Full Text

Введение Воздействие на материал в процессе эксплуатации настолько многофакторно, что определяющие его состояние параметры, такие, например, как sВ, sт и др., не характеризуют прочность материала в достаточной степени. Его прочность функционально ограничена, если он не обладает некоторой минимальной, в пределах нескольких процентов, пластичностью (d%, y%), т.е. пластичность для металлов и сплавов является весьма важной характеристикой при оценке их прочности. Обычно в значительном числе случаев прочность материала оценивают по значению либо предела прочности, либо предела текучести. Однако для получения более объективной информации о материале необходимо оценивать совместно и прочностные, и пластические характеристики. Пластичность связана с действием микроскопических механизмов пластической деформации, роль которых определяется внешними условиями: температурой, механической нагрузкой, скоростью деформирования и пр. Основные виды пластичности - самодиффузионная, краудионная, дислокационная. Развитие междислокационного взаимодействия характеризуется диаграммой «s - e», т.е. зависимостью степени деформации e образца от величины приложенного к нему напряжения s. Она состоит из трех характерных участков, обусловленных стадиями эволюции дислокационной структуры (легкого скольжения, компактных скоплений, разупрочнения). На последней происходит падение дислокационной плотности, что ведет к зарождению нарушений сплошности - микротрещин. В поликристаллах действие рассмотренных механизмов пластической деформации внутри зерен осложнено взаимодействием между зернами. Здесь деформация является суммарным результатом деформации в различно ориентированных относительно нагрузок зернах. В этом случае деформация не имеет четко выраженного стадийного характера, как для монокристаллов. При этом высокая пластичность может достигаться в том случае, если в ходе деформирования успевает произойти рекристаллизация, т.е. поглощение наиболее непластичных, несовершенных зерен. Методика эксперимента Влияние на прочность и пластичность материалов, прежде всего сталей, рассматривалось на примере процессов цементации и азотирования. Их параметры оценивались с помощью измерений акустических характеристик материалов (скоростей акустических волн vR, уровня затухания DV/V%, упругих модулей и др.) с использованием АМД-методов [1-4]. Для практических расчетов влияния процесса диффузии на структуру материалов рассчитывали значения параметров, входящих в уравнения, описывающие отдельные стадии химико-термической обработки. Известно, что основной параметр кинетики диффузионного насыщения - это коэффициент диффузии. Обычно он определяется по экспериментальному распределению концентрации диффундирующего элемента по толщине слоя с (х, t) либо находится путем анализа количества диффундирующего в образцы вещества в зависимости от времени. Коэффициент диффузии определяют при стационарных условиях химико-термической обработки исходя из толщины диффузионного слоя. Если считать, что толщине диффузионного слоя соответствует конкретное значение концентрации диффундирующего элемента сT, то (1) Поскольку выражение под знаком функции erf является постоянной, значит, и . (2) Последнее выражение позволило оценить D по экспериментальным измерениям толщины слоя. Глубиной слоя диффузии считали расстояние h0, определяемое в зависимости от выбранных критериев в 0,5 или 0,8 (h0,8) значений vR в материале без диффузии. Для твердотельного материала с помощью акустических волн получали характерные V(Z)-кривые [5, 6], которые в нашем случае различались как по высоте главного максимума (так как свойства приповерхностных слоев материала после диффузии существенно отличаются по уровню затухания акустических волн от первоначального состояния образцов), так и по виду участка осцилляций, для которого расстояние между пиками DZN связано с величиной скорости поверхностных акустических волн (ПАВ) [6, 7]. Оценки толщины диффузионных слоев были проведены с использованием выражений для коэффициента диффузии D(T) = = D0 · exp(-Q/RT) и толщины слоя воздействия x1 = 2 · Для диффузии углерода (С) в g-Fe D0 = 2 · 10-2 см/с2 и Q = 32 200 кал/г-атом, а для азота (N) в g-Fe D0 = 3,3 · 10-4 см/с2 и Q = 34 600 кал/г-атом. Тогда, в соответствии с работами [8, 9], x1 = 2 · = 2 · (3) x2 = 2 · = 2 · (4) т.е. при времени процесса диффузии 6 и 10 ч слои с измененными свойствами в железе составляют от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. В качестве параметров диффузионного процесса нами были выбраны значения скорости ПАВ vR, уровень затухания этих волн (DV/V%) [10-12]. По их значениям получали зависимости толщины слоя с измененными свойствами от концентрации вещества - диффузанта, от температуры и времени проведения процесса. Толщина диффузионного слоя оценивалась по параметру DV/V%. Результаты экспериментов Используя полученные зависимости DV/V% и vR определяли глубину слоя диффузии (рис. 1). Рис. 1. Изменение значений скорости ПАВ в одном из образцов стали (40ХН) в зависимости от глубины зондирования (корреляция vR с глубиной слоя диффузии h, мкм) При температуре цементации диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения из продуктов его распада - феррита и цементита. Эффективная толщина цементованного слоя обычно задается значением контрольного параметра твердости (например, HRC 60) и варьируется от долей до нескольких миллиметров. Цементация проводилась при 940 °С в течение 2,5 ч (слой до 0,8 мм). Процесс неоднозначный и требующий дальнейших исследований (так как возникает ряд различных фаз в приповерхностной зоне), однако чувствительность АМД-методов к изменениям свойств слоев очевидна. В завершение процесса осуществляется отпуск при Т ~ 165-175 °C. На рис. 2-4 представлены результаты экспериментов, которые показывают отличие формы V(Z)-кривой в стали, что позволяет рассчитывать глубину измененного слоя по значениям vR (см. рис. 3). Рис. 4 демонстрирует, как изменяется значение скорости ПАВ в образцах, для которых различно время проведения процесса (цементации). Изменение времени проводимого процесса приводило к изменению структуры приповерхностных слоев и, как следствие, к изменению их акустических характеристик. Рис. 2. Трансформация V(Z)-кривой в стали 30ХГСМЛ (vR = 3,18 · 103 м/с, DZN = 14,68 мкм, (DV/V%)max = 37 %, масштаб по вертикали - 1 деление = 0,25 В, по горизонтали - 1 деление = 12,2 мкм) после цементации (940 °С, 2 ч) Аналогичные результаты получены и при измерениях с помощью АМД-методов характеристик материалов, прошедших процесс азотирования. Азотирование проводят в атмосфере аммиака, что приводит к насыщению поверхности азотом и к повышению ее твердости (сохраняемой до ~680 °С, т.е. на ~300-330 °С выше, чем для цементованных материалов) (рис. 5 и 6). По порядку величины полученные значения xi продемонстрировали хорошее совпадение с расчетными (составили ~100 мкм). Рис. 3. Зависимость vR от h при цементации стали (на примере 18ХГТ) Рис. 4. Изменение скорости ПАВ в стали 30ХГТ в зависимости от времени цементации (при контроле с поверхности за 16-17 ч скорость vR снижается на 7 % - с 3050 до 2840 м/с) Рис. 5. Зависимость толщины слоя с измененными свойствами, полученной по изменению скорости ПАВ в стали (40ХНМА), от времени азотирования (Т процесса 500 °С; оптимальное время 60 ч) Рис. 6. Зависимость уровня поглощения АВ в приповерхностных слоях стали (38ХМЮА) от глубины слоя азотирования (Т процесса 560 °С). С глубины ~250 мкм сталь не подвергнута азотированию Пример изучения модельного диффузионного процесса АМД-методами представлен на рис. 7. В ходе эксперимента определялась толщина пленки SiO2, получаемая при окислении кремния в атмосфере водяных паров. По изменению значений скорости ПАВ (и соответствующей дисперсионной зависимости) рассчитывали толщину слоя h (мкм), которая, как следует из графика, варьировалась от 2 до 9 мкм. Рис. 7. Зависимость толщины слоя диффузии SiO2 (на кремнии) при окислении в Н2О при Т отжига 1200 (верхняя) и 1000 °С (нижняя кривая) Таким образом, торировочные кривые позволяют определять время диффузии для получения слоя оксидной пленки заданной толщины. На рис. 5 приведены результаты измерений толщины слоя с измененными свойствами, полученного в процессе азотирования стали (при 500 °С) в зависимости от времени процесса (до 72 ч). Сама же глубина азотирования рассчитана по аналогии с приведенной на рис. 6 зависимостью и составила ~400 мкм. Для процесса цементации были получены сходные зависимости. При наличии метода V(Z)-кривых определить значения s02 можно с использованием значений упругих модулей, которые рассчитываются на основе представлений, изложенных в работе [13]: (5) (6) где vR - скорость ПАВ в образце; r - плотность материала образца; g - коэффициент Пуассона. Оценка значений предела прочности проводилась в соответствии с известным выражением Полученные этим методом значения s02 совпали в пределах погрешности 5 % с рассчитанными по размеру зерна. Результаты расчета упругих модулей и скорости ПАВ в ряде материалов приведены в таблице. Физические характеристики металлов, рассчитанные с помощью АМД-методов Металл Е · 10-5, МПа G · 10-5, МПа vR · 103, м/с g Железо 2,17 0,83 3,15 0,28 Цинк 1,30 0,72 2,31 0,33 Медь 1,25 0,44 2,22 0,37 Титан 1,08 0,43 3,02 0,31 Серебро 0,83 0,28 1,6 0,36 Золото 0,83 0,29 1,1 0,41 Алюминий 0,72 0,26 3,03 0,31 Представленные в таблице результаты проведенных АМД-измерений параметров ряда материалов в конденсированном состоянии подтверждают достоверность и объективность экспериментов, так как в пределах погрешностей совпадают с данными, полученными рядом независимых авторов [14-16]. В связи с этим можно считать доказанным, что предложенные АМД-методы обеспечивают надежное и точное измерение характеристик кристаллических и спеченных материалов, в том числе и подвергнутых диффузионной обработке. Заключение На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Разработанные на основе АМД-методов способы базируются на использовании акустических изображений структур объектов, а также на количественных расчетах характеристик материалов по значениям vR и DV/V%, определяемых из характерных интерференционных зависимостей - V(Z)-кривых. 2. Продемонстрирована перспективность применения АМД-методов оценки свойств различных твердотельных материалов, для обнаружения и характеризации областей материала с измененными физическими параметрами. 3. Показано, что использование метода V(Z)-кривых при исследовании физических свойств модельных материалов и сталей обеспечивает оптимизацию режимов обработки материалов, позволяет находить экстремальные параметры термических и диффузионных процессов.

About the authors

A. I Kustov

Voronezh State Pedagogical University

Email: akvor@yandex.ru

I. A Miguel

Military Educational Scientific Center of Air Force of Military Academy Named after professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin

Email: vuaik@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 22

PDF (Russian) - 10

Refbacks

• There are currently no refbacks.