Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Высокомарганцовистая сталь 8
1.1 Современное представление о механизмах самоупрочнения стали
1.2 Диаграммы состояний сплавов на основе железа и марганца. Влияние марганца на сталь
1.3 Кристаллическая структура (3-марганца 18
1.4 Структуры Франка-Каспера 19
1.5 Особенности пластической деформации стали 110Г13Л 21
1.6 Изменение структуры межзеренных границ в стали 110Г13Л
при пластической деформации в процессе эксплуатации деталей 23
1.6.1 Современные представления о границах зерен 23
1.6.2 Модели структуры границ зерен в стали 110Г13Л 24
1.6.3 Элементы теории сдвиговой трансформационной зоны 28
1.6.4 Супер-Аррениусовская релаксация 30
1.7 Влияние механических нагрузок на магнитные свойства аустенитных сталей 31
1.7.1 Основные типы магнитного упорядочения, характерные для сплавов на основе железа 32
1.7.2 Напряжения, возникающие в магнитных материалах при пластической деформации 34
1.7.3 Влияние деформации на магнитную структуру стали 110Г13Л 34
1.7.4 Обменная анизотропия в аустенитных сталях 37
Выводы по 1 главе 38
Глава 2 Образцы и методы исследования 40
2.1 Образцы для исследования 40
2.2 Метод оптической микроскопии 41
2.3 Определения параметров микроструктуры 42
2.4 Методы испытания механических характеристик 43
2.5 Метод наименьших квадратов 45
2.6 Методы электронной микроскопии. 46
2.7 Метод рентгеноструктурного анализа 49
2.7 Метод рентгеноспектрального флуоресцентного анализа 49
2.14 Методы измерения магнитных характеристик
Глава 3 Структура и магнитные свойства стали 110Г13Л 53
3.1 Структура стали 110Г13Л 53
3.1.1 Металлографическое исследование структуры стали 110Г13Л 53
3.1.2 Анализ фазового состава с помощью рентгеноструктурного анализа 69
3.1.3 Влияние лазерного воздействия на структуру стали 110Г13Л 73
3.1.4 Моделирование процессов, протекающих в областях локализации деформации на тонко пленочных образцах стали 79
3.1.5 Анализ поверхности разрушения стали после испытаний на ударную вязкость 83
Выводы по 3 главе 103
Глава 4 Изменение магнитной структуры стали в процессе ее эксплуатации 104
4.1 Изменение коэрцитивной силы в стали под действием динамической нагрузки 104
4.2 Изменение величины крутящего момента под действием магнитного поля 106
4.3 Измерение зависимости намагниченности от температуры 111
4.4 Результаты Мёссбауэровской спектроскопии 112
4.5 Эффект магнитного последействия в стали 115
Выводы по 4 главе 120
Заключение 121
Список использованных источников
- Диаграммы состояний сплавов на основе железа и марганца. Влияние марганца на сталь
- Методы испытания механических характеристик
- Анализ фазового состава с помощью рентгеноструктурного анализа
- Измерение зависимости намагниченности от температуры
Введение к работе
Актуальность работы
Среди износостойких аустенитных сталей особое место занимает сталь Гадфильда (110Г13Л). Высокие свойства данной стали в условиях ударных механических нагрузок вызваны её свойством упрочняться при холодной пластической деформации. Это свойство обусловило применение стали 110Г13Л в деталях машин и оборудовании, работающих в условиях ударных механических нагрузок. Механизм высокой износостойкости стали 110Г13Л при статических и, тем более, динамических нагрузках не раскрыт полностью. Известно, что аусте-нитная сталь - неферромагнитный материал. Тем не менее, в литературе обсуждается вопрос о причине появления намагниченности в деталях, изготовленных из стали 110Г13Л. Сталь 110Г13Л исследована достаточно широко, однако остаются невыясненными следующие вопросы: природа самоупрочнения стали данного состава при ударном нагружении; структура, сформированная в зоне сдвиговой деформации; причины локального изменения намагниченности в условиях ударной нагрузки. Кроме того, существующая технология изготовления деталей из этой стали не позволяет получить стабильно высокие свойства. Решение этих задач зависит от полноты исследования структурных изменений стали в процессе изготовления из неё деталей и их эксплуатации. Поэтому тема диссертации -исследование областей локализации деформации при эксплуатации изделий из данной стали в условиях динамических нагрузок - актуальна.
Актуальность темы подтверждается и тем, что она выполнялась по заданию Рособразования по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект 2.1.2/3047 «Формирование структуры и свойств объемных образцов и их нанокристаллических аналогов на основе сплавов переходных ферромагнитных металлов (Fe-Mn-C, Fe-C, Со-С и др.)», а также в соответствии с договором о творческом сотрудничестве с АО «ВОСТОКМАШЗАВОД».
Цель диссертационной работы заключается в исследовании механизма упрочнения стали 110Г13Л при динамических нагрузках.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
Произвести статистический анализ влияния изменений химического состава на ударную вязкость стали 110Г13Л на основании выборки из технологических журналов АО «ВОСТОКМАШЗАВОД».
Произвести статистический анализ зависимости ударной вязкости от микроструктуры поверхности деталей и их «свидетелей» из стали 110Г13Л на основании выборки из технологических журналов АО «ВОСТОКМАШЗАВОД», а также на основании исследования микроструктуры оптическим методом.
С помощью метода рентгеноструктурного анализа определить зависимость ударной вязкости от фазового состава.
Выявить связь ударной вязкости и характера излома образцов с помощью растровой электронной микроскопии.
Провести энергодисперсионный микроанализ для выявления изменения химического состава в областях локализации деформации.
Сравнить процессы, протекающие в областях локализации деформации массивных образцов с процессами, протекающими в тонкопленочных образцах стали НОГ 13Л, подвергнутых криомеханической обработке, с целью выявления их аналогии.
Исследовать связь между ударной вязкостью, структурой и магнитными свойствами стали НОГ 13Л.
Научная новизна
На основе статистического анализа зависимости ударной вязкости от микроструктуры поверхности деталей и их «свидетелей» выявлено, что ударная вязкость может быть в четыре раза больше в образцах, в структуре которых наблюдается большое число полос сдвиговой деформации, чем в образцах, в структуре которых эти полосы отсутствуют. Области локализации деформации в виде полос сдвиговой деформации, возникшие после динамических нагрузок, имеют тетраэдрическую плотноупакованную структуру Франка-Каспера.
Обнаружено, что мартенсит деформации, формирующийся в изделиях из стали 110Г13Л при ее эксплуатации в условиях трения с ударами (щеки камнедробилки), имеет тетраэдрическую плотноупакованную структуру Франка-Каспера, появление которой повышает значения ударной вязкости в четыре раза, но понижает сопротивление абразивному износу в два раза.
Обнаружен эффект магнитного последействия (магнитной вязкости) в изделиях из стали 110Г13Л, подверженных динамическим нагрузкам. Этот эффект положен в основу способа определения качества стали по времени магнитного последействия.
Выявлена зависимость между временем намагничивания и свойствами стали 110Г13Л.. Сталь 110Г13Л, подвергнутая динамическим нагрузкам, при времени намагничивания, составляющем доли секунды, обладает перлитно-цементитной структурой. При времени намагничивания, составляющем минуты или десятки минут - обладает структурой аустенита с областями локализации деформации, имеющими ферримагнитную структуру Франка-Каспера.
Показана возможность моделирования процессов структурообразова-ния в межзеренных границах массивных образцов стали 110Г13Л на тонкопленочных образцах стали 1 ЮГ 13Л.
Значение полученных результатов для теории и практики
Совокупность экспериментальных и теоретических результатов, полученных при проведении исследований, расширяет знания о процессах, протекающих в областях локализации деформации стали 110Г13Л при динамических нагрузках.
Выявление тетраэдрической плотноупакованной структуры Франка-Каспера в мартенсите деформации, формирующемся в изделиях из стали 110Г13Л при ее эксплуатации в условиях трения с ударами, позволило опреде-
9. Квеглис, Л. И. Инварные эффекты в пленках Fe-Mn-C и Fe-Ni-C
[Текст] / Л. И. Квеглис, А. В. Кузовников, В. В. Казанцева и др. // Сбор, трудов XII Национальной конференции по росту кристаллов; Москва. - 2006. - с. 88.
10. Казанцева, В. В. Инварные эффекты в пленках Fe-Mn-C и Fe-Ni-
С [Текст] / В. В. Казанцева, Л. И. Квеглис, А. В. Кузовников, П. В. Софронов //
Сбор, трудов веер, науч.-техн. конф. с междун. участием «Ультрадисперсные
порошки, наноструктуры, материалы»; Красноярск., КГТУ. - 2006. - с. 200-203.
П. Квеглис, Л. И. Электронно-микроскопические исследования пленок сплавов Fe-Mn-C и Fe-Ni-C с внутренним изгибом атомной решетки [Текст] / Л. И. Квеглис, А. В. Кузовников, В. В. Казанцева, П. В. Софронов // Сбор, трудов всерос. науч. конф. мол. уч. «Наука. Технологии. Инновации»; Новосибирск, НГУ. - 2006. - с. 187-188.
Казанцева, В. В. Электронно-микроскопические исследования сплавов Fe-Mn и Fe-Ni [Текст] / В. В. Казанцева, Л. И. Квеглис, А. В. Кузовников, П. В. Софронов // Сбор, трудов всерос. науч. конф. молодых ученых «Молодежь и наука - Третье тысячелетие»; Красноярск. - 2006. - с. 366-369.
Казанцева, В. В. Электронно-микроскопические исследования сплава Fe-Mn-C [Текст] / В. В. Казанцева, Л. И. Квеглис // Сбор, трудов межвуз. регионал. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков НКСФ-XXXV; Красноярск. - 2007. - с. 98.
Казанцева, В. В. Эффект Виллари при динамическом нагруже-нии стали 110Г13 [Текст] / В.В. Казанцева, Л.И. Квеглис // 49-я науч.-техн. конф. Студентов, аспирантов и молодых ученых политехнического института СФУ; Красноярск. - 2007. - с . 63.
Kazantseva, V. V. The local electron structure and magnetization in P-Fe86Mn13C [Текст] I V. V. Kazantseva, L. I. Kveglis, D. L. Khalyapin II The 20th International Conference on Transport Theory; Obninsk. - 2007. - с 246.
Kveglis, L. I. Formation of Frank-Kasper Tetrahedral Close Packed Structure in Intergranular Space of the Austenitic p-Fe86Mn13C Steel Exposed by Shock Deformation [Текст] IL. I. Kveglis, V. V. Kazantseva, D. L. Khalyapin, V. S. Demidenko at. al. II Electron Mycroscopy and Multiscale Modeling EMMM-2007; Moscow. - 2007. - p. 44.
Казанцева, В. В. Увеличение объема при динамическом нагру-жении закаленных образцов сплава 110Г13Л [Текст] /ВВ. Казанцева, Ф. М. Носков, Р. Б. Абылкалыкова и др. // X межд. симп. «Упорядочение в металлах и сплавах ОМА-10»; Ростов-на-Дону. - 2007. - с. 89-93.
Казанцева, В. В. Корреляция структуры и механических свойств при ударном нагружении стали 110Г13Л [Текст] / В. В. Казанцева, Л. И. Квеглис и др. // Сбор, трудов XXII росс. конф. по эл. Микроскопии; Черноголовка. -2008.-е. 174.
Казанцева, В. В. Исследование структуры и магнитных свойств стали 110Г13Л [Текст] / В. В.Казанцева, Ф. М. Носков, В. А. Мусихин, А. В.
7. Эффект магнитного последействия, выявленный благодаря исследованию связи между ударной вязкостью, структурой и магнитными свойствами стали 110Г13Л (магнитной вязкости), положен в основу способа распределения литых деталей из стали 110Г13Л по их назначению: по сопротивлению ударным нагрузкам и по сопротивлению абразивному износу.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
Статья в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Квеглис, Л. И. Особенности структуры межзеренных границ в
сплавах инварного состава на основе Fe-Mn и Fe-Ni [Текст] / Л. И. Квеглис, В.
С. Жигалов, В. В. Казанцева, А. В. Кузовников, В. А. Мусихин, П. В. Софронов //
Нанотехника. - 2007. - № 4. - с. 73-78.
Прочие публикации:
Казанцева, В. В. Рентгеноструктурное исследование сплавов железо-марганец-углерод с аномальным объемом кристаллической решетки [Текст] / В. В. Казанцева, Л. И. Квеглис, Ф. М. Носков, Р. Б. Абылкалыкова, У. А. Рахимова, И. Н. Рубцов, Т. А. Меньшикова // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2007. - № 8. - с. 58.
Казанцева, В. В. Сплавы железо-марганец-углерод с аномальным объемом кристаллической решетки [Текст] /В. В. Казанцева, Л. И. Квеглис, Ф. М. Носков, Р. Б. Абылкалыкова, У. А. Рахимова, В. А. Мусихин, Н. Л. Зайцев, Т. А. Меньшикова // Известия Ран. Серия Физическая. - 2008. - №8. - т. 72. - с. 1256-1258.
Kazantseva, V. V. The Structure and Magnetic Properties of Fe-Mn-C Alloy [Текст] IV. V. Kazantseva, L. I. Kveglis II Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. - 2009. - № 4. - p. 376-383.
Kveglis, L. I. Alloys with Anomalous Volume of Crystal Lattice Fe-Mn-C [Текст] IL. I. Kveglis, F. M. Noskov, V. V. Kazantseva at. al. II Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2008. - Vol. 72. - №8. - p. 1169-1171.
Kveglis, L. I. The ability of formation quantum dots in thin nanostruc-tured films Co-Pd and Fe-Mn-C [Текст] I L. I. Kveglis, V. V. Kazantseva, V. A. Musikhin, R.B. Abylkalykova II Journal «Theory and Practice of Energetic materials»; China. - 2009. - V.8. - p. 17.
Квеглис, Л. И. Структурные и магнитные превращения в аусте-нитной стали 110Г13Л при динамическом нагружении [Текст] / Л. И. Квеглис, В. И. Темных, И. Н. Рубцов, В. В. Казанцева, Р. Б. Абылкалыкова, Г. Б. Тажибаева // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2010. - № 7. - с. 1-6.
8. Казанцева, В. В. Электронно-микроскопические исследования
пленок Fe-Mn-C с внутренним изгибом атомной решетки [Текст] / В. В. Ка
занцева, А. В. Кузовников, П. В. Софронов, Л. И. Квеглис // Сбор, трудов рос.
конф. по электронной микроскопии; -Черноголовка. - 2006. - с. 63.
лить причины повышения в ней ударной вязкости и снижения сопротивление абразивному износу.
Обнаружение эффекта магнитного последействия (магнитной вязкости) в стали 110Г13Л вносит вклад в развитие материаловедения магнитных материалов, используемых в машиностроении, и, в частности, в раскрытие причин возникновения магнитной вязкости в структурно-неоднородных материалах с различным типом магнитного порядка.
Обнаруженный эффект магнитного последействия в стали 110Г13Л, подвергнутой динамическим нагрузках, и выявленная зависимость между временем намагничивания и свойствами стали, позволили создать основы для разработки метода неразрушающего контроля свойств этой стали, применяемого в настоящее время на АО «ВОСТОКМАШЗАВОД» (г. Усть-Каменогорск).
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты статистического анализа зависимости ударной вязкости от состава и микроструктуры поверхности деталей из стали 110Г13Л и их «свидетелей».
Результаты исследования структурных изменений стали 110Г13Л, возникающих в результате динамических нагрузок.
Выявленный эффект магнитного последействия (магнитной вязкости) в изделиях из стали 110Г13Л, подверженных динамическим нагрузкам, на основе которого предлагается способ распределения литых заготовок.
Моделирование процессов, протекающих в областях локализации деформации, на тонкопленочных образцах стали 110Г13Л, подверженных криоме-ханической обработке.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность подтверждена статистической обработкой экспериментальных результатов, применением стандартных методик исследования структуры и свойств, а также подтверждением основных выводов работы поздними публикациями других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, симпозиумах и семинарах: XXI Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2006 г., 2007 г., 2009 г.); XII Национальная конференция по росту кристаллов (Москва, 2006 г.); Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы» (Красноярск, 2006 г., 2009 г.); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006 г.); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Молодежь и наука - Третье тысячелетие» (Красноярск, 2006 г.); Межвузовская региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых - физиков «НКСФ-XXXVI» (Красноярск, 2007 г.); 49-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых политехнического института СФУ (Красноярск, 2007 г.);
Electron Microscopy and Multiscale Modeling EMMM-2007 (Москва, 2007 г.); X междисциплинарный, международный симпозиум «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах ОМА-10» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2008» (Уфа, 2008 г.); Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2008 г.); Ill - Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» (Иркутск, 2008 г.); III Международная конференция «Фундаментальные основы механохимических технологий» (Новосибирск, 2009 г.); VII Международная Российско-Японско-Казахстанская научная конференция «Перспективные технологи, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Волгоград, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 27 печатных работ; работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией - 1, 4 статьи в журналах и 10 статей в сборниках научных трудов; 12 тезисов докладов в сборниках материалов научных конференций.
Личный вклад автора состоит в формулировке проблемы, определении цели и задач исследования, решении поставленных задач, выполнении основной части исследований, анализе полученных результатов и их интерпретации.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, основные выводы и список литературы. Диссертация содержит 140 страниц машинописного текста, 95 рисунков, 6 таблиц и 124 ссылки на литературные источники.
Диаграммы состояний сплавов на основе железа и марганца. Влияние марганца на сталь
Основная трудность описания механизмов упрочнения связаны с формированием напряжения течения несколькими равнозначными механизмами. Напряжение течения это величина внешнего деформирующего напряжения, при которой деформация металла из упругой превращается в пластическую.
Экспериментально установлено [15], что скольжение отдельных дислокаций и их групп начинается до достижения предела текучести при напряжениях, составляющих 1/3—2/3 от предела текучести. На это указывает эффект Портевена - Ле-Шателье (ступенчатый характер кривой нагружения), обнаруженный в стали 110Г13Л, подвергнутой динамическому нагружению [5]. Теория, созданная Васильевым Л.С. [16], адекватно описывает формирование напряжения течения в мезоскопических областях локализации деформации. Об особенностях строения мартенсита деформации достаточно подробно обсуждается в книге [3], но дифракционные картины, полученные от полос сдвиговой деформации, трактуются неоднозначно.
Высокая упрочняемость стали 110Г13Л есть результат наклепа. Метод механического упрочнения - это наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2...0,4 мм. Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых, главным образом, и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации, выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости [17, 18]. Различают два вида наклёпа: фазовый и деформационный. Деформационный наклёп является результатом действия внешних деформационных сил. При фазовом наклёпе возникают фазовые превращения, в результате которых образуются новые фазы с отличными от исходных удельными объёмами. Мартенсит деформации является результатом таких превращений. Структура и свойства мартенсита деформации, как указывалось выше, до сих пор окончательно не определены. При равной степени деформации блоки мозаики в стали 1 ЮГ 13Л дробятся в большей степени, чем в других сталях, в том числе и аустенитных. Чем обусловлены такие специфические свойства марганцовистого аустенита, точно не установлено. Высокая вязкость аустенита наряду с достаточной прочностью и износостойкостью делает сталь 110Г13Л незаменимым материалом для деталей, работающих на износ и удар одновременно.
В производственной практике износостойкость материала чаще всего оценивается по твердости, то есть такой характеристике сплава, которая определяется доступнее и проще других. Работы, посвященные изучению зависимости между износостойкостью и интегральной твердостью, внесли существенный вклад в понимание проблемы повышения сопротивляемости сталей и сплавов абразивному изнашиванию. Как показали исследования М.М. Хрущова и М.А. Бабичева [19], проведенные еще в 60 годах, с повышением твердости чистых металлов и нелегированных сталей их износостойкость увеличивается. Из анализа многочисленных публикаций в отечественной [20, 21] и зарубежной [22, 23] литературе, посвященных изучению зависимости износостойкости и твердости, а также опыта собственных лабораторных и производственных испытаний следует, что выбор износостойкого материала и режимов его термической обработки из условий получения наивысшей исходной твердости не является безусловным. Максимальный уровень сопротивляемости абразивному изнашиванию не всегда совпадает с максимальной твердостью.
Попытки многих авторов обобщить результаты этих исследований при построении графиков в координатах твердость - относительная износостойкость (рисунок 1.4), для материалов при разном структурном состоянии и испытанных в различных условиях показали, что при большом разбросе представленных данных иллюстрируется четко выраженная тенденция прямопропорциональнои зависимости износостойкости от твердости.
Предпринимались попытки установить не только качественные, но и количественные характеристики этой зависимости. Любые изменения структурного состояния стали и сплава естественно отражаются на величине всех характеристик механических свойств и, в частности, твердости. Из вышесказанного следует необходимость более тщательного исследования структуры и свойств мартенсита деформации в стали 110Г13Л с целью выявления механизмов ее упрочнения.
Поскольку содержание Мп в стали 110Г13Л достаточно высоко (до 13 %), необходимо выяснить влияния его различных модификаций на структуру стали 11 ЮГ 13 Л.
Марганец - углерод - железо. Эту систему изучали Бейн, Давенпорт, Уорлинг и Кэрни [6], а также Фогель и Дэринг [25]. В первой из этих работ исследовались сплавы, содержащие до 15 % Мп и 1,5 % С. Во второй работе изучались сплавы с содержанием марганца до 95 % и содержанием углерода до 6 %.
Соответствие между данными этих исследований достаточно хорошее (для сравнимых сплавов). Можно отметить следующие характерные особенности системы: 1. Обнаружена трехфазная область (феррит + аустенит + карбид) при содержании марганца менее 1 %. 2. При легировании марганцем заметно снижается температура феррито-аустенитного превращения. На рисунке 1.5 показано сечение тройной диаграммы при 1 % С. Наблюдается стабилизация аустенита при низких температурах и образование трехфазной области (y-Fe + a-Fe + (FeMn)3C).
Методы испытания механических характеристик
Растровая электронная микроскопия. Для исследования поверхностей разрушения после испытаний на ударную вязкость стали 110Г13Л использовали растровые электронные микроскопы JSM-6390LV и РЭММА-202 с ускоряющим напряжением от 0,5 кВ до 30 кВ.
При взаимодействии электронного пучка с образцом порождается явление, сигналы которого можно использовать для выявления топографии и химического состава образца [84, 85].
При взаимодействии электронов с веществом возникают ответные сигналы различной формы (отраженные и вторичные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, поглощённый ток и др.), которые используются для синхронного построения изображения на экране монитора. Перемещение зонда по поверхности образца должно происходить с очень высокой точностью. Точность перемещения и размер зонда определяют величину разрешения микроскопа. В результате взаимодействия пучка электронов с поверхностью образца возникает ответная реакция, которая регистрируется соответствующими датчиками. Регистрируемый датчиками сигнал используется в дальнейшем для модуляции яркости электронного пучка в электронно-лучевой трубке монитора. Величина этого сигнала будет зависеть от свойств поверхности образца и может меняться от точки к точке. В результате на экране монитора образуется изображение поверхности образца, отображающее топографию соответствующего свойства исследуемого образца.
Просвечивающая электронная микроскопия. Исследование производили в ПРЭМ-200 и ЭМ-200 в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН (г. Красноярск). Для электронно-микроскопического анализа использовались утоненные объемные образцы стали 110Г13Л и тонкопленочные образцы исследуемого сплава. Тонкопленочные образцы стали 110Г13Л (толщина 10-100 нм) получены вакуумным термическим осаждением на подложки из SiCb и NaCl в вакуумном универсальном посту ВУП-4 (вакуум 0,00001 мм рт. ст).
Проводился структурный электронно-микроскопический анализ, метод дифракционной электронной микроскопии (дифракция, микродифракция). Основным преимуществом использования просвечивающих электронных микроскопов является их высокая разрешающая способность, которая становится возможной из-за малой длины волны электронов. При ускоряющем напряжении 100 кВ длина волны электронов - 0.037 А. В современных приборах используется ускоряющее напряжение до 1250 кВ, максимально достижимое разрешение по точкам составляет — 1 А. Это позволяет проводить исследование структуры на атомном уровне.
При использовании метода просвечивающей электронной микроскопии необходимую информацию получают путём анализа результатов рассеяния пучка электронов при прохождении его через объект. Возможны два основных типа рассеяния: а) упругое рассеяние - взаимодействие электронов с эффективным потенциальным полем ядер без потерь энергии; б) неупругое рассеяние - взаимодействие пучка электронов с электронами объекта, при котором имеются потери энергии, т.е., поглощение.
Дифракционная картина возникает только при упругом рассеянии. Режим микродифракции состоит в совмещении задней фокальной плоскости объективной линзы с предметной плоскостью промежуточной линзы.
Дифракционная картина формируется в задней фокальной плоскости объективной линзы и является результатом пересечения всех параллельных друг другу лучей, вышедших из объекта. Проекционная и промежуточная линзы перебрасывают дифракционную картину на светящийся люминесцентный экран.
Измерение интенсивно сшей по электронограммам. Наиболее эффективным методом исследования структуры ближнего атомного порядка аморфных тонких пленок является в настоящее время дифракция электронов. В режиме дифракции электронов от структуры образца получаем электронограмму.
Каждая фаза обладает своей кристаллической решеткой. Семейства атомных плоскостей, образующих эту решетку, обладают своим, характерным только для данной решетки набором значений межплоскостных расстояний dhU. Значение межплоскостных расстояний исследуемого объекта позволяет охарактеризовать его кристаллическую решетку и установить во многих случаях вещество или фазу. Данные о межплоскостных расстояниях расположены в таблицах [86] в порядке убывания значений , где п целые числа, (1,2,3...), или так называемый порядок отражения.
Значение можно рассматривать как межплоскостные расстояния (іш для фиктивных плоскостей с индексами (HKL), где HKL — индексы интерференции, равные произведению соответствующих индексов плоскости {hkl) на порядок отражения п(Н = nh, К = nk, L = пі).
Определение фазового состава поликристаллических веществ по их межплоскостным расстояниям является одной из наиболее распространенных и сравнительно легко решаемых задач рентгенографического и электроннооптического анализов. Расчет электронограмм поликристаллических образцов обычно заключается в определении межплоскостных расстояний по формуле: где С - постоянная прибора; г-расстояние между соседними кольцами. Анализ рассчитанных межплоскостных расстояний в случае кубической, гексагональной или тетрагональной решетки позволяет индифицировать отражение и определить период решетки.
Метод рентгеноструктурного анализа проводился на дифрактометре «ДРОН-4». Исследован фазовый состав различных участков образцов стали 110Г13Л до и после механических испытаний в условиях завода изготовителя АО «ВОСТОКМАШЗАВОД», а также до и после эксплуатации деталей.
Регистрация дифракционной картины с применением в качестве детектора ионизационного или сцинтилляционного счетчика имеет ряд преимуществ по сравнению с фотографической регистрацией: быстрота получения рентгенограммы для фазового и других видов анализа и более простой ее расчет, возможность простого и точного определения интегральной интенсивности линий и диффузного фона, более точное и быстрое определение ориентировки монокристаллов, построение количественных полюсных фигур.
В дифрактометре ДРОН-4 в качестве детектора рентгеновского излучения используется сцинтилляционныи или пропорциональный счетчик с амплитудной дискриминацией. Он состоит из кристалла-сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя — ФЭУ.
Рентгеновские кванты, попадая на сцинтиллятор (кристалл натрия, активированный таллием), вызывают в нем вспышки - сцинциляции видимого света. Количество этих вспышек пропорционально энергии рентгеновского кванта. Вспышки улавливаются фотокатодом ФЭУ, который в результате фотоэффекта испускает электроны. С помощью ДРОН-4 можно измерять интенсивность до 5x105 имп/сек.
Анализ фазового состава с помощью рентгеноструктурного анализа
В работе обнаружена аналогия между структурой и свойствами межзеренных межраничных прослоек массивных и структурой и свойствами тонкопленочных образцов стали 1 ЮГ 13Л.
Тонкопленочные материалы являются удобным средством для моделирования неравновесных процессов, протекающих в массивных материалах. Тонкопленочные материалы далеки от равновесного состояния и характеризуются тем, что незначительные изменения параметров их системы могут привести к кардинальному изменению свойств. Так как формирование нанокристаллических пленок проходит в неравновесных условиях, то возникает множество дефектов (внедрения примесных атомов, дисклинации, диспирации), приводящих к большим внутренним напряжениям.
Существует два основных механизма формирования напряжений в пленке: 1) наведённые подложкой или мультислойной структурой; 2) внутренние напряжения, обусловленные особенностями атомной структуры самой пленки. Известно, что материалы, описываемые многогранниками Франка-Каспера, имеют склонность к сжатию элементарной ячейки до 30 %. По-видимому, следует ожидать наличие больших внутренних напряжений в тонкопленочных образцах стали 110Г13Л с подобными структурами.
Основываясь на значения величины внутренних напряжений, возникших в пленочных конденсатах, тонкую пленку можно считать системой возбужденных атомов [88, 89] и сопоставить ее межзеренной межграничной прослойкой массивного образца.
Тонкопленочные образцы стали 110Г13Л были получены термическим вакуумным осаждением образцов массой 25—100 мг на подложки из стекла и
NaCl в вакуумном универсальном посту ВУП-4. С помощью просвечивающего электронного микроскопа ПРЭМ-200 получены изображения структуры поверхности пленки стали 110Г13Л (рисунок 3.31 (а)). На рисунке 3.31 (б) представлена та же пленка, после криомеханической обработки в жидком азоте. Видно появление изгибных контуров и монокристаллических участков, свидетельствующих о высоких внутренних напряжениях, сформированные под действием криомеханической обработки. Оценка внутренних напряжений рассчитывалась методом изгибных контуров [90]. В режиме дифракции электронов получили дифракционные картины для тонкопленочных образцов до и после криомеханической обработки в жидком азоте (рисунок 3.32).
Согласно дифракционной картине (рисунок 3.32 (а)), кристаллическая решетка исходной пленки имеет сложную структуру с размытыми кольцами. После криомеханической обработки в жидком азоте появилась новая фаза, имеющая кристаллическую решетку с осью симметрии 6-го порядка (рисунок 3.32 (б)). При напылении пленки методом "взрывом" на поверхность [001] разогретой подложки монокристалла NaCl получаем пленки, имеющие квазикристаллическую структуру: дифракционная картина соответствует монокристаллу с осью симметрии 8-го порядка (рисунок 3.32 (в)), соответствующая икосаэдрической структуре [З-FeMn. Кластеры икосаэдрических фаз были нами обнаружены ранее в пленочных образцах стали 110Г13Л [91]. На основе анализа интенсивности, набору и геометрии расположения рефлексов на электроннограммах можно предположить, что криомеханическая обработка привела к появлению в структуре тонкопленочного образца изгибных контуров и на электроннограмме это визуализируется как квазикристаллическая с осью симметрии 8-го порядка. В работах [62, 93] делается сопоставление дифракционной картины с осью симметрии 8-го порядка с двумерной решеткой Аммана-Бинкера (рисунок 3.33). Впервые авторы [94] предполагают наличие структуры Франка-Каспера в квазикристаллических образованиях. В [92] впервые с помощью аналитических расчетов предложено 16 базисов для описания квазикристалла Аммана-Бинкера. Фурье - образ такого модельного квазикристалла качественно совпадает с экспериментальной картиной электронной дифракции, представленной на рисунке 3.32 (в).
На рисунке 3.34 приведена рентгенограмма для тонкопленочного образца стали 110Г13Л после криомеханической обработки. Расшифровку данной рентгенограммы проводили, основываясь на стандартные международные таблицы JCPDS-International Centre for Diffraction Data. Пик на угле 17,5 градусов не расшифровывается стандартными таблицами. Такие же рефлексы существуют на рентгенограммах, полученных от межзеренной границы объемных образцов стали 110Г13Л после динамической нагрузки. Из чего можно сделать вывод, что в пленочных образцах, испытывающих большие внутренние напряжения, создается тетраэдрически плотноупакованная структура Франка-Каспера, состоящай из ФК12+ФК14 и на рентгенограмме это выражено в виде дополнительных рефлексов. Таким образом, в результате криомеханической обработки в тонкопленочных образцах стали 110Г13Л произошла реакция механосинтеза с образованием квазикристаллической фазы. Различие в температурных коэффициентах расширения пленки и подложки при обработке жидким азотом вносит дополнительное напряжение, в результате общее напряжение превышает модули упругости и сдвига в пленочном материале. Возбужденные атомы перегруппировываются по теории СТЗ и образуют новую фазу. Такая система образуется и в областях локализации деформации объемных образцов стали 110Г13Л при динамической нагрузке.
Измерение зависимости намагниченности от температуры
Эффект магнитного последействия не наблюдается, если динамические нагрузки не приводят к образованию полос сдвиговых деформаций (например, в случае карбидной сетки). Многочисленные сравнительные исследования отливок из стали 110ПЗЛ, выпущенных на АО «ВОСТОКМАШЗАВОД» и бывших в эксплуатации, позволяют заключить, что в общей проблеме повышения износостойкости обычно устанавливают качество отливок по макроструктуре, микроструктуре и ударной вязкости. Свойства деталей необходимо сравнивать только внутри определенной по назначению и условиям эксплуатации группы деталей (например, щеки дробилок, траки, подвижные и неподвижные конуса и т. д.), так как условия изнашивания у различных групп различные. Для распределения готовых изделий по их назначению необходимо выявлять параметры для такого разделения. В условиях АО «ВОСТОКМАШЗАВОД» определены два направления распределения: по трещиностойкости и по сопротивлению абразивному износу. Время магнитного последействия может являться одним из основных параметром для распределения готовых изделий по их назначению. Чисто аустенитная сталь не намагничивается; сталь, содержащая большое количество карбидов или оксидов намагничивается за доли секунды. Сталь, содержащая мартенсит деформации со структурой Франка-Каспера намагничивается с последействием, время которого составляет минуты и часы. Параллельно структурным изменениям меняются магнитные свойства. На основе предлагаемого способа распределения готовых изделий по их назначению с использованием времени магнитного последействия на АО «ВОСТОКМАШЗАВОД» создается прибор для контроля качества литых заготовок.
Выводы по 4 главе:
При помощи методов определения магнитных характеристик обнаружено, что сталь 110Г13Л, подвергнутая динамическим нагрузкам обладает неоднородной магнитоу порядочен ной структурой благодаря образованию в областях локализации деформации фаз Франка-Каспера. Являясь магнитными, эти фазы инициируют создание в образцах эффекта магнитного последействия. Этот эффект положен в основу способа распределения литых деталей из стали 110Г13Л по их назначению на АО «ВОСТОКМАШЗАВОД»: по сопротивлению ударным нагрузкам и по сопротивлению абразивному износу.
При исследовании механизма упрочнения стали 110Г13Л при ударных нагрузках было выявлено, что самоупрочнение данной стали связано с деформационным наклепом, приводящим к фазовым превращениям или механохимическим реакциям. Эти" реакции порождают новые фазы, имеющие тетраэдрически плотноупакованные структуры Франка-Каспера. Такие фазы не имеют плоскостей скольжения и образуются в областях локализации деформации при динамических нагрузках. Они обеспечивают высокую ударную вязкость. Являясь магнитными, эти фазы инициируют создание в образцах эффекта магнитного последействия. Выявленная зависимость между временем намагничивания и свойствами стали позволит сортировать выпущенные изделия АО «ВОСТОКМАШЗАВОД» по их назначению: по трещиностойкости и по сопротивлению абразивному износу. Суммируя результаты исследования можно сделать следующие выводы:
1. На основе статистического анализа зависимости ударной вязкости от микроструктуры поверхности деталей и их «свидетелей» выявлено, что ударная вязкость может быть в четыре раза больше в образцах, в структуре которых наблюдается большое число полос сдвиговой деформации, чем в образцах, в структуре которых эти полосы отсутствуют.
2. Установлено, что в областях локализации деформации (межзеренных межграничных прослойках, полосах сдвиговой деформации) стали 110Г13Л, возникающих в условиях динамической нагрузки, обнаружены фазы, обладающие тетраэдрическими плотноупакованными структурами Франка-Каспера, появление которых повышает в четыре раза значения ударной вязкости.
3. На основе статистического анализа ячеистой структуры изломов стали 110Г13Л с разными значениями ударной вязкости, установлено, что наименьшим средним радиусам ячеек (1-2 мкм) соответствуют наибольшие значения ударной вязкости (до 325 Дж/см").
4. В областях локализации деформации образцов с высокой ударной вязкостью выявлено увеличение содержания марганца в 2-3 раза при помощи энергодисперсионного анализа.
5. Анализ процессов, протекающих в областях локализации деформации массивных образцов и процессов, протекающих в тонкопленочных образцах стали 110Г13Л, подвергнутых криомеханической обработке, показал, что тонкопленочные образцы стали 110Г13Л можно считать аналогами межзеренных межграничных прослоек.
6. Обнаружено свойство магнитного последействия как в массивных так и тонкопленочных образцах стали НОГ 13Л, содержащих фазу со структурой Франка-Каспера.
7. Эффект магнитного последействия, выявленный благодаря исследованию связи между ударной вязкостью, структурой и магнитными свойствами стали 110Г13Л (магнитной вязкости), положен в основу способа распределения литых деталей из стали 110Г13Л по их назначению: по сопротивлению ударным нагрузкам и по сопротивлению абразивному износу.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, профессору Квеглис Людмиле Иосифовне, сотрудникам кафедры Материаловедения и технологии конструкционных материалов Политехнического института Сибирского Федерального университета, а также сотрудникам Института Физики им. Л.В. Киренского СО РАН за помощь в проведении экспериментов
