Введение к работе
Актуальность и сущность проблемы. В последние десятилетия ученые разных стран, работающие в области технических наук, все более склонны выделять процессы, происходящие у поверхности метгллов и металлических сплавов при различных методах их обработки, з самостоятельное перспективное научное направление. Недавно появившийся термин "инженерия поверхности" объединяет особые физические, химические, механические и другие явления, обусловленные эффектом свободной поверхности. Нетривиальность протекающих здесь процессов требует новых научных подходов, подчас идущих в разрез с классическими представлениями, сложившимися на оснозе исследования процессов в объеме металла.
Наиболее интересным в научном плане и многообещающим в техническом отношении представляется изучение поверхностных явлений при её обработке концентрированными потоками энергии (КПЭ): лазерная, электроннолучевая, плазменная, электродуговая, индукционная с концентрацией магнитного потока и другие. Многие виды такой обработки формируют на. поверхности детали специфический "белый слой" (БС), структура которого не выявляется при стандартном металлографическом травлении. БС обладают уникальным сочетанием твердости (до 12 ГПа для Fe-C-сплавов) и коррозионной стойкости (у БС стали коэффициент торможения коррозии в НСІ более 20). Помимо обработки КПЭ, они могут быть сформированы на поверхности металла и другими способами (резанием, сваркой встык под давлением, циклическим нагружением, детонационным воздействием и др.). Проблема физической природы БС привлекала внимание таких известных ученых, как А.Ф.Головин, В/Д.Садовский, Г.В.Самсонов, Ю.А.Геллер, Л.С.Кремнев, Л.С.Палатник, И.М.Любарский, Ю.И.Бабей. Однако подавляющее большинство из немалого общего числа публикаций о БС рассматривает их в рамках того технологического способа, которым БС был получен. Классификационной систематизации БС на настоящий момент не существует. Попытки обобщения эмпирического материала на основе идеи единой природы процессов и превращений, формирующих БС, были очень немногочисленны, не отличались системностью подхода, строгостью моделей и количественных оценок, не обеспечивали возможность прогнозирования поведения БС при эксплуатации. Это характерный результат использования теоретического аппарата равновесных процессов и превращений. Выводы таких исследований, несмотря на,богатый .экспериментальный материал, оказываются слишком общими или тривиальными, не вносят ясность в вопрос о природе БС и оставляют нас перед закрытой дверью, за которой находятся специфические атомные, субструктурные, диссипативные и др. механизмы и процессы, формирующие эволюционный структурный скачок - феномен БС.
Крэлаз того, высокий уровень метастабильности, который является причиной повышенной склонности БС к релаксации (в виде разупрочнения или трещинообразования), снижает прикладной интерес к БС, ограничивает их ресурсы и области промышленного использования. Между тем большой экспериментальный материал по- формированию БС при обработке поверхности металла КПЭ, накопленный в последние годы на кафедре "Физическое и прикладное материаловедение" ДГТУ, где выполнена работа, - показывает, что рациональное применение структуры БС, как продукта упрочняющих технологий, значительно повышает износостойкость самых разнообразных изделий в зоне контакта.
В этой связи представляется актуальным использовать современные знания в области термодинамики неравновесных процессов, теории диссипативных систем, синергетики, фрактального материаловедения и др. для описания феномена БС, как существенно неравновесного процесса фазовых превращений и структурообразования, что, на наш взгляд, характеризует концептуально новый подход к физической природе БС и позволяет сделать получение и использование БС управляемыми процессами. '
Поэтому в диссертации предпринята попытка решения проблемы БС
на основе анализа неравновесных субструктурных процессов с целью прогнозирования и контроля метастабильных состояний поверхности.
Основные результаты работы получены в период 1996-2000 гг. в лабораториях кафедры "Физическое и прикладное материаловедение" ДГТУ в процессе выполнения фундаментальных и поисковых НИР, финансируемых Министерством образования РФ по единому наряду-заказу ДГТУ из средств федерального бюджета 1998 года программы "Кинетическая теория гипернеравновесных фазовых переходов в сталях", в качестве одногб из этапов которой исследовалась проблематика "белых слоев"; а также при финансовой поддержке гранта РГТУ-МАТИ им.К.Э.Циолковского 1998-2000гг., присужденному конкурсным центром по фундаментальным исследованиям в области технологических проблем производства авиакосмической техники.
Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование физической природы БС на основе фундаментальной научной гипотезы о ведущей роли уровня дефектов кристаллического строения металла в процессах существенно неравновесного формирования структуры при воздействии КПЗ, а также разработка на этой основе базовых принципов управления процессами получения БС и прогнозирования их поведения в условиях промышленного использования.
Целевое направление работы предусматривает постановку следующих основных задач.
1. Систематизация эмпирического материала, связанного с БС, с целью определения их типологии и конкретизации объекта исследований.
-
Комплексное металлофизическое исследование с разработкой количественных критериев оценки структурной и субструктурней организации БС, полученных при воздействии КПЭ.
-
Теоретическая аргументация принятой научной гипотезы в в:;де нахождения атомных и субструктурных механизмов, реализующих специфические эффекты фазовых и структурных превращений и обладающих дополнительными каналами диссипации энергии в неравновесных условиях.
-
Создание физической модели, включающей кинетическое, термодинамическое, кристаллографическое описание, и базирующейся на математическом аппарате количественных оценок развития неравновесных превращений и процессов формирования существенно метастабильньк структур (в том числе и БС).
-
Исследование на основе разработанной физической модели взаимосвязей между механизмами протекания субструктурных процессов и характерными особенностями макроструктуры и свойств БС (высокой твердостью и коррозионной стойкостью). Поиск коррелятов уникальных свойств БС в области их субструктуры.
-
Изучение особенностей поведения метастабильной структуры БС в условиях эксплуатации с оценкой перспектив и- областей применения. Обобщение материала в виде формулирования общих принципов прикладного использования БС в упрочняющих технологиях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих новых научных результатов, которые выносятся на защиту:
-
Впервые проведена классификация БС на основе общих признаков структурообразования, позволившая выделить в качестве объекта исследования работы кристаллические БС с единой природой субструктурных процессов, независимых от технологических способов получения БС. Для количественной оценки субструктуры сплава предложен критерий коррозионной стойкости металла, позволяющий характеризовать кристаллические БС как класс сплавов с особой организацией субструктуры. Отличительная классификационная особенность такого сплава - высокое общее содержание сдвиговых и ротационных дефектов при относительно равномерном их распределении, без образования локальных устойчивых конфигураций с высокой плотностью энергии.
-
Предложен новый подход к изучению процессов формирования метастабильных структур при поверхностной обработке КПЗ, основным уровнем описания которого является уровень дефектов кристаллического строения металла. Показано, что при плотности дефектов, характерней для БС, этот уровень становится доминирующим в неравновесных процессах структурообразования.
-
На базе этого подхода созданы: теория особенностей неравновесных фазовых переходов и частная теория неравновесных зернограничных
превращений, в соответствии с которыми при существенно неравновесных условиях нагрева и охлаждения происходит образование структуры БС:
Впервые на основе обширного теоретического анализа и сопоставления его результатов с данными эксперимента, а таюке на базе оценочных расчетов, дана всесторонняя, количественно обоснованная характеристика неустойчивого пути развития фазовых и структурных превращений в сплаве, приводящих к формированию БС: неустойчивость атом-вакансионного состояния, неравновесные вакансионно-дислокационные взаимодействия, неустойчивость дислокационных конфигураций, неравновесные фазовые переходы при их инициации и протекании на субструктурном уровнср, диссипативный характер субструктурных процессов, нетривиальная упорядоченность получающейся существенно метсстабильной структуры (БС). Впервые изучены зернограничные трансформации при образовании БС. Показаны и описаны специфические неравновесные механизмы зернограничных превращений с жесткой иерархией, приводящие к возникновению системы ротационных дефектов. Отмечены дополнительные диссипативные каналы этих процессов и их вклад в общий уровень метастабильности БС. Выведены уравнения для условий работы этих механизмов (температурные интервалы, критические значения приведенной скорости охлалздения, необходимые вакансионные пересыщения).
4. На основе данных электронно-микроскопического и
рентгеноструктурного анализа впервые проведено комплексное изучение
кинетики, динамики и кристаллографии эволюции дислокационной
структуры сплава в условиях существенно неравновесного энергетического
воздействия. Показано и описано возникновение дипольной дислокационной
структуры и её диссоциация. Получены ранее неизвестные сведения о
механизме неравновесных фазовых превращений и формировании таких
метастабильных структур, как "белый слой", в среде с дипольной
дислокационной организацией субструктуры.
-
Экспериментально установлено существенное отличие тонкого строения мартенсита БС от мартенсита объемной закалки: размерами (резкое измельчение), определенной ориентацией относительно поверхности, специфической морфологией (узкие, сильно вытянутые в определенном кристаллографическом направлении кристаллы, напоминающие мартенсит деформации), расположением основного габитуса, значительным увеличением показателя фрактальности. Также экспериментально подтверждена общая -тенденция неравновесных процессов структурообразования в виде увеличения степени фрактальности структурных элементов (высокоугловых границ, мартенситных кристаллов), характеризующая диссипативный характер процессов и превращений.
-
Термодинамическим анализом показано, что некогерентные включения в зоне воздействия КПЭ способны к самостоятельному формированию локальных БС и более интенсивному, чем когерентные или
частично когерентные включения. Выведены аналитические выражения, разграничивающие условия формирования локальных БС вокруг включений и БС в объеме тепловыделения КПЭ, которые показали удовлетворительное соответствие экспериментальным данным.
7. Получены предельные значения параметров неравновесности и поверхностном слое металла, необходимые для формирования кристаллического БС в стали при отсутствии оплавления (градиент температуры не менее 106 С/м и скорость охлаждения более Ю4 С/е). Установлено, что эти условия примерно соответствуют обработке КПЭ с поверхностной плотностью мощности 50...120 кВт/см2, а наиболее пояііо характеризуются интегральным параметром - приведенной скоростью охлаждения, для которой найдены расчетные выражения.
Практическая ценность и реализация работы
промышленности. Выполненное исследование позвонило
сформулировать базовый принцип управления неравновесным структурообразованием в поверхностном слое - путем регулирования исходной субструктуры сплава формированием определенных дислокационных конфигураций предварительной термической, механической и другими способами обработки (предшествующими воздействию КПЭ).
По результатам прикладных исследований определены параметры и режимы обработки металла КПЭ для получения БС, сделана характеристика их поведения в условиях эксплуатации и очерчен круг отраслей техники и промышленности для эффективного использования БС.
Выполненная работа позволяет целенаправленно формировать структуру кристаллического БС на поверхности стальных изделий при воздействии КПЭ на основе предложенных в диссертации универсальных параметров: например, технологический параметр - плотность мощности поверхностного теплового источника или интегральная величина, упрощающая многопараметрические технологические режимы лазерной, плазменной, индукционной и других' видов обрабога. КПЭ, - приведенная скорость охлаждения, связывающая теплофизическио характеристики сплава, тип источника нагрева и исходную субструктурную организацию металла. Технологическая, реализация этих параметров осуществлена на оборудовании импульсного лазерного облучения и обработки ТВЧ с концентрацией магнитного потока, что дает возможность стабильно получать кристаллический БС глубиной в несколько десятков или сотен мкм. Между тем как аморфный или ультрадисперсный БС, полученный из жидкого состояния, будет иметь (для металлов) пленочную толщину в несколько мкм, что предполагает довольно ограниченное его применений для упрочнения поверхности.
Эффективность работы БС в качестве упрочняющего компонента определяется исключением возможности релаксации его высокой метастабильности. На основе этого принципа в работе определены области эксплуатации типовых изделий со структурой БС для сталей конкретного
химического состава и исходной структуры: резцов, фрез, сверл, фильер, протяжек, калибров-пробок, пуансонов для холодной штамповки, направляющих станков и пусковых установок ракет, поршневых колец двигателя внутреннего сгорания и других.
Разработанные технологические процессы формирования структуры БС на перечисленных деталях машиностроения и инструментального производства апробированы и внедрены со значительным экономическим эффектом на предприятиях черной металлургии, машиностроительного и оборонного комплекса: Бело-Калитвенский металлургический завод (1988г.), ПО "Ростсельмаш" (г. Ростов-на-Дону, 1988г.), ООО "Завод специализированного инструмента и технологической оснастки" (г. Ростов-на-Дону, 1998г.), ГУП ПО "Азовский оптико-механический завод" (1998г.), ФГУП ВНИИ "Градиент" (г. Ростов-на-Дону,- 1999г.), ОАО "Красный Аксай" (г.Ростов-на-Дону, 1999г.), ОАО КПО "Донпрессмаш" (г. Азов, 1999г.).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе d виде содержательной части текста лекций, учебных пособий, раскрывающих особенности методов поверхностного упрочнения материалов с использованием источников КПЭ при чтении курсов "Материаловедение", "Теория и практика термической обработки металлов", "Теория металлов и управление качеством их обработки", "Механические сройства и испытания материалов", "Упрочняющие технологии и защитные' покрытия металлических изделий".
Ап.ообзция работы. По материалам диссертации опубликовано 45 научных работ, в том числе в таких изданиях, как журналы "Известия РАН. Металлы", "Материаловедение", "Физика и химия обработки материалов", "Известия вузов. Черная металлургия", "Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки", а также в межвузовских сборниках научных трудов.
Основные научные положения работы представлялись и обсуждались в период с 1988 г. по 2000 г. на 25-ти международных, всесоюзных, общероссийских и региональных научно-технических конференциях и семинарах, а также на семинарах и научно-технических конференциях вузов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 361 странице текста, содержащего 120 рисунков и 9 таблиц, и состоит из введения; 11 глав основной части; заключения, содержащего общие выводы; библиографического списка из 295 наименований цитируемых источников; приложений, содержащих расчетные данные, математические аспекты специального анализа и акты внедрения в производство технологических процессов получения структуры БС при воздействии КПЭ
