Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие нанотехнологий является одним из приоритетных направлений российской науки.
Используемая в работе ультразвуковая поверхностная обработка (УЗО) позволяет обрабатывать массивные детали и получать наноструктуру в поверхностном слое с минимальным размером зерна 5-Ю нм и повышать уровень микротвердости поверхности в два раза.
Несмотря на то, что для описания структурных аспектов упрочнения разработано большое количество моделей (Алехин В.П., Ким Ч.С.), природа динамики ультразвукового упрочнения окончательно не установлена.
С точки зрения термодинамики, повышение твердости поверхностных слоев после проведения УЗО обусловлено наличием приповерхностного градиента повышенной плотности дислокаций и соответствующего поля внутренних остаточных напряжений. Градиент напряжений вызывает изменение химпотенциала приводящее к образованию направленного диффузионного потока примесей внедрения из объемных внутренних слоев материала в его приповерхностные слои. Осаждающиеся на дислокациях быстродиффундирующие примеси внедрения (углерод, азот, кислород, водород) приводят к более жесткому их закреплению, по механизму Котгрелла, т. е. дополнительному упрочнению поверхностного слоя за счет процесса деформационного старения (ДС).
Однако, несмотря на работы связанные с диффузией элементов внедрения не было упоминаний о диффузии легирующих элементов замещения, например, таких как хром, концентрация которых как показано в данной работе, на поверхности значительно превосходит концентрацию элементов внедрения.
Недостаточно изучены механизмы получения наноматериалов и механизмы измельчения зерна до наноразмеров. В настоящей работе на основании моделирования отклонения от соотношения Петча-Холла и модели «вакансиошюго насоса» выдвигается гипотеза о диффузионно-дислокационном механизме наноструктур ирования.
Цель работы. Целью данной работы явилось установление механизма формирования наноструктуры в твердом растворе (Cr-С), образовавшейся в
3 \ -J. '
результате явления «восходящей диффузии» элемента замещения - Сг при УЗО на поверхности стали 45 и ее свойств с использованием:рентгенографического, электронномикроскопического и метода кинетического измерения микротвердости. Для достижения намеченной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:
методом электронной микроскопии высокого разрешения провести исследования
наноструктуры после ультразвуковой обработки и подтвердить образование
наноструктуры;
на основании анализа профиля рентгеновских дифракций с использованием программы Winflt провести исследования распределения ОКР по размеру;
рентгеновским и рентгеноспектральным методами изучить эволюцию фазового состава от поверхности в глубину обрабатываемого материала и установить глубину поверхностного слоя, подвергнутого деформации;
исследовать особенности развития текстуры в стали 45 по глубине при УЗО обработке;
методом кинетического наноиндентирования изучить механические характеристики стали 45 после УЗО;
смоделировать соотношение Петча-Холла и выдвинуть гипотезу о механизме
измельчения зерна методом УЗО;
рассчитать глубину продвижения вакансионного фронта в стали 45 на основании
решения уравнения диффузии и модели «вакансионного насоса».
Научная новизна:
впервые методом электронной микроскопии высокого разрешения и
рентгеновским методом анализа подтверждена возможность получения
наноструктуры в поверхностных слоях стали 45 методом УЗО;
рентгеновским методом анализа получено аналитическое выражение и
рассчитаны объемные доли распределения областей когерентного рассеяния по
размеру на поверхности стали 45 после УЗО;
методами рентгеновского, рентгеноспектрального анализа и электронной
микроскопии с микрозондовым анализатором установлено формирование в
поверхностных слоях стали 45 наноструктуры твердого раствора углерода в хроме,
связанное с восходящей диффузией хрома после УЗО;
впервые изучена текстура, формирующаяся в процессе УЗО в стали 45;
предложена модель «вакансионного насоса», объясняющая механизм
наноструктурирования;
Практическая значимость работы заключается в том, что обнаруженное явление реактивной диффузии хрома при проведении УЗО может быть использовано для получения высокопрочного хромуглеродного наноструктурного покрытия поверхности стали 45.
Основные положения, выносимые на защиту.
особенности эволюции фазового состава поверхности после проведения ультразвуковой обработки;
установление зависимости твердости от размера зерна после УЗО;
закономерности формирования текстур после УЗО;
выдвижение гипотезы о механизме образования наноструктур при УЗО. Объем и структура работы. Диссертационное исследование состоит из
введения, пяти глав, заключения, перечня цитируемой литературы. Оно изложено на 150 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц и 53 рисунка. Список литературы включает 92 наименования.
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на Российских и международных конференциях:
4 российско-японском семинаре "Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро - и наноэлектроники" ULVAC Inc. АГУ 22-23 мая 2006 года Астрахань-АГУ;
6 Международной научно-практической конференции "Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий" 20-24 ноября 2006 г, Москва. МГИУ;
- 7 Международной научно-практической конференции «Молодые ученые -
промышленности, науке, технологиям и профессиональному
образованию:проблемы и новые решения» 19-23 ноября 2007 г, Москва. МГИУ;
-Ежегодная конференция молодых ученых ИМЕТ РАН 2006, 2007г;
-Международная конференция ICFM Симферополь 2007(секция нанотехнологии).
Достоверность результатов обеспечена совпадением результатов 3-х
независимых методов исследования - рентгенографического,
микрорептгеноспектрального и метода кинетического индентирования, а так же большой статистикой экспериментальных данных и растровой сканирующей электронной микроскопией с микроанализатором.
Публикации По теме диссертации опубликовано 16 работ в научных журналах и сборниках трудов Международных и Российских конференций, совещаний и семинаров, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах.
