенита.............. 132
г • » , ; \ * * \ і •
3
4.3 Твердофазное (с участием а=>у=>а полиморфного превращения) преобразование мартенситной стали.................................. 132
4.3.1 Преобразование дефектной подсистемы стали........... 133
4.3.2 Преобразование карбидной подсистемы..................135
4.3.3 Полиморфное превращение (образование аустенита и кристаллов мартенсита)....................................... 138
4.4 Фазовый состав и дефектная субструктура объема стали, формирующегося из расплава.............................................. 143
4.4.1 Фазовый состав слоя, кристаллизующегося из расплава (макромасштабный уровень анализа структуры стали) 143
4.4.2 Внутризеренная структура стали (мезомасштабный уровень анализа структуры)........................................ 145
4.4.3 Дефектная субструктура фаз (микромасштабный уровень анализа структуры)........................................ 148
4.4.4 Состояние твердого раствора фаз, формирующихся при вы-сокоскоростной закалке из жидкого состояния (атомарный уровень анализа структуры стали).......................... 151
4.5 Корреляции и закономерности эволюции структуры закаленной стали 65Г при электронно-пучковой модификации......................... 154
Заключение по главе 4.............................................. 160
Основные выводы по работе............................................ 163
Список литературы................................................ 166
4
Введение
В последние годы получили развитие новые способы обработки поверхности, использующие концентрированные потоки энергии. Они позволяют существенно (до нескольких секунд, а при импульсных процессах - до долей секунды) сократить время обработки, что в некоторых случаях дает возможность встраивать соответствующее оборудование в единую технологическую цепь изготовления деталей, а также снижать энергозатраты на проведение обработки за счет того, что воздействию концентрированных потоков энергии (КПЭ) подвергаются те части поверхности, которые в наибольшей степени нуждаются в упрочнении и защите. Кроме того, высокоэффективные способы обработки позволяют получать структурно-фазовые состояния поверхности, недостижимые при использовании традиционных технологий.
Все большее применение в промышленном производстве находят методы упрочнения металлов и сплавов с использованием концентрированных источников нагрева - электрической дуги, потоков ионов, плазмы, лазерных и электронных лучей и др. Такие источники позволяют получать на поверхности металла слои с высокой твердостью, обрабатывать участки поверхности, недоступные для упрочнения другими методами, локализовать энергию в узкой зоне, обеспечивая ресурсосбережение, в основе которого лежит замена дорогостоящих и сложнолегированных сплавов экономнолегированными в тонком поверхностном слое.
Одним из основных путей в этом направлении является применение принципиально новых методов формирования и регулирования свойств материалов, основывающихся на современных представлениях о роли структуры в повышении прочности и износостойкости (демпфирование внешних нагрузок релаксацией концентраторов напряжений, диссипация энергии структурными превращениями и т.п.) [1,2] и использовании быстропротекающих и высокоэнергетических воздействий нанесения покрытий [3-38]. В большинстве случаев, как показывает опыт, наибольший эффект может быть достигнут в случае
5
комбинирования указанных методов или их сочетания с уже усвоенными в практике. Таким образом, существует необходимость интенсификации исследований как в области традиционных научных направлений - физики твердого тела, метало- и материаловедения и теплофизики, обеспечивающих основы создания и развития прогрессивных материалов и технологий упрочнения и нанесения защитных покрытий, так и новых - синергетики [39-42], физики ультра-дисперсных сред [43], материаловедения быстрозакалеиных металлов и сплавов [44-46], физической мезомеханики структурно-неоднородных сред [47-49].
Естественно, возникает необходимость в развитии новых подходов к проблемам повышения прочности, износостойкости и других свойств покрытий, определяющих надежность, долговечность и работоспособность изделий с покрытиями. Несмотря на огромный теоретический и экспериментальный материал, обобщенный в монографиях [3-38], требуется углубленное научное понимание физических процессов, определяющих формирование состава, структуры и свойств, при нанесении покрытий и упрочняющей обработке, с целыо расширения представлений о связи механизмов разрушения покрытий с их структурой и свойствами при различных внешних воздействиях.
Акту альность темы
Одним из наиболее эффективных направлений улучшения служебных характеристик конструкционных материалов, в том числе и сталей, является разработка оптимальных режимов термического воздействия. Это дает возможность, с одной стороны, получать изделия с определенными заданными характеристиками, отвечающими эксплуатационным требованиям, а с другой стороны, прогнозировать изменение свойств деталей и конструкций при их изготовлении и эксплуатации. За последние десятилетия, особенно после широкого внедрения методов электронной дифракционной микроскопии, достигнут существенный прогресс в понимании физических процессов, протекающих при этом, что связано, в основном, с работами Г. В. Курдюмова, В. Д. Садовского,
6
А. П. Гуляева, В. М. Счастливцева, Л. М. Утевского, С. 3. Бокштейна, В. В. Рыбина, Р. И. Энтина, М. А. Штремеля, А. Л. Ройтбурда, М. Л. Бернштейна, М. Е. Блантера, В. И. Изотова, А. Г. Хачатуряна, Л. М. Капуткиной, В. А. Займовско-го, М. П. Усикова, Л. И. Тушинского, Д. А. Мирзаева, Т. Ф. Вольтовой, М. И. Гольдштейна, Л. И. Лысака, Дж. Крауса, В. Н. Гриднева, А. Р. Мадера, Э. Гуд-ремона, Дж. Томаса, К. Вокасы, С. М. Ваймана, А. Келли, Ф. Б. Пикеринга, В. Бадеши, Б. И. Николина, 10. Н. Петрова, В. Г. Гавршнока, М. В. Белоуса и многих других российских и зарубежных мсгаллофизиков и материаловедов.
Успехи в области физики генерации высоких плотностей энергии привели к новым методам управления фазовым составом, дефектной субструктурой и, следовательно, физико-механическими, триботехническими, электрофизическими и т.д. свойствами неорганических материалов, основанным на применении концентрированных потоков энергии. Характерной особенностью воздей-
8 10
ствия концентрированных потоков энергии являются сверхвысокие (10-10 К/с) скорости нагрева и весьма малые (1 О*6-10’3 с) времена воздействия высоких температур (вплоть до температуры плавления и испарения материала). Исключительно гибкими источниками, позволяющими реализовать высокоскоростной ввод энергии в тонкие поверхностные слои материала, являются интенсивные импульсные электронные пучки, установки для получения которых многие годы с успехом разрабатываются в Институте сильноточной электроники СО АН СССР (РАН). Исследования, выполненные в основном Российскими учеными, показывают, что использование импульсных электронных пучков в качестве способа модификации металлов и сплавов в определенных условиях способно приводить к существенному увеличению коррозионной стойкости, износостойкости и микротвердости поверхностных слоев неорганических материалов, в том числе и стали. Однако физическая природа многих процессов, протекающих при воздействии таких пучков на материалы, не раскрыта. Это связано, главным образом, с отсутствием систематических экспериментальных исследований эволюции фазового состава и микроструктуры облученных образцов в
7
широком диапазоне параметров электронного пучка и материалов исследования.
Работа выполнялась в соответствии с фантом РФФИ-ГФЕН (Российско-Китайский международный фант) проект №05-02-39008 «Закономерности и механизмы формирования упрочненных слоев в сплавах на основе железа при воздействии импульсных электронных пучков и плазменных потоков», фантами Министерства образования и науки по фундаментальным проблемам металлургии на 2004-2006 год, темами Сибирского государственного индустриального университета и Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы: выявление закономерностей эволюции на различных структурно-масштабных уровнях фазового состава и дефектной субструктуры стали 65Г, находящейся в феррито-перлитном и закаленном состояниях, в условиях высокоскоростного нагрева и охлаждения, инициированных облучением низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком микросекундной длительности.
Научная новизна работы состоит в том, что
1. Впервые получены систематические комплексные экспериментальные данные о структурно-фазовых превращениях, протекающих в стали 65Г, подвергнутой импульсной электронно-пучковой обработке.
2. Выявлены качественные и количественные закономерности изменения параметров, характеризующих фазовый состав и дефектную субструктуру стали 65Г, обработанную импульсным электронным пучком микросекундной длительности.
3. Проведен сравнительный анализ на различных структурно-масштабных уровнях механизмов структурно-фазовых превращений стали 65Г, находящейся в предварительно нормализованном и предварительно закаленном состояниях.
8
4. Впервые на различных структурно-масштабных уровнях рассмотрена эволюция колонии перлита в условиях твердофазного и жидкофазного превращений, инициированных импульсной электронно-пучковой обработкой.
Практическая значимость выполненных в работе исследований заключается в:
1. Формировании базы данных эволюции фазового состава и дефектной субструктуры стали 65Г в условиях импульсной электронно-пучковой обработки.
2.Выявлении роли типа исходного структурно-фазового состояния углеродистой стали на формирующуюся при электронно-пучковой обработке структуру.
3. Установлении закономерностей изменения структурно-фазового состояния углеродистой стали, обработанной импульсным электронным пучком, по мере удаления от поверхности облучения.
4. Выявлении и анализе концентраторов напряжений, формирующихся в углеродистой стали в условиях импульсной электронно-пучковой обработки.
Личный вклад автора состоит в осуществлении предварительной термической обработки материалов исследования, проведении электронномикроскопических исследований исходных образцов и образцов, облученных электронным пучком, анализе полученных результатов и формулировании выводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Совокупность экспериментальных результатов, полученных при анализе фазового состава и дефектной субструктуры стали 65Г с исходно ферритоперлитной и мартенситной структурами, подвергнутой импульсной электронно-пучковой обработке.
2. Количественные и качественные закономерности эволюции структуры и фазового состава колоний пластинчатого перлита в условиях высокоскоростного ввода энергии, инициированного импульсным электронным пучком.
9
3. Количественные и качественные закономерности эволюции структуры и фазового состава мартенсита закалки в условиях высокоскоростного ввода энергии, инициированного импульсным электронным пучком.
4. Обнаружение формирования в стали 65Г в слое жидкофазного преобразования материала нового типа закалочной структуры «зерно - кристалл мартенсита».
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, использованием современных методов и методик исследования, большим объемом экспериментальных данных и их статистической обработкой, сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: IV Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» посвящённая памяти академика Г’. В. Курдюмова. Черноголовка. 2006; XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов». Самара. 2006; V Международной конференции «Радиационнотермические эффекты и процессы в неорганических материалах». Томск. 2006; Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурнонеоднородных сред и конструкций». Новосибирск. 2006; Берштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов. Москва. 2006; Первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов». Москва. 2006; 45-й международной конференции «Актуальные проблемы прочности». Белгород. 2006; Н1-й международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения». Томск. 2006; XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности. Санкт-Петербург. 2007; XV Республиканской научной конференции аспирантов по физике конденсированного состояния. Гродно. 2007.
10
Публикации Результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 4-х статьях, в изданиях, входящих в список ВАК РФ, список основных из них приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 257 наименований, содержит 186 страниц машинописного текста, включая 3 таблицы и 91 рисунок.
Считаю своим приятным долгом выразить признательность моему научному руководителю профессору кафедры физики ТГАСУ Иванову Ю. Ф. и научному консультанту зав. каф. физики СибГИУ профессору Громову В. Е., а так же сотрудникам кафедр физики СибГИУ и ТГЛСУ за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов работы.
ГЛАВА 1. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ
1.1. Перспективные методы модификации поверхности материалов
Для обеспечения высокоэффективного воздействия на поверхность материалов, включая ее нагрев вплоть до температуры плавления и выше, используются различные физические средства: электромагнитное излучение, потоки плазмы и заряженных частиц и др.
Обработка потоками высокой частоты [50-57]. Для создания высокочастотного энергопотока используются водо-охлаждаемые индукторы, заключенные в ферритовые концентраторы. Диапазон рабочих частот очень широк -102-105 МГц. Это позволяет обеспечивать длительность импульса воздействия в пределах Ю^-Ю'1 с при поглощаемой плотности мощности 104 - 106 Вт/см2. Скорость нагрева поверхности при этом достигает 107 К/с, глубина нагрева -0,1-2,0 мм.
Светолучевая обработка [58-60]. Светолучевую обработку проводят с использованием длиннодуговых ламп большой мощности, излучение которых в диапазоне 250-1400 нм цилиндрическим рефлектором фокусируется на поверхности материала.
Максимальная интенсивность воздействия в линейном фокусе размером 40-100 мм достигает величины порядка 1010 Вт/см2.
Обработка мощными ионными пучками [60-63]. Особый интерес в настоящее время вызывает импульсная технология ионной обработки различных материалов. Полученные результаты по изменению их физико-химических свойств, в частности, по аморфизации металлов, способствуют быстрому развитию этого направления.
Лазерная обработка [64-78]. Анализ литературных данных по обработке металлов с использованием КПЭ показывает, что наибольшее число работ в этой области исследований выполнено с применением лазеров. Это связано со
12
значительным развитием лазерной техники, а также возможностью ее многоцелевого использования.
Выпускаемые в настоящее время промышленные и полупромышленные лазерные установки обеспечивают интенсивность излучения порядка Ю10 Вт/см2 в импульсном режиме работы и до 107 Вт/см2 в непрерывном. Их применение растет быстрыми темпами. Однако доля лазерного оборудования, используемого для обработки материалов, по сравнению с долей традиционного оборудования мала.
Методы лазерной обработки образуют группы, основанные на нагреве, плавлении и ударном нагружении материала в зависимости от плотности излучения и времени воздействия (рисунок 1.1). Так, нагрев определяет такие процессы как отжиг материалов, а также наиболее распространенный метод лазерного упрочнения посредством фазовых превращений в твердом состоянии в поверхностных слоях металлов при их сверхбыстром нагреве и последующем охлаждении путем самозакалки. При оплавлении возможно осуществление гомогенизации поверхности, ее легирование, аморфизация и плакирование. Ударное нагружение определяет термомеханическое упрочнение материалов.
13
Рисунок 1.1.-Классификация методов лазерной поверхностной обработки материалов [3].
14
Изучение структуры и твердости поверхности железоуглеродистых сплавов после лазерного воздействия непрерывным СОг-лазером показало [79], что воздушно-плазменная сканируемая дуга является эффективным источником
ТО *)
поверхностного нагрева с удельной мощностью 10-10 Вт/см , по большинству показателей более предпочтительным для применения в условиях производства по сравнению с другими источниками концентрированных потоков энергии.
Нагрев сканируемой плазменной дугой с последующим закалочным охлаждением позволяет получать упрочненный слой стального изделия шириной до 40 мм за один проход и толщиной до 2,5 мм при полной электрической мощности дуги 25 кВт.
При быстрой кристаллизации после лазерной обработки возможно появление ячеистых, ленточных и химически однородных микроструктур, а также замораживание выделенных новых метастабильных фаз [80,81].
Одним из достоинств применения лазерного излучения является возможность непосредственного и весьма достоверного определения скорости движения границы раздела фаз, для дальнейшего сопоставления с типом и характерным размером структуры и сравнением полученных зависимостей с модельными значениями. В течение последних двух десятилетий был достигнут значительный прогресс в описании процесса формирования структуры при высокоскоростной кристаллизации [82-85]. Установлено, что на структуру, образующуюся при высокоскоростной кристаллизации, определяющее внимание оказывает скорость движения фронта кристаллизации и температурный градиент на фронте.
Использование моделей расчета теплового поля, характерного размера структуры и микротвердости в зоне лазерного воздействия позволяет прогнозировать механические свойства конструкционных сталей в зависимости от энергетических режимов лазерной обработки и теплофизических свойств сплава. Предложенный модельный подход к прогнозированию свойств стали может
15
использоваться в инженерных и практических целях для разработки технологий лазерного упрочнения [81,86-88].
Лазерное легирование подверженных износу поверхностей деталей и инструментов способствует повышению их эксплуатационных свойств.
К научно обоснованной оптимизации лазерного легирования относится согласование свойств легирующих атомов с элементным составом модифицируемой стали, предвидение образующихся структур, вопросы, связанные с мак-ро- и микро-массонереносами, диффузией в неравновесных условиях кратковременного нагрева, выдержки и быстрого охлаждения расплава.
Статья [89] посвящена кинетике фазовых превращений, формированию твердого раствора и морфологии сплава в миллисекундные промежутки времени. Особое внимание обращено на распределение легирующих элементов, имеющих отрицательные, нулевые или положительные теплоты растворения в железе.
Лазерная обработка стали ЭП-761 повысила микротвердость до 8500 МПа в закаленной и до 9400±200 МПа в легированной хромом зонах. В результате лазерного легирования стали сопротивление изнашиванию при трении повысилось в два раза.
С помощью лазерного термоупрочнения в настоящее время осуществляются закалка валков, упрочнение режущих кромок орудий и машин для сельского хозяйства, горной проходки, обработка ответственных деталей узлов машин и механизмов. При этом используются технологические лазеры непрерывного действия мощностью более 1 кВт. В то же время в ряде случаев (в частности, при обработке инструментов, штампов и т.д.) широкое применение могли бы найти маломощные С02-лазеры (мощностью порядка 100 Вт).
Проведенные исследования [89] показали возможность использования относительно маломощных С02-лазеров (~ 100 Вт) для эффективной реструктуризации поверхности сталей и роста ее микротвердости. Подбор оптимальных условий обработки наряду с выбором соответствующей степени концен-
16
- Київ+380960830922