Введение к работе
Актуальность. В настоящее время одной из основных проблем физики твердого тела и материаловедения является создание металлических материалов с заданным комплексом свойств.
Для машин и конструкций работающих при низких температурах необходимо обеспечить такие свойства как прочность в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью. С понижением температуры прочностные характеристики растут, а вязкость и пластичность уменьшается.
Для многих сплавов, преимущественно с ОЦК-решеткой, в области достаточно низких температур, наблюдается самопроизвольная потеря устойчивости к разрушению в условиях незначительной внешней нагрузки.
Единого мнения о причинах потери устойчивости к разрушению при низких температурах на сегодняшний день кет. Существующие гипотезы условно можно разделить на четыре группы. К первой относятся все случаи потери устойчивости к разрушению, являющиеся следствием дефектности среды. Вторая группа включает все эффекты охрупчивания связанные с фазовой и химической гетерогенностью среды. В третью входят любые динамические нагрузки, связанные с высокими скоростями охлаждения. Четвертая группа включает все физические эффекты, ограничивающими при низких температурах каналы релаксации напряжений.
Не смотря на то, что влияние различных факторов, вызывающих разрушение сплавов, достаточно хорошо изучены, физические условия перехода из вязкого состояния в хрупкое еще до конца не выяснены.
Разрушение начинается с разрыва межатомных связей. Известно что пластическая деформация может протекать только в металлах только вследствие наличия ненаправленной металлической связи осуществляемой коллективизированными электронами. Неметалличес кие кристаллы с направленной ковалентной или ионной связью мезд атомами не могут пластически деформироваться и в обычных услови ях разрушаются хрупко. Высказываются гипотезы, что склонност материала к хрупкому разрушению зависит от характера мехатомны сил связи и электронной структуры металла.
Таким образом, более глубокое изучение процессов протекаю щих в реальных сплавах при низких температурах связано с изуче нием изменений происходящих в их электронной структуре.
В связи с этим особую актуальность приобретают работы г изучению электронного строения и типа химической связи в сплавг подверженных низкотемпературной хрупкости с использованием мете да рентгенозлектронной спектроскопии (РЭС) . Возможности ренти
НОЭЛеКТрОННОЙ СПеКТрОСКОПИИ ДелаЮТ ЄЄ ПерСПеКТИВНЫМ МеТОДОМ И35
чения изменения электронной структуры хладноломких сталей сплавов и выяснения причин перехода материала из вязкого coctos
НИЯ Б Хрупкое.
Работа выполнена в соответствии с планом программ фундамеї тальных исследований РАН "Физика твердого тела". Госбюджет гос. регистрации 01.9.40.003591.
Делыо работы является изучение методом рентгеноэлектронной пектроскопии электронной структуры, изменений в химической свя-и элементов сплавов на основе железа при понижении температуры о интервала хладноломкости в зависимости от содержания легируга-jtx элементов (Cr.Ni) и металлоидов (Si,С).
В соответствии с поставленной целью з работе решались сле-ующие задачи:
1. Расширение области применения метода для исследования имической связи элементов при понижении температуры до 147К:
а).Выбор энергии возбуждающего излучения с целью выявления вменений в спектрах валентных полос при изменении типа химичес-ой связи.
б) Создание приспособлений для охлаждения до температуры
эдкого азота и очистки поверхности образцов от загрязнений в
верхвысоком вакууме
в) отработка методики получения спектров при понижении гем-
ературы до 147К.
2 Исследование влияния добавок легирующих элементов Ni,Cr), металлоидов (С,Si) на электронную структуру и тип хими-еской связи атомов железа в сплавах при понижении температуры иже температуры хрупкого перехода.
В качестве основных объектов исследования выбраны сплавы на основе of-железа следующего состава:
Fea + 2.7 ат.% Si
Fea + 0.2 ат.І С
Fea + 3.8 ат.Х Ni
а также сталь ВНС2,( содержащая не более 14,1% хрома)
- б -
Выбор сплавов и сталей такого состава обусловлен тем, что до настоящего времени ке выяснен механизм влияния легирующих элементов и металлоидов на склонность материалов к хрупкому разрушению. Легирование кремнием, углеродом, хромом и никелем при определенных концентрациях по-разному влияет на ударную вязкость: легирование железа никелем 4% повышает, а кремнием 2.7% , углеродом Q.2%. , хромом 14% , понижает сопротивление железа хрупкому разрушении, [1]. С другой стороны, известно, что тип атомов второго компонента определяет электронное строение металлических систем [2-43.Так как большинство физико-механических характеристик материала определяется его электронным строением, то физическую причину появления склонности к хрупкому разрушению при легировании, по-видимому, нужно искать в изменении сил межатомной связи.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
1. Разработана методика исследования изменения электронной
структуры сплавов на основе железа при температурах до 147К.
2. Впервые получены спектры валентных полос сплавов на ос
нове железа при понижении температуры до 147К.
3. Исследовано влияние добавок металлоида и легирующего эле
мента на рентгенозлектронные спектры валентных полос сплавов же
леза в температурных областях хрупкого разрушения. Впервые пря
мым экспериментальным методом установлено, что в интервале хлад
ноломкости для сплавов с добавками Si, С, Сг происходит увеличе
ние гибридизации d-электронов железа с dfp)-электронами легирую
щего элемента или металлоида.
4.Показана обратимость происходящих при низких температурах [вменений электронной структуры сплавов на основе железа.
5.Для стали ВНС2 показана зависимость гибридизации валент-шх электронов при температуре 233К от термообработки, приводили к различной степени расслоения по хрому.
6. Уменьшение отношения вклада металлической составляющей в :имической связи атомов железа к ковалентной коррелирует с паде-іиєм ударной вязкости при переходе в хрупкое состояние.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
і. Увеличение ковалентной составляющей химической связи в :-плавач с добавками Si, С, Сг за счет гибридизаций d-электронов ломов железа с р или d-электронами атомов, металлоида или леги->ущего элемента в температурном интервале хладноломкости. 06-іатимость изменения электронной структуры при -температуре ниже емперагуры хрупкого перехода.
2. Уменьшение отношения вклада металлической составляющей ілектронной плотности к ковалентной коррелирует с падением удар-гай вязкости при переходе в хрупкое состояние.
Научная и практическая ценность:
Расширена область применения метода рентгеноэлектронной щектроскопии для исследования типа химической связи при пониже-:ии температуры в сталях склонных к хладноломкости.
Результаты изучения изменения электронной структуры иссле-уемых сплавов при понижении температуры указывают пути решения адач повышения хладостойкости.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: Региональном совещании "Современные методы исследования в металловедении" (Устинов,1338), XV Всесоюзном совещании по рєнтгєнозлєктроннай спектроскопии (Ленинград, (1988), Всесоюзной конференции "Анализ 90" (Ижевск, 1990), XIII Всесоюзной школе-семинаре "Рентгеновские и рентгено-злектронные спектры и химическая связь" (Ростов-на-Дону, 1992), 6-th International conference on Electron Spectroscopy (Kiev, 19S3), I Российской универоитетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1993), 7-th International Conference on Electron Spectroscopy (Rome, 1995), III Международной школе-семинаре EDS* 96 (Барнаул, 1996), Международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996)
Публикации. Основные результаты опубликованы в печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, " таблицы и список литературы из 83 наименований.
