Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема повышения эксплуатационной надежности рабочей части металлорежущего инструмента 15
2. Теоретическое описание и исследование механизма формирования композитной структуры при модификации рабочей части металлорежущего инструмента воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда 25
2.1. Условия формирования аморфных материалов 27
2.2. Условия формирования нанокластеров и наноструктур 30
2.3. Механизм формирования композитной структуры при низкотемпературной плазменной модификации 33
2.3.1. Общие сведения о низкотемпературной плазме 34
2.3.2. Математическое описание процесса формирования низкотемпературной плазмы комбинированного разряда 38
2.3.3. Математическое описание процесса воздействия низкотемпературной плазмы на рабочую часть металлорежущего инструмента 57
2.3.4. Условия формирования композитной структуры в модифицированном поверхностном слое 74
2.4. Выводы 76
3. Исследование условий формирования композитной структуры в модифицированном поверхностном слое 83
3.1. Исследование эмиссионных спектров плазмы комбинированного разряда 83
3.2. Исследование взаимосвязи эмиссионных спектров плазмы с параметрами состояния процесса модификации 94
3.3. Исследование взаимосвязи эмиссионных спектров плазмы с входными параметрами процесса модификации 102
3.4. Электронно-микроскопическое исследование структуры модифицированного поверхностного слоя 111
3.4.1. Исследование структуры поверхностного слоя на минимальных режимах модифицирующего воздействия 116
3.4.2. Исследование структуры поверхностного слоя на максимальных режимах модифицирующего воздействия плазмы 120
3.4.3. Исследование изменения химического состава модифицированного слоя 124
3.5. Исследование физико-механических свойств
модифицированной поверхности 135
3.5.1. Оценка шероховатости поверхности сверл и метчиков 136
3.5.2. Оценка качества поверхности пластин 137
3.5.3. Исследование твердости модифицированной поверхности 140
3.6. Выводы 142
4. Методология оценивания качества процесса модификации 148
4.1. Анализ структуры и механических свойств композитно-модифицированного поверхностного слоя 148
4.1.1. Физическая основа анализа 149
4.1.2. Методика анализа 163
4.1.3. Схема обработки результатов анализа 164
4.1.4. Результаты анализа 170
4.2. Показатель качества процесса модификации 177
4.3. Математическое и алгоритмическое обеспечение для оценивания результатов модификации 178
4.4. Выводы 187
5. Исследование поведения композитной структуры в модифицированном поверхностном слое при резании 190
5.1. Экспериментальное исследование 190
5.1.1. Основные закономерности процесса резания модифицированным инструментом 193
5.1.2. Особенности изнашивания инструмента в состоянии поставки 195
5.1.3. Особенности изнашивания модифицированного инструмента 198
5.2. Физико-статистическое исследование 212
5.3. Математическое исследование 228
5.3.1. Обычный инструмент 229
5.3.2. Модифицированный инструмент 233
5.3.3. Анализ результатов 237
5.3.4. Условия проявления диссипативных свойств 240
5.4. Выводы 255
6. Отказы модифицированного инструмента 257
6.1. Причины и виды отказов инструмента 257
6.1.1. Метчики 257
6.1.2. Сверла 261
6.1.3. Сменные многогранные пластины 262
6.2. Стойкостные испытания модифицированного инструмента в ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны) 263
6.3. Анализ результатов испытаний 268
6.3.1. Метчики М101,25 268
6.3.2. Метчики М121,25 276
6.3.3. Метчики М121,25 с покрытием TiN 284
6.3.4. Сверла 5,1 288
6.4. Основные направления повышения эффективности использования модифицированного режущего инструмента 290
6.4.1. Рекомендации по выбору инструментального материала 291
6.4.2. Рекомендации по геометрии режущей части метчиков и элементам среза 291
6.4.3. Рекомендации по геометрии режущей части сверл 298
6.5. Исследование структуры модифицированных поверхностей 300
6.5.1. Исследование структуры модифицированной поверхности твердого сплава без покрытия 300
6.5.2. Исследование структуры модифицированной поверхности покрытия TiN 307
6.5.3. Исследование структуры модифицированной поверхности инструментальной стали 319
6.6. Выводы 326
7. Практическая релизация результатов работы 330
7.1. Экспериментальная установка «Хром» 330
7.2. Технология модификации инструмента в низкотемпературной плазме комбинированного разряда 336
7.3. Испытания и опытно-промышленная эксплуатация модифицированного инструмента 339
7.3.1. Инструмент из быстрорежущей стали 340
7.3.2. Инструмент из твердого сплава 340
Заключение 360
Список литературы
- Условия формирования нанокластеров и наноструктур
- Исследование взаимосвязи эмиссионных спектров плазмы с параметрами состояния процесса модификации
- Схема обработки результатов анализа
- Особенности изнашивания модифицированного инструмента
Условия формирования нанокластеров и наноструктур
Известно, что в процессе эксплуатации изнашивание поверхности происходит на контактных площадках в условиях температурно-силовых нагрузок при активном влиянии внешней среды. В результате имеет место непрерывное изменение пространственной формы контактных поверхностей, что приводит к изменению распределения напряжений и температур в зоне фактического контакта и сказывается на интенсивности изнашивания. По этой причине для повышения износостойкости инструмента необходимо эффективно управлять тепловым и термодинамическим состоянием зоны контакта, используя различные технологические приемы, переводящие систему трения в режим самоорганизации. Исследования энергетического баланса при внешнем трении металлов показали, что основная доля привнесенной в систему энергии превращается в теплоту, и лишь небольшая ее часть диссипирует, поглощаясь поверхностным слоем материалов контактируемых тел, вызывая перестройку контактных структур и расходуясь на формирование новых поверхностей, что приводит к образованию частиц износа и их удалению.
Изложенное означает, что наиболее перспективным направлением повышения надежности режущего инструмента является направление, связанное с разработкой методов, которые позволяют формировать в поверхностных слоях его рабочей части диссипативную среду, способную к проявлению самоорганизации.
Под диссипативной средой понимается многочастичная или термодинамическая среда (система), состоящая из несчетного числа частиц в той или иной степени взаимодействующих между собой и внешней средой, причем частицы являются физическими объектами, имеющими конечные размеры [61]. Под самоорганизацией в диссипативной среде понимается возникновение совместного (кооперативного) движения огромного числа частиц. Наиболее характерной особенностью кооперативного движения с точки зрения динамики является присущий ему результирующий импульс.
Рассмотрим диссипативную среду с позиций термодинамики. Когда система претерпевает превращение, алгебраическая сумма различных изменений энергии – теплообмена, совершенной работы и т.д. – не зависит от способа превращения. Она зависит от начального и конечного состояний [62] и записывается в виде: где AU - изменение внутренней энергии системы; Q - теплота, подведенная к системе; А - совершенная работа.
Таким образом, изменение внутренней энергии системы в ходе какого-либо процесса равно разности между сообщенной теплотой и совершенной работой.
Если на границе системы «инструмент - заготовка» диссипативная среда отсутствует, то пересекающая границу системы теплота Q, сгенерированная в зоне резания при совершении механической работы по пластическому деформированию и разрушению материала заготовки и работы силами трения на передней и задней поверхностях [63], перейдет во внутреннюю энергию инструментального материала AU и будет перераспределена в нем как на рассеяние тепла, так и на совершение работы А деструктивными силами, вызывающими изнашивание и разрушение инструмента (образование микро-, макро- и магистральных трещин).
Предположим, что в буферной зоне на границе системы инструмент - заготовка сформирована диссипативная среда, в которой частицы в той или иной степени могут взаимодействовать между собой и внешней средой. Тогда тепловой поток Q, сформированный в процессе резания, проходя через такую диссипатив-ную среду, будет частично поглощен при выполнении работы диссипативными силами, и только часть теплоты трансформируется во внутреннюю энергию инструментального материала. При этом внутренняя энергия и энтропия инструментального материала S = Q/T будет возрастать в меньше степени, чем в предыдущем случае, а деструктивные процессы разрушения и изнашивания будут протекать с меньшей скоростью, т.е. время работы инструмента повысится [63].
В качестве структур, обладающих диссипативными свойствами, могут выступать специальные защитные покрытия [48-51], для создания которых используются методы осаждения: - однослойных покрытий в условиях ионного ассистирования; - многослойных покрытий со слоями наноразмерной толщины; - многофазных покрытий, а также их комбинации. При оптимальных условиях эксплуатации (режимах резания) эти покрытия способствуют повышенной диссипации энергии трения из зоны контакта, образованию упорядоченных, самоорганизующихся структур трения и снижения интенсивности изнашивания (рисунок 1.3) [49]. При этом контактные процессы, протекающие на флуктуационном уровне, характеризуются: – меньшей адгезионной активностью на контакте; – меньшими значениями мощности теплового источника от флуктуаций скоростей и напряжений; – более низким уровнем флуктуаций энергии в зоне резания; – снижением флуктуаций температур на контакте. – снижением интенсивности деформационных процессов в зоне сдвига и в зоне вторичных деформаций при трении стружки о переднюю поверхность инструмента. Необходимо, однако, отметить, что работы по созданию покрытий, обладающих диссипативными свойствами, в большинстве случаев находятся на стадии лабораторных испытаний [48, 51]. Кроме этого структура покрытий может оказаться неидентичной, поскольку формируется в различных диапазонах рабо чих температур. Нами неидентичность наблюдалась, в частности, у покрытий, сформированных в процессе осаждения частиц капельной фазы, и носила характер микродефектов в виде микропустот (рисунок 1.4, а), микрозазоров и неодно-родностей в местах спайки застывших капель (рисунок 1.4 б,в), микротрещин (рисунок 1.4, г), несплошности (рисунок 1.4, д), которые негативно влияют на устойчивость инструментальной поверхности в процессе резания.
Использование для создания диссипативных структур обычных покрытий или аморфных металлических сплавов не представляется возможным в связи с тем, что работа диссипации представляет собой работу по необратимому локальному перемещению минимального количества частиц минимального размера (в данном случае группы атомов) за минимальное время без передачи импульса. При этом группа должна обладать определенной свободой в своих перемещениях в некотором объеме, оставаясь при этом твердым телом, т.е. иметь высокую прочность. Только в этом случае работа диссипации будет максимально эффективной. В обычных покрытиях атомы такой свободой не обладают, поэтому в них любое смещение приводит к образованию трещин на поверхности и дефектов кристаллической решетки, вызывающих разрушение и отслаивание покрытия. Аморфные же сплавы имеют недостаточную прочность (рисунок 1.5) вследствие возникновения, так называемого ротационного эффекта (проскальзывания по межзеренным границам).
Изложенное означает, что преобразование рабочей части режущего инструмента в направлении формирования в ее поверхностных слоях диссипативных структур, обладающих высокой твердостью и устойчивостью в условиях температурно-силового воздействия и на этой основе обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности, представляет собой крупную научную проблему, имеющую важное значение для теории и практики современного производства. В связи с этим необходимо сказать следующее.
Исследование взаимосвязи эмиссионных спектров плазмы с параметрами состояния процесса модификации
В четырехтомной «Энциклопедии низкотемпературной плазмы» под редакцией В.Г. Фортова [77] дано следующее определение плазмы: «Плазмой называют квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, концентрация которых достаточна, для того, чтобы создаваемый ими пространственный заряд ограничивал их движение».
По степени ионизации плазма подразделяется на слабоионизованную, силь-ноионизованную и полностью ионизированную, т.е. отличие заключается в относительной концентрации электронов (z) = пе/щ, где щ - число тяжелых частиц -атомов и ионов.
При этом слабоионизованной считают плазму, в которой заряженные частицы рассеиваются в основном на нейтральных атомах и молекулах, а в сильно-ионизованной - на электронах и ионах. В слабоионизованной плазме химическая кинетика, перенос, столкновения и другие элементарные процессы определяются индивидуальными свойствами нейтральных атомов и молекул. В сильноионизо-ванной плазме процессы переноса и коллективные взаимодействия определяются кулоновскими дальнодействующими силами, не зависящими от индивидуальных свойств атомов и ионов, тогда как радиационные свойства, химическая кинетика и термодинамика зависят от внутреннего строения атомов и ионов. Граница силь-ноионизованной и слабоионизованной плазмы зависит от конкретного процесса и обычно проходит при (z) = 10 3 - 10 4. Термодинамически равновесная плазма при низких температурах обычно слабоионизованная, а при высоких - сильноио-низованная [77].
В работе [78] уточняется, что при давлениях 13 10–2-13102 Па для низкотемпературной плазмы характерны степень ионизации порядка 10–6-10–4 (концентрация электронов составляет 1015-1018 м-3), средняя энергия электронов порядка 1–10 эВ (температура порядка 104-105 К), средняя энергия тяжелых частиц (ионов, атомов, молекул) на два порядка меньше (температура порядка (3-5)102 К). Низкотемпературная слабоионизованная плазма представляет собой частично ионизованный газ, состоящий из атомов, электронов и ионов, в котором реализуются взаимодействия между: – заряженными частицами. Взаимодействие заряд – заряд подчинено закону Кулона; – заряженными и нейтральными частицами. Во взаимодействие электрон – атом дают вклад обменные, электростатические и поляризационные силы; – нейтральными частицами (атомами, молекулами).
Поскольку атомы, молекулы и ионы являются многоуровневыми частицами и могут находиться в как основном, так и возбужденном состояниях. Изменение состояния частиц происходит в результате двойных и тройных столкновений, что вызывает протекание различных элементарных процессов (диссоциацию молекул, ионизацию, рекомбинацию, перезарядку, протекание плазмохимических реакций).
Плазма в состоянии термодинамического равновесия полностью характеризуется значениями термодинамических параметров (температуры и давления) и описывается больцмановской статистикой.
Однако незамкнутость плазменных объемов приводит к нарушениям термодинамического равновесия. В низкотемпературной плазме процессами, приводящими к установлению равновесия, являются столкновения между частицами. В результате столкновений происходит обмен энергией и импульсом, рождение и исчезновение тех или иных частиц плазмы. Номенклатура элементарных процессов в плазме велика. Они делятся на упругие и неупругие. В последних кинетическая энергия сталкивающихся партнеров переходит во внутреннюю и наоборот. К важнейшим неупругим процессам относятся возбуждение и ионизация атомов электронным ударом и встречные процессы – снятие возбуждения и рекомбинация. Эффективность столкновений определяется их частотой, т.е. числом столкновений, испытываемых частицей в единицу времени. Частота столкновений определяется концентрациями частиц, их эффективными поперечными сечениями и скоростями частиц. В [79] отмечается, что для кинетики ионизации оказывается важна скорость изменения концентрации электронов (скорость ионизации), кото 36
рая быстро растет по мере уменьшения энергии связи атома Ек (Ек- энергия ионизации с к-го уровня). При этом преимущественно ионизуются возбужденные атомы, а процесс ионизации является ступенчатым.
Явления переноса в низкотемпературной плазме переводят ее в разряд неравновесной плазмы. Неравновесность может быть вызвана, например, внешним источником ионизации, повышающим концентрацию электронов пе.
Такие процессы, как диффузия, теплопроводность, протекают аналогично явлениям переноса в газах. Однако присутствие заряженных частиц вносит существенные особенности. В первую очередь это связано с явлением переноса заряда, т.е. электропроводностью плазмы.
Плотность электронного тока / связана с напряженностью электрического поля Е соотношением
Специфический характер в плазме носит диффузия заряженных частиц. Электроны и ионы не могут диффундировать независимо друг от друга в условиях, когда средние расстояния между частицами уменьшаются и начинают проявляться кулоновские взаимодействия между заряженными частицами. Пренебрегать взаимодействием заряженных частиц во время диффузии допустимо при плотности заряженных частиц не выше 107-108 см–3 [80]. Как отмечается в работе [81], при любом отклонении от равенства зарядов возникает электрическое поле, стремящееся восстановить нарушенное равновесие. Вследствие того, что коэффициент диффузии электронов значительно больше коэффициента диффузии ионов, электроны быстрее ионов диффундируют в области более низкой концентрации, но их движение задерживается из-за появления тормозящего поля пространственного заряда ими самими созданного. То же самое поле ускоряет ионы, и они диффундируют с большей скоростью, чем это было бы в отсутствии электронов. В итоге диффузия заряженных частиц обоих знаков происходит с одинаковой скоростью, и поскольку в потоках частиц противоположных знаков различия нет, то такая диффузия носит название амбипо-лярной. Коэффициент амбиполярной диффузии Da определяется коэффициентом диффузии малоподвижных ионов D M-1 2.
Коэффициент Da характеризует диффузионное движение частиц обоих знаков. Переход от амбиполярной диффузии к свободной диффузии происходит, когда плотность заряженных частиц падает ниже величины, характерной для амбиполярной диффузии.
Схема обработки результатов анализа
Следовательно, в условиях, когда в некоторой области резонатора скорость образования электронов в газе незначительно превышает скорость их потерь, дальнейшее перемещение первичных электронов под влиянием электромагнитного и электростатического полей приводит к дальнейшему возрастанию их энергии, концентрации и плотности. Это приводит к возбуждению ионизационных процессов основного сорта газа с коэффициентом объемной ионизации а2, т.е. пробою в газе и формированию облака плазмы вблизи обрабатываемой поверхности инструмента.
Таким образом, несветящаяся область образования первичных электронов на примесных атомах или молекулах с низкими потенциалами ионизации а, в которой совместно присутствуют сверхвысокочастотное электромагнитное поле и электростатическое поле, является по отношению к облаку плазмы объемным (темным) катодом, постоянно подпитывающим электронами внешнюю границу плазмы комбинированного разряда (позиция 1 на рисунке 2.2).
Совместное сосуществование электромагнитного и электростатического полей прекращается в скин-слое (позиция 2 на рисунке 2.2), поскольку, когда кинетическая энергия электрона, приобретенная под действием электромагнитного поля, достигнет значения, превышающего нижний предел возбуждения атома, возникает конечная вероятность того, что следующее столкновение будет неупругим [88, 97]. В результате такого столкновения изменится внутренняя энергия атома, а налетающий электрон потеряет большую часть своей энергии. Если возбужденное таким образом состояние атома не является метастабильным, то атом практически мгновенно возвращается в основное состояние, испустив характеристическое излучение. Если напряженность электрического поля достаточно велика, то некоторые электроны приобретают энергию, превышающую энергию ионизации, не испытав неупругого столкновения. В этом случае в результате столкновения может образоваться вторичный электрон и положительный ион.
Такие процессы приводят к сильному затуханию энергии электромагнитного поля в скин-слое и эффективной передаче энергии в результате неупругих столкновений электронов с тяжелыми частицами газа. При этом скин-слой является внешней границей видимого светящегося облака плазмы.
Таким образом, на внешней границе облака плазмы зарождается поток электронов /е, складывающийся из электронов, поступающих из объемного (темного) катода /0, и электронов js, образовавшихся в результате ионизации в скин-слое Поскольку внешняя граница плазмы формируется на расстоянии гп от поверхности инструмента, то дальнейший дрейф электронов в облаке плазмы (позиция 3 на рисунке 2.2) происходит по силовым линиям электростатического поля в направлении к поверхности инструмента. В этой области поток заряженных частиц / формируется: - из потока электронов, образованных при ионизации частиц газа сорта р± и р2 в объемном катоде (с концентрацией щ), в скин-слое (с концентрацией и0), при дрейфе в плазме к поверхности инструмента (с концентрацией пв); - потока ионов тц и тц , образованных при ионизации в облаке плазмы.
Тогда, учитывая выражения (2.1) и (2.18), (2.20) и (2.21), полный поток заряженных частиц / для смеси газов (нижний индекс 1 и 2) можно записать в виде: (2.22)
При дрейфе электронов в облаке плазмы протекание элементарных процессов тесно связано с величиной электростатического поля, частотой столкновений каждой заряженной частицы с окружающими частицами плазмы, а также созданного ими потенциала результирующего поля, т.е. зависит от плотности наведенного пространственного заряда р. Распределение электрического поля в разряде определяется расположением пространственных зарядов и подчиняется закону Пуассона: div Е+ = 4пр. (2.24) Плотность пространственного заряда р определяется числом заряженных частиц того и другого знака в кубическом сантиметре и равна избытку числа однократно заряженных положительных частиц над числом однократно заряженных отрицательных, умноженному на величину элементарного заряда е [95]:
Для нахождения напряженности поля Еф в любой точке разряда, используя (2.29), необходимо знать распределение тока / и геометрическую конфигурацию силовых линий электрического поля.
В условиях центральной симметрии силовые линии электростатического поля при его искажении пространственными зарядами, созданными разрядным током, совпадают с радиусами, проведенными от оси симметрии (оси инструмента) в различные точки внешней границы плазменного облака. Плотность тока должна быть одинакова во всех точках какой-либо единичной цилиндрической поверхности радиуса г и должна быть равна [95]:
При этом движение электронов, образовавшихся в скин-слое, в направлении к поверхности инструмента ведет к увеличению их концентрации в единице объема, т.е. возрастанию плотности при уменьшении г. В свою очередь увеличение плотности электронов в бесконечно малом слое dr ведет к увеличению напряженности электростатического поля Еф и возрастанию скорости электронов. Отсюда следует, что дрейф электронов в электростатическом поле ведет не только к повышению их концентрации, но и возрастанию энергии электронов, достаточной для ступенчатой ионизации с образованием как однозарядных, так и многозарядных ионов. В этом случае зону образования одно- и многозарядных ионов можно рассматривать, аналогично скин-слою на внешней границе плазменного облака, как зону торможения, в которой накопленная энергия электростатического поля эффективно передается нейтральным и однозарядным частицам через неупругие столкновения с электронами. При этом налетающие электроны, теряя энергию при взаимодействии, переходят в разряд медленных электронов.
Особенности изнашивания модифицированного инструмента
В связи с этим для поверхностных атомов условие начала плавления (2.48) наступит раньше, в результате чего на поверхности в присутствии твердого ядра возникнет бесконечно малый тонкий слой жидкой фазы, постепенно утолщающийся, не имеющий строгую структуру дальнего порядка.
Как отмечается в [102] исходя из топологической и флуктуационно-кластерной модели плавления твердых тел, в кристаллической матрице на стадии предплавления в состав жидкости переходят не отдельные атомы, а локальные группировки атомов повышенной плотности, которые в результате перестройки структуры, достигнув локального минимума энергии, приобретают особые свойства, характерные для нанокластеров. Спонтанно возникающие метастабильные плотноупакованные структуры обладают более высокой локальной устойчивостью и более высокой симметрией по сравнению с короткоживущими группировками пониженной плотности, находящимися в стадии непрерывной структурной трансформации и обеспечивающими интенсивное диффузионное движение в флуктуационной зоне низкой плотности (зоне диффузии и резерва атомов для формирования высококоординационных полиэдров). Кроме того, при анализе зависимости относительной температуры плавления (ТR /Тпл) наблюдается зависимость температуры плавления от диаметра и форма частицы.
Как отмечается в [104, 105], плавление начинается: - с самых неустойчивых частиц, имеющих форму конуса, затем куба, сферы и цилиндра; - с разрушения самых неустойчивых границ: ребер и углов куба, вершин конуса, постепенно переходя к более устойчивым формам сферы и цилиндра. При этом температура плавления понижается с уменьшением размера частицы, т.к. изменяется соотношение поверхностных и объемных (внутренних) атомов.
Поскольку приповерхностный слой инструмента можно рассматривать как систему дефектов, обладающих различной структурой и отличающихся химическим составом, то все атомы можно рассмотреть как систему атомов, относящихся к поверхностным и внутренним атомам частиц различной формы. При этом поверхностные атомы будут обладать меньшей температурой плавления по сравнению с внутренними атомами. По этой причине при выполнении условия (2.48) плавление начнется на вершинах, ребрах, поверхностях частиц неустойчивых форм, составляющих приповерхностный объем. Образование жидкой фазы сопровождается формированием в ней плотных метастабильных группировок атомов с более высокой локальной устойчивостью и иной, отличной от кристаллической, симметрией упорядочения. При этом группировки могут участвовать в осцилля-циях и диффузионных движениях единой агрегацией.
Кроме того, усиленные колебательные процессы, возникающие при поверхностной рекомбинации, будут способствовать смещению в объем адсорбированных поверхностных атомов, а также к возрастанию обменных процессов на границах фаз различного химического состава, т.е. усилению процессов взаиморастворения.
Таким образом, исходная твердая фаза приповерхностного слоя в результате поверхностной рекомбинации в процессе зарождения локального плавления на неустойчивых элементах и формах частиц при температурах ниже температуры плавления массивного вещества, переходит из макроскопического устойчивого состояния в микроскопическое устойчивое флуктуационно-кластерное состояние с преобладанием в жидкой фазе металла плотных кластеров, прошедших стадию изомеризации. При этом слой фазы, не имеющей строгую структуру дальнего порядка, вблизи частиц: – постепенно утолщается; – при этом объем твердой составляющей ядра уменьшается вплоть до полного расплавления; – химический состав изменяется в результате растворения включений отличного химсостава и адсорбированных атомов, смещенных в объем. Более того, значительное переохлаждение образовавшихся расплавленных поликристаллических агрегаций при резком охлаждении сохранит их устойчивость в переохлажденном расплаве.
В процессе поверхностной рекомбинации в поверхностном слое толщиной, на которой выполняется условие (2.48), создаются предпосылки формирования областей, не имеющих строгую структуру дальнего порядка.
Рассмотрим поведение поверхностного атома получившего в процессе рекомбинации энергию, достаточную для его смещения из положения равновесия. В результате трехчастичной рекомбинации на поверхностных атомах Лаов и 5адс произойдет их перемещение в приповерхностный объем материала за счет выделившейся энергии Wj, перешедшей в начальную кинетическую энергию атомов. Влетающие атомы АП0Б и #адс, двигаясь от поверхности материала, взаимодействуют с орбитальными и свободными электронами вещества, ионными остовами кристаллической решетки. В результате упругого и неупругого взаимодействия с веществом происходит обмен энергией между электронными и ионными подсистемами влетающих атомов и окружающей среды, вызывающий торможение перемещающихся атомов. При этом переданная энергия выделяется как точечный тепловой пик в некотором локальном объеме в зоне трека перемещения. Энергия от перемещающихся атомов, полностью без потерь передается расположенным вдоль трека атомам в виде колебательных квантов, что ведет к интенсивному разогреву приповерхностного слоя. Возникшее градиентное температурное поле способно интенсифицировать массоперенос в случае, если движущиеся частицы передают атомам решетки энергию, превышающую порог смещения. Это инициирует интенсивное перемешивание и формирование каскадов смещений и замещений, т.е. возникает динамическое перемешивание. Такие процессы наиболее интенсивно будут протекать по границам структурных дефектов приповерхностного слоя (включая защитное покрытие). В случае, если приповерхностный слой имеет многокомпонентной состав, то смещение атомов может привести к локальному изменению химического состава, т.е. привести к локальному нарушению порядка, как в структуре, так и химическом или композиционном упорядочение атомов.
В отличие от обычной термической диффузии каскадное перемешивание может приводить к выравниванию концентрации дефектов и других неоднород-ностей.
Необходимо отметить, что энерговыделение, происходящее в единичном акте перемещения, зависит от однородности химического состава инструментального материала и исходной плотности поверхностного слоя, поскольку в рыхлых неплотных материалах нарушается механизм эффективного взаимодействия перемещающихся атомов с веществом и, следовательно, эффективность передачи энергии от перемещающегося атома атомам приповерхностного слоя. Кроме того, как отмечается в [106, 107], возникающие цепочки столкновений в каскадах смещений эффективно распространяются в направлении наибольшей линейной плотности атомов.
Похожие диссертации на Научные основы обеспечения качества процесса низкотемпературной плазменной модификации рабочей части металлорежущего инструмента
