Введение к работе
Актуальность темы. Высокие требования, предъявляемые к современным металлическим материалам, стимулируют поиск и разработку новых, нетрадиционных способов оптимизации свойств металлов и сплавов. Большой интерес представляют основанные на последних достижениях науки и техники методы модифицирования поверхности материалов концентрированным радиационным воздействием, в том числе - метод ионной имплантации. В настоящее время наблюдается значительный рост объёма исследований, связанных с ионно-лучевым модифицированием металлических материалов. Попытки использовать ионную имплантацию для совершенствования поверхностно-чувствительных свойств ряда металлов и сплавов привели к формированию новой технологии -имплантационной металлургии.
Среди модифицируемых ионно-лучевым воздействием металлических материалов большое практическое значение имеют железоуглеродистые сплавы. Облучение этих относительно доступных и распространённых материалов ионами химически активных металлоидов позволяет значительно улучшать механические и три-Оологические свойства их поверхности. Однако механизмы такого упрочнения неоднозначны, сложны и к настоящему времени недостаточно изучены. Особенно это касается чугунов, которые практически не изучались с точки зрения перспектив ионно-лучевого модифицирования. Для надбкного прогнозирования результатов имплантации в железоуглеродистые сплавы и контроля над свойствами модифицируемых материалов необходимо использовать новейшие средства исследования, чтобы получить ясное представление о всём многообразии процессов, происходящих в этих сложных и неоднородных металлических системах при ионном облучении. Важное значение для понимания радиационно-индуциро-ванных процессов в железоуглеродистых сплавах и для последующей оптимизации режимов их обработки имеет структурно-фазовый анализ модифицированных радиационным воздействием поверхностных слоев данных материалов.
Эффективным инструментом исследования железосодержащих сплавов является ядерная гамма-резонансная (мбссбауэровская)
- A -
спектроскопия. Благодаря высокому энергетическому разрешению она позволяет фиксировать сверхтонкие взаимодействия, отражающие природу локального окружения резонансных ядер Ре57, и, следовательно, получать информацию о структурно-фазовых особенностях объектов исследования на атомно-микроскопическом уровне. Для исследования тонких ионно-имллантированных слоев, представляющих собой приповерхностные области сплавов, непрозрачных для мёссбауэровского гамма-излучения, наиболее преем-лемой является методика измерения мбссбауэровских спектров в геометрии обратного рассеяния, основанная на регистрации электронов внутренней конверсии или характеристического рентгеновского излучения. В этом случае высокую информативность мёссбауэровских спектров можно дополнить возможностью селективных по глубине измерений.
Однако, мбссбауэровская спектроскопия ионно-имплантированных сплавов железа и, в частности, чугунов сталкивается с проблемой сложных, слаборазрешенных мбссбауэровских спектров, причиной которых яляется многофазность и многокомпонентность объектов исследования, а также наличие радиационных нарушений в их структуре. Анализ подобных спектров, представляющих собой суперпозицию большого числа смещенных друг относительно друга и сильно перекрывающихся линий, весьма затруднен и требует развития специальных математических методов, ориентированных на современные средства вычислительной техники.
Цель работы. Экспериментальное исследование, преимущественно средствами мессбауэровской спектроскопии, структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях графитных чугунов, происходящих при облучении их ионами азота и определяющих модификацию эксплуатационных свойств данных материалов. При выполнении работы решались следующие задачи:
-
Освоение и развитие математических методов модельно-независимой, квазинепрерывной аппроксимации мбссбауэровских спектров сложных, разупорядоченных металлических систем. Разработка пакета компьютерных программ по обслуживанию мбссба-уэровской спектроскопии сплавов железа.
-
Построение аналитической модели конверсионно-электронных мбссбауэровских спектров для облучённых ионами азота
графитных чугунов. Структурно-фазовый анализ модифицированных радиационным воздействием поверхностных слоев данных материалов .
3. Изучение влияния формы графитных включений и режимов имплантации ионов азота на процессы фазообразования и свойства чугунов. Выяснение механизмов радиационного упрочнения их поверхности.
Научная новизна. Впервые методом конверсионно-электронной мбссбауэровской спектроскопии исследован фазовый состав поверхностных слоев графитных чугунов, облученных ионами азота, и установлена зависимость этого состава от плотности графитных границ в чугуне и режимов имплантации ионов азота.
Впервые показано влияние плотности ионного тока на индуцируемые облучением процессы фазообразования в чугунах. Определены основные причины упрочнения поверхности чугунов при ионном облучении и выявлены доминирующие механизмы в динамике фазообразования.
На основе известного метода регуляризации разработан модифицированный метод квазинепрерывной аппроксимации, позволяющий осуществлять модельнонезависимую обработку асимметрично уширенных мёссбауэровских спектров посредством восстанавления из них функций плотности вероятности параметров сверхтонкого взаимодействия.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней показана возможность значительного улучшения механических и трибологических свойств поверхности графитных чугунов при ионном облучении. Это закладывает основу для возможной замены дорогостоящих металлических материалов более дешёвыми и доступными металлическими сплавами, поверхность которых модифицирована ионно-лучевым воздействием.
Полученные в работе результаты могут быть использованы для прогнозирования структурно-фазового состояния и свойств поверхностных слоев чугунов, облучённых ионами азота, что позволяет оптимизировать режимы облучения. Кроме того, полученные результаты могут способствовать дальнейшему развитию фундаментальных представлений металлофизики и радиационной физики твёрдого тела.
- б -
Положения выносимые на защиту.
-
Модифицированный метод квазинепрерывной аппроксимации мбссбауэровских спектров.
-
Результаты мёссОауэровских исследований поверхностных слоев чугунов, облучённых ионами азота.
-
Зависимость фазового состава поверхностных слоев чугунов от дозы облучения и марки материала.
-
Результаты механических и трибологических испытаний чугунов и механизмы радиационного упрочнения их поверхности.
-
Результаты исследования влияния плотности ионного тока на процессы фазообразования в серых чугунах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на VIII Международной конференции по сверхтонким взаимодействиям (Прага, 1989 г.), Латиноамериканской конференции по применению эффекта Мбссбауэра (Куба, Гавана, 1990 г.), I и IV совещаниях по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Москва, 1985; Ужгород, 1991 г.), III Всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом (Ужгород, 1985 г.), Всесоюзной конференции "Прикладная м5ссбауэровская спектроскопия" (Казань, 1990 г.), Российской научно-технической конфернции "Применение мёссбау-эровской спектроскопии в материаловедении" (Ижевск, 1993 г.), Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" (Наб.Челны, 1995г.), IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объбм работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 141 страницах, включая 23 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 110 наименований.
