автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение работоспособности стали 38Х2МЮА в условиях высокотемпературного импульсного воздействия путем ионно-плазменного модифицирования

На правах рукописи

Теплоухов Андрей Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТАЛИ 38Х2МЮА В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУТЕМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005546342

Омск-2013

005546342

Работа выполнена в Научно-образовательном ресурсном центре нанотехнологий (НОРЦ нанотехнологий) в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Блесман Александр Иосифович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, профессор кафедры «Физика» Омского

государственного технического университета Машков Юрий Константинович

кандидат технических наук, доцент, начальник отдела организации научной работы Омского автобронетанкового инженерного института Эдигаров Вячеслав Робертович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Омский

государственный университет им. Ф. М. Достоевского»

Защита диссертации состоится «30» декабря 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д.212.178.10 при ОмГТУ по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Электронная почта: dissovet_omgtu@omgtu.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.178.10

к. ф.-м. н., профессор А^*—- Суриков Вад.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Модифицирование конструкционных материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств является весьма востребованной и актуальной задачей современного материаловедения. Во многих отраслях машиностроения широко востребованы материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами, такими как работоспособность, механическая прочность, износостойкость, коррозионная стойкость и т.д.

В процессе эксплуатации деталей, узлов и агрегатов технологического оборудования, а также изделий машиностроения, изготовленных из конструкционных сталей и сплавов, в условиях высокотемпературных импульсных воздействий происходит снижение их работоспособности с дальнейшим разрушением, например, в установке лазерной резки «1_азегМа£-4200». Изготовление деталей из дефицитных и дорогостоящих материалов нерационально, а зачастую невозможно, что обусловливает актуальность фундаментальных и прикладных исследований, направленных на формирование покрытий, наносимых на различные конструкционные металлические материалы с целью повышения их работоспособности. В тех случаях, когда изменениям, в том числе необратимым, подвергается поверхностный слой объемной детали, в качестве альтернативы ее полного восстановления с использованием дорогостоящих конструкционных материалов, применяются методы поверхностного модифицирования. Нанесение покрытий позволяет восстановить свойства изделий, утраченные в процессе эксплуатации, а также повысить их ресурс, поэтому чаще всего модифицируют поверхности исходных изделий, получаемых в процессе производства. Среди таких методов высокой эффективностью отличается ионно-плазменное модифицирование.

Таким образом, актуальность проблемы повышения работоспособности конструкционных сталей обусловлена их широким применением в механизмах машин и технологического оборудования, эксплуатируемых при воздействии высоких импульсных температур. Одним из возможных способов разрешения этой проблемы является модифицирование поверхностей конструкционных сталей посредством применения ионно-плазменных методов.

Объект и методы исследования. Конструкционная сталь 38Х2МЮА, модифицированная молибденом и танталом комбинированным ионно-плазменным методом.

При выполнении работы были использованы апробированные экспериментальные методы исследования поверхности (зондовая и электронная микроскопия), а также структуры и химического состава (рентгенографическая дифрактометрия) поверхностных слоев.

Используемые методы модифицирования поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА:

1. Ионная имплантация: частотно-импульсный ионный источник «ДИАНа», позволяет получать пучки ионов любых проводящих материалов с энергиями до 150 кэВ, при этом пробег ионов в мишени составляет до десятых долей микрона.

2. Магнетронное напыление: VSM-200 позволяет производить предварительную очистку мишени в плазме тлеющего разряда (в среде аргона), а также проводить поверхностное модифицирование с получением качественных однородных плотных покрытий.

Цель работы: разработка методических основ поверхностного модифицирования изделий из конструкционной стали 38Х2МЮА, обеспечивающего повышение их работоспособности.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи исследования:

1. Исследование процесса распространения кратковременного теплового импульса в бинарной системе «сталь - покрытие» и разработка физико-математической модели его эволюции.

2. Обоснование критериев выбора материала, обеспечивающего снижение высокотемпературного воздействия и вызванных им напряжений, для модифицирования поверхности стали 38Х2МЮА.

3. Разработка комбинированного метода ионно-плазменного модифицирования поверхности стали 38Х2МЮА, а также режима модифицирования, обеспечивающего повышение её работоспособности.

4. Установление взаимосвязи между характеристиками модифицированной стали (микротвердость, топография) и материалом модификатора, а также режимом его нанесения.

5. Установление взаимосвязи между структурными изменениями и химическим составом поверхностного слоя стали 38Х2МЮА и материалом модификатора.

Научная новизна результатов исследования:

1. Физико-математическая модель эволюции кратковременного (до 0,2 мс) теплового импульса в бинарной системе «сталь - покрытие», разработанная с использованием уравнений теплопроводности и упругой волны с соответствующими начальными и граничными условиями, позволяющая рассчитать возникающие температурные поля, нормальные и тангенциальные напряжения, обусловленные этими полями.

2. Экспериментальные зависимости изменения микротвердости и топографии поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА, модифицированной молибденом и танталом, от параметров режима модифицирования.

3. Комбинированный ионно-плазменный метод модифицирования, включающий предварительную ионную имплантацию с целью улучшения адгезионных свойств поверхности и последующее ионно-плазменное напыление покрытий из молибдена и тантала, обеспечивающего повышение работоспособности стали 38Х2МЮА.

На защиту выносятся:

1. Модель эволюции теплового импульса, позволяющая рассчитать температурные поля, нормальные и тангенциальные напряжения, возникающие в бинарной системе «сталь - покрытие».

2. Установленные в рамках разработанной модели критерии выбора материала для модифицирования конструкционной стали 38Х2МЮА, обеспечивающего снижение высокотемпературного импульсного воздействия и вызванных этим воздействием напряжений.

3. Экспериментальные зависимости микротвердости модифицированных поверхностей от режима ионно-плазменной обработки, позволяющие выбрать оптимальные параметры процесса имплантации и напыления работоспособного покрытия.

4. Характеристики топографии модифицированных поверхностей, позволяющие выбрать материал для напыления работоспособного покрытия.

5. Комбинированный метод модифицирования поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА, включающий ионную имплантацию с последующим ионно-плазменным напылением молибдена или тантала, в зависимости от условий эксплуатации.

Практическая значимость работы. Разработан метод поверхностного модифицирования стали, заключающийся в сочетании предварительной ионной имплантации (с целью повышения адгезионных свойств поверхности) с последующим ионно-плазменным вакуумным напылением выбранного материала (молибден, тантал), обеспечивающий повышение работоспособности конструкционной стали 38Х2МЮА.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы для поверхностного модифицирования тарировочных пластин установки лазерной резки «1_азегМ £4-4200». Пластины, модифицированные комбинированным ионно-плазменным методом, прошли натурные испытания на данной установке на заводе мостовых металлоконструкций ООО НПО «Мостовик». Оценочные испытания показали значительное (не менее чем в 2, а в отдельных случаях от 4 до 6 раз) увеличение межремонтных сроков эксплуатации, что дает значительный экономический эффект.

Личный вклад автора состоит в выборе основных направлений исследования, разработке физико-математической модели эволюции кратковременного теплового импульса, методики модифицирования конструкционной стали 38Х2МЮА комбинированным ионно-плазменным методом, в проведении экспериментов и расчетов, анализе экспериментальных и расчетных данных, в обобщении результатов исследования.

Степень достоверности результатов диссертации. Достоверность полученных результатов подтверждается высокой степенью корреляции между результатами, полученными различными методами (рентгеновский микроанализ, атомно-силовая и электронная микроскопия), а также

согласием с результатами, полученными в данной области отечественными и зарубежными исследователями.

Апробация результатов исследования. Основные практические результаты и теоретические выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах международного, федерального, регионального и вузовского уровней в Донецке (международная научно-практическая конференция «Машиностроение и техносфера XXI века», 2007 г.), Омске (VI и VIII международная научно-практическая конференция «Динамика систем, механизмов и машин», 2007, 2011, 2012 гг.; V Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!», 2013 г.), Киеве (международная научно-практическая конференция «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении», 2011 г.), Санкт-Петербурге (международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов», 2012 г.) и нашли своё отражение в научных публикациях, в том числе в статьях, рекомендованных ВАК.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 14 работах, в том числе 2 работы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 132 наименования и приложения. Основной текст изложен на 124 страницах, содержит 22 рисунка и 8 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель работы, ее актуальность, научная новизна, положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Теоретические основы теплофизических процессов в поверхностном слое конструкционных материалов» содержит критический анализ проблемы высокотемпературных импульсных воздействий на конструкционную сталь в процессе ее эксплуатации. Теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств поверхности конструкционных сталей посвящены работы В.А. Барвинока, Г.В. Боброва, A.A. Ильина, Г.С. Гуна, М.В. Чукина.

В работах C.B. Патанкар, Д. Ши, A.M. Вайнберга, В.М. Пасконова, В.И. Полежаева, JI.A. Чудова рассматриваются основные аспекты численного моделирования процессов тепло и массопереноса. Большое прикладное значение имеют работы Ф.Ф. Комарова, М.А. Кумахова, М.М. Темкина, Ю.П. Шаркеева, Д.И. Тательбаума, B.C. Хмелевской.

В результате анализа литературы по проблеме моделирования тепловых процессов и процессов массопереноса определено место физической структурно-функциональной модели эволюции теплового импульса в соответствии с классификациями разных авторов. По

6

классификации В.А. Штоффа она относится к материальным, смешанным (обладает подобием физических характеристик, описывается математически) моделям. По видовому признаку разработанная модель является реальной, по форме представления - логическая, по природе моделируемых явлений -физическая, по способу выражения - математическая, по основной задаче — эвристико-нормативная (В.Г. Афанасьев).

В первой главе также рассматриваются теоретические аспекты ионной имплантации, описываются виды соударений (упругие, неупругие) в процессе движения ионов внутри твердого тела, в ходе которого они теряют энергию и рассеиваются. Теоретические основы применения ионной имплантации в промышленно используемом диапазоне энергий заложены в работах Линдхарда, Шарфа и Шиотта (теория ЛШШ), Гиббонса, Винтеборна, Брайса, Зигмунда, Андерсена, Бериша. Среди отечественных авторов следует отметить работы О.В. Фирсова и В.В. Юдина.

Проводится анализ основных способов поверхностного модифицирования, их влияния на характеристики получаемых покрытий (микротвердость, шероховатость и т.д.); обосновывается выбор метода ионно-плазменного напыления как наиболее универсального и технологичного в сравнении с другими методами за счет совмещения основных технологических операций и сравнительной простоты их реализации, определяющих высокую эффективность ионно-плазменной технологии. Экспериментальные исследования показывают, что применение ионной имплантации перед процессом поверхностного модифицирования изделия позволяет повысить адгезию в несколько раз. С целью улучшения адгезии ионную имплантацию целесообразно проводить до напыления. Рассмотренные методы и операции оказывают значительное влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства обрабатываемых изделий, в том числе на их работоспособность. При этом под работоспособностью стали понимается ее способность к эксплуатации в условиях периодического высокотемпературного воздействия без поверхностного разрушения. Для оценки работоспособности модифицированных образцов рассматривались и исследовались: время действия нагрузки и количество прошедших до разрушения поверхности термосмен, а также микротвердость и структурно-фазовый состав образцов. На основании выполненного анализа сформулирована проблема и поставлены задачи, решение которых обеспечивает достижение цели исследования.

Во второй главе рассматриваются расчетно-теоретические результаты исследования теплонапряженного состояния поверхностного слоя бинарной системы в процессе эволюции в нем кратковременного теплового импульса.

Применение законов сохранения энергии и закона Фурье к анализу процесса теплопроводности в неподвижной изотропной среде описывается дифференциальным уравнением, которое связывает временное и пространственное изменение температуры.

Приведены основные гипотезы и допущения, которые позволяют построить физико-математическую модель эволюции теплового импульса в исходном и модифицированном образцах, а также их теплонапряженного состояния.

Задачу распределения температуры можно рассматривать как одномерную, так как изменение температуры происходит по глубине образца). Тогда уравнение теплопроводности примет следующий вид:

дТ д . дТ п рс— = —Л — + (1)

н дт дх Зх У

где р - плотность; с - удельная теплоемкость; - мощность внутренних источников теплоты. Так как величина <\, имеет сложную зависимость от х, решить аналитически это уравнение не представляется возможным. Для определения профиля температуры применяются численные методы с использованием уравнений дробных шагов и неявных схем, разработанных для исследования эволюции теплового импульса в тонкопленочном покрытии совместно с Д.В. Постниковым [13].

Применение принципа расщепления к рассматриваемому процессу, позволяет рассчитывать отдельные комплексы, входящие в уравнение, на различных промежуточных этапах. Это упрощает построение и использование аппроксимирующих схем.

Применение неявных схем связано с необходимостью при расчете очередного временного слоя решать систему уравнений, связывающих в узлах шаблона, принадлежащие этому слою точки. Для решения подобных систем уравнений разработаны специальные методы.

Рассмотрим решение для стационарного уравнения теплопроводности.

Т(х)=Т0-Ь^х (2)

где Т„ - температура на поверхности образца, Та, - температура на глубине с)1 образца.

Температура на поверхности образца определяется по следующей формуле:

(3)

<Х\ Я сс3

Температура на второй поверхности — по формуле:

Т -Т , 1 ~Га2

ос 1 с11 1 (4>

1 — + —+ —■

а, X а2

где г„ - температура газа внутри, г„2 - температура газа снаружи.

Расчёт с использованием численного метода показывает температуру на поверхностях соответственно г„ = 654,3539 к, г„, =645,6461 к (при Гд1 =1000; Тд2 = 300градусах по шкале Кельвина).

В результате расчёта аналитическим методом получены: Т„ =654,3626 К , Тл = 645,6374 К.

Зависимость температуры от толщины покрытия носит линейный характер, с увеличением толщины температура снижается. Скорость снижения температуры приблизительно одинакова для всех бинарных систем, это объясняется тем, что она определяется теплопроводностью матрицы.

Температурное поле в модифицированном образце. Для модельных расчетов для толщины образца выбрано значение 5 миллиметров. Определение коэффициента теплоотдачи осуществляется по формуле:

а, =90(1000 гГ'г"— (5)

где т- время импульса.

Для получения зависимости распределения температуры в поверхностном слое воспользуемся средним интегральным значениям

коэффициентом теплоотдачи: а = 27,168-^^- = 113562-4^, что согласуется с

м сК м сК

теорией.

750 • - -

-сталь -¿-МЬ --»—Та —Мо -в-Сг

Рис. 1. Распределение температуры в образце с покрытием в 10 мкм, время импульса - 0.2 мс, температура газа - 3000 К.

Температура газа, как показывает ее измерение, составляет Т,а,л = 300(Ж. Начальная температура бинарного слоя составляла 300 градусов по шкале Кельвина. В связи с тем, что максимум температуры от одиночного импульса находится на глубине до 60 мкм, теплофизические свойства покрытия являются определяющими для величины импульса.

Результаты расчетного определения температуры в стали 38Х2МЮА, вольфраме, ванадии, ниобии, тантале, молибдене и хроме показали, что

наибольшее снижение теплового импульса обеспечивают молибден, тантал и вольфрам (рис. 1).

Однако на работоспособность покрытия могут влиять термомеханические напряжения. Внутренние напряжения ож, возникающие по глубине образца вдоль оси ОХ, рассчитываются по уравнению упругой волны (Г.А. Блейхер, В.П. Кривобоков, О.В. Пащенко):

(6)

где сг - внутренние напряжения; сг - удельная теплоемкость; и„ -продольная скорость звука; р - плотность; Г — параметр Грюнайзера. Данный вид напряжений приводит к сжатию или растяжению пластины.

Расчет волны напряжений, которая распространяется вдоль оси ОХ (рис. 2), показывает, что в зависимости от различных времен нагрева, максимум напряжений наблюдается в заключительный момент теплового импульса, что связано с максимумом температуры в материале (1200 К). Величина напряжений, возникающих вдоль оси ОХ при максимуме температуры, существенно меньше предела прочности материала и покрытия 900-300 МПа для различных материалов покрытия, поэтому данный вид напряжений не может привести к разрушению материала.

1.8 10'

1,6 10

1,4 10

1,2 10

1 10

5 8 10

* 6 10

4 10

2 10

0

-сталь -»-\Л/ -»-V--*-Та-Мо -е-Сг

Рис. 2. Распределение нормальных напряжений в стали с покрытием по оси ОХ при температуре поверхности 1200 К.

Как показывают расчеты, динамические напряжения вдоль оси ОХ быстро затухают, однако возникают напряжения в поперечном ей направлении - вдоль оси ОУ. Это вызвано градиентом температуры вдоль оси ОУ и неоднородностью свойств в многослойных образцах.

Таким образом, наиболее опасными являются напряжения, которые возникают в поперечном направлении к глубине образца - вдоль оси ОУ.

10

X, м

2 • 10"5 6 ■ 10~5 1 • Ю-4 1,4 ■ 1СГ4 1,8 • 1<Г4

-—ст«и> •Ф'Ш *ч»»Мо -в-Сг

Рис. 3. Распределение тангенциальных напряжений в стали с покрытием по оси ОУ при температуре поверхности 1200 К.

Положительные значения щ определяют величину напряжений растяжения, отрицательные значения, соответственно, - волну сжатия.

Как свидетельствуют результаты расчетов напряжений в поперечном направлении к глубине образца при нагреве до 1200 градусов по шкале Кельвина (рис. 3), минимальные напряжения возникают в следующих материалах: тантал, молибден и вольфрам. Полученные в соответствии с разработанной моделью характеристики теплонапряженного состояния модифицированного приповерхностного слоя выступают в качестве критериев выбора материала, эффективно снижающего вызванные кратковременным тепловым импульсом напряжения. Такими материалами являются тантал, молибден и вольфрам, что обусловливает целесообразность их использования в процессе модифицирования поверхности конструкционной стали для повышения ее работоспособности.

В третьей главе «Методы получения и исследования бинарных систем сталь-покрытие» уточняются условия нанесения покрытия, приводится описание метода ионно-плазменного модифицирования поверхности стали, включающей предварительную ионную имплантацию с целью повышения адгезионных свойств поверхностей на которые наносятся покрытия из тантала, молибдена и вольфрама.

Комбинирование процессов ионной имплантации, а также ионно-плазменного напыления было реализовано на установках ННВ-6 совместно с установкой \/ЗМ-200. При этом сначала проводится ионная имплантация материала катода в приповерхностный слой изделия, а затем модифицирование его поверхности посредством ионно-плазменного напыления.

Технологический процесс ионной имплантации с последующим ионно-плазменным напылением проводится поэтапно и включает следующие операции:

- подготовка образцов;

- ионная очистка;

- ионная имплантация;

- ионно-плазменное напыление;

- охлаждение.

1. В ходе выполнения первой операции осуществляется осмотр изделий, их подготовка. Удаляются загрязнения с обрабатываемых изделий, так как различные загрязнения приводят к резкому ухудшению характеристик покрытия. Требования, предъявляемые к используемым изделиям:

а) шероховатость обрабатываемых рабочих поверхностей должна быть не ниже На=1,25, так как качество покрытия улучшается с повышением чистоты поверхности;

б) на нерабочих поверхностях шероховатость может быть больше, однако наличие окалины, ржавчины, пор и трещин не допускается;

в) упрочнению не подлежит деталь, прошедшая химико-термическую обработку, не допускаются следы прижогов, заусенцы, сколы, затупления на рабочей части, паяные соединения, в состав которых входят легколетучие компоненты: цинк, олово, кадмий и др.

Подготовка к процессу имплантации и напыления также включает:

- очистку ржавчины;

- промывку в ультразвуковой ванне (частота составляет4 кГц, а время обработки - 5 минут);

- протирку камеры, приспособлений для напыления с использованием салфетки, спирта.

2. Ионная очистка деталей в камере установки производится с целью удаления окислов с модифицируемой поверхности. Ионная очистка камеры проводится в среде аргона при давлении 5x10" мм. рт. ст.

3. Ионная имплантация. Имплантация ионов Мо, Та и \Л/ проводится в соответствии с режимами, представленными в таблице 1.

4. Ионно-плазменное модифицирование проводится на установке УБМ-200 в рабочей камере при давлении 3,2-3,4 х10 3Па, сила тока 0,3 А, в среде аргона. Оптимальное время напыления составляет 30 минут.

5. Охлаждение изделий происходит в камере до температуры 250 - 300 °С при давлении 5x10"5 мм. рт. ст. Для ускорения охлаждения в камеру подается аргон. Изделия выдерживаются в камере не менее 30 минут.

После проделанных операций производится разгерметизация камеры и выгрузка изделий.

Режимы ионной имплантации и последующего ионно-плазменного напыления определялись экспериментально для каждого вида напыляемого

материала. Поверхностное структурное модифицирование образцов выполнялось в соответствии с описанной методикой.

Таблица 1. Параметры режима ионной имплантации

Материал катода Мо Та \Л/

Давление в камере, мм.рт.ст. (Па) не более 5 х 10~ь _£6,65x10"3) не более 5 х 10"ь (6,65 х10^) не более 5 х 10* (6,65x10"3)

Напряжение поджига ип = 400 В ип = 400 В ип = 400 В

Напряжение дуги ис)= 400 В и а — 450В ий= 500В

Ускоряющее напряжение, кВ иуск = 32 кВ иуск = 32 кВ иуск = 32 кВ

Ток, А 0,16 А 0,21 А 0,25 А

Время импульса, с 250 х 10* с 250 х 10* с 250х10*с

Время имплантации, с 600 с 600 с 600 с

Доза имплантации, ион/см2 2,25 х 1017 2,3 х 1017 2,7 х 1017

В четвертой главе «Исследование модифицированных поверхностей конструкционной стали 38Х2МЮА методами электронной и зондовой микроскопии» рассматриваются результаты исследования топографии, фазового состава и механических свойств образцов, модифицированных в соответствии с разработанным методом.

Исследование микротвердости исходных и модифицированных образцов производилось по методу Виккерса на микротвердомере ПМТ-ЗМ. Величина нагрузки, прикладываемой к алмазному наконечнику, составляла 4,905 Н. Величина микротвердости каждого образца измерялась 5 раз. Разброс значений по абсолютной величине не превышал 9%.

Полученные зависимости микротвердости модифицированной стали 38Х2МЮА от времени напыления (рис. 4, 5) показывают, что наибольшей микротвердостью обладают образцы, для которых время напыления составило 30 минут, при этом значения микротвердости модифицированных образцов превышают микротвердость исходного образца в 1,9 раза при модифицировании молибденом и в 1,84 раза - танталом. Значения микротвердости образцов, модифицированных вольфрамом, не превысили в пределах погрешности микротвердость исходных образцов (значение микротвердости по Виккерсу составляет 517,7 МПа), поэтому они не использовались в процессе оценочных испытаний.

Полученные значения микротвердости исследуемых образцов позволяют сделать вывод о том, что модифицирование поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА комбинированным ионно-плазменным методом приводит к значительному повышению ее микротвердости по

сравнению с микротвердостью исходного образца после 30-минутного напыления Та и М о.

Экстремальный характер зависимости микротвердости модифицированных образцов от времени напыления может быть объяснен с точки зрения островковой модели. В случае, когда длительность напыления составила 30 минут, интенсивность осаждения ионов была минимальна, площадь поверхности максимальна, процессы распыления и осаждения на поверхности - равновероятны.

Рис. 4. Зависимость микротвердости стали 38Х2МЮА, модифицированной Mo, от времени напыления.

Рис. 5. Зависимость микротвердости стали 38Х2МЮА, модифицированной Та, от времени напыления.

Исследование и анализ влияния ионно-плазменной обработки на топографию исследуемых образцов проводился с использованием зондовой нанолаборатории NTEGRA Aura (НТ-МДТ) при комнатной температуре.

14

А ¿¿м г/

20-поверхность стали 38Х2МЮА

20-поверхность сталь-Мо

_____

2П-поверхность сталь-Та

ЗБ-поверхность стали 38Х2МЮА

Шу

ЗБ-поверхность сталь-Мо

ЗБ-поверхность сталь-Та

Рис. 6. Топография поверхности (изображения рельефа в АСМ-режиме) исходного образца, а также образцов с 30-минутным напылением Мо и Та.

Математическая пост-обработка полученных результатов осуществлялась при помощи пакета SPIP (Image Metrology, Дания), а также Gwyddion.

Выполненные исследование топографии исходной поверхности и модифицированных образцов в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволили определить характерный размер структуры (размер кристаллита D), шероховатость (Sa) и площадь поверхности (Ssurf) исследуемых образцов (рис. 6, таблица 2).

Полученные значения (таблица 2) характерного размера структурных элементов поверхности указывают на увеличение размера кристаллитов модифицированных образцов по сравнению с исходным состоянием. Также наблюдается увеличение шероховатости и площади ЗБ-поверхности образцов, подвергнутых 30-минутному ионно-плазменному напылению тантала и молибдена, в сравнении с характеристиками немодифицированной стали, что характерно и для полученных зависимостей микротвердости исследуемых образцов от времени напыления.

Таблица 2. Параметры поверхности модифицированных образцов

Образец / Параметр Характерный размер структуры D, нм Шероховатость поверхности Sa, НМ Площадь поверхности Ssurf Ю7, нм2

Сталь 38Х2МЮА без напыления >260 3,59 4,87

напыление Та 25 мин 400 - 650 3,6 4,67

напыление Та 30 мин 4,72 6,01

напыление Та 35 мин 2,65 3,36

напыление Та 40 мин 4,43 5,95

напыление Та 45 мин 2,27 2,93

напыление Мо 25 мин 200 - 450 1,91 2,50

напыление Мо 30 мин 5,48 7,77

напыление Мо 35 мин 2,21 2,91

напыление Мо 40 мин 2,59 3,43

напыление Мо 45 мин 2,23 2,85

Для исследования структуры и химического состава поверхностного слоя стали 38Х2МЮА модифицированной Та и Мо проводилось рентгенодифракционное сканирование исходных и модифицированных образцов на порошковом дифрактометре D8 Advance (Bruker) в Сика -излучении в области углов 20-125° (20) с шагом 0,02° и временем накопления 1 секунда в точке. Для увеличения статистики счета рентгеновских квантов использовалось вращение образца. Параметры ячейки

16

уточнялись методом наименьших квадратов с использованием внутреннего стандарта программного комплекса Diffrac.suite. В качестве стандарта использовали кремний поликристаллический Si - SRM640b, который перед сканированием наносился тонким слоем на образцы.

190 180 -170 "

160 " 150 " 1+0 J

130 " 120 НО

2 - Theta - Scale

Рис 7. Рентгенограмма образца из стали 38Х2МЮА

2 - Theta - Scale

Рис 8. Рентгенограмма образца из стали 38Х2МЮА, модифицированного

танталом

На рисунках 7-9 приводятся дифрактограммы с вычтенным фоном (без учета помех). На дифрактограмме образца, модифицированного танталом,

17

наблюдается выраженный максимум интенсивности соответствующий углу 36°, а на дифрактограмме образца, модифицированного молибденом, -соответствующий углу 39°.

ISO 1 1*0 j 130 i 120 \ но i

1100

190 i » J

70 1 63 ;

so 1

40 -30 :

Рис 9. Рентгенограмма образца из стали 38Х2МЮА, модифицированного

молибденом

Таблица 3. Фазовый состав образцов

Образец Фазовый состав № (PDF-2) ОКР (нм) Параметр ячейки а (А)

Сталь Железо Ре 03-065-4899 60±2 2.87432±0.00004

Сталь -тантал Оксид тантала ТагОв 01-074-2305 9,0± 0,2 6.766±0.0006

Железо Ре 03-065-4899 55 ± 2 2.87414±0.00005

Сталь — молибден Молибден Мо 03-065-7442 - -

Карбид молибдена Мо2С 03-066-8766 - -

Железо Ре 03-065-4899 44±1 2.87396±0.00003

Это свидетельствует об образовании в поверхностном слое модифицированных образцов устойчивых соединений Т32О5 и М02С (см. табл. 3), что подтверждает целесообразность использования тантала и молибдена для модифицирования изделий из стали

В то же время использование вольфрама нецелесообразно в виду того, что в этом случае не образуется защитная пленка из оксида или карбида,

происходит быстрое разрушение покрытия при воздействии кратковременных тепловых импульсов, что подтверждается низкими значениями микротвердости образцов, модифицированных вольфрамом.

Максимумы интенсивности, соответствующие углам в 45°, 65°, 82°, 99° и 116°, повторяются на дифрактограммах всех образцов и указывают на содержание железа в их поверхностном слое.

В четвертой главе также описывается методика оценки достигнутого повышения работоспособности стальных деталей (тарировочных пластин) на установке лазерной резки металлов «1_азегМаЛ-4200» в условиях высокотемпературного импульсного воздействия. В ходе опытного исследования работоспособности модифицированных молибденом и танталом образцов было зафиксировано увеличение срока эксплуатации полученных комбинированным методом пластин минимум в 2, а в отдельных случаях от 4 до 6 раз, увеличился период межремонтных интервалов, оцениваемый по количеству операций лазерной резки, а также снижение времени простоя установки и затрат не ее техническое обслуживание.

Общие выводы и результаты.

1. Полученные в рамках разработанной модели характеристики теплонапряженного состояния модифицированного поверхностного слоя образцов позволили обосновать критерии выбора материала модификатора -способность материала к снижению высокотемпературного импульсного воздействия и вызванных им напряжений. В качестве материала модификатора наиболее целесообразно использовать тантал, молибден и вольфрам.

2. Наиболее целесообразными для нанесения работоспособных покрытий из исследованных материалов являются тантал, который в процессе ионно-плазменного модифицирования образует устойчивую пленку оксида тантала Т32О5, а также молибден, на поверхности которого формируется стойкое стехиометрическое соединение карбида молибдена М02С. Использование вольфрама нецелесообразно в виду того, что на его поверхности в процессе формирования покрытия не образуется защитная пленка из оксида или карбида и происходит его быстрое разрушение, что подтверждается значениями микротвердости образцов, модифицированных вольфрамом.

3. Разработан комбинированный метод модифицирования стальных изделий, включающий ионную имплантацию с последующим ионно-плазменным напылением тантала и молибдена, эмпирическим способом определена рациональная последовательность операций модифицирования образцов, а также режим нанесения покрытия, обеспечивающего повышение работоспособности изделий из конструкционной стали 38Х2МЮА в условиях высокотемпературного импульсного воздействия.

4. Полученные значения микротвердости исследуемых образцов позволяют сделать вывод о том, что модифицирование поверхности стали комбинированным ионно-плазменным методом приводит к ее значительному

повышению (значения микротвердости модифицированных образцов превышают микротвердость исходных образцов в 1,9 раза при напылении молибдена ив 1,84 раза при напылении тантала), что способствует повышению работоспособности конструкционной стали 38Х2МЮА в условиях высокотемпературного импульсного воздействия.

5. Определены характеристики топографии поверхностей исходных и модифицированных образцов в режиме контактной атомно-силовой микроскопии. Анализ значений полученных параметров приводит к выводу об увеличении шероховатости, площади поверхности и размера кристаллитов на поверхности образцов, подвергнутых 30-минутному ионно-плазменному напылению тантала и молибдена, в сравнении с характеристиками поверхности немодифицированной стали, что способствует повышению работоспособности конструкционной стали 38Х2МЮА.

6. Проведенные испытания работоспособности модифицированных танталом и молибденом образцов (тарировочных пластин) на установке лазерной резки металлов «LaserMat-4200» показали увеличение срока эксплуатации пластин минимум в 2 раза, а также увеличение периода межремонтных интервалов.

Список публикаций по теме диссертации

1. Теплоухов A.A. Исследование поверхностей стальных образцов, модифицированных Мо и Сг / А.И. Блесман, Е.А. Рогачев, М.А. Зверев, A.A. Теплоухов // Научное обозрение. № 5. - М.: «Наука и образование», 2012. -С. 231-234.

2. Теплоухов A.A. Электронная и зондовая микроскопия тонких пленок Y, Sc, Gd и Cr / А.И. Блесман, Е.А. Рогачев, М.А. Зверев, A.A. Теплоухов // Научное обозрение. № 5. -М.: «Наука и образование», 2012. - С. 226-230.

3. Теплоухов A.A. Ионно-плазменная обработка внутренних поверхностей длинномерных цилиндрических деталей / А.И. Блесман, В.Г. Порохин, A.A. Теплоухов // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: матер. IV Всерос. молодеж. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. - Кн. 1. - С. 341 - 343.

4. Теплоухов A.A. Ионно-плазменная обработка внутренних цилиндрических поверхностей / А.И. Блесман, В.Г. Порохин, A.A. Теплоухов И Омский регион - месторождение возможностей: материалы II регион, молодеж. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 28-29.

5. Теплоухов A.A. Исследование микрорельефа тонкопленочных ионно-плазменных покрытий методом зондовой микроскопии / А.И. Блесман, A.B. Мышлявцев, A.A. Теплоухов II Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ-2012): матер, междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012.-е. 367-371.

6. Теплоухов A.A. Исследование тонких пленок методами электронной и зондовой микроскопии / А.И. Блесман, М.А. Зверев, Е.А. Рогачев, A.A. Теплоухов // Динамика систем, механизмов и машин: матер. VIII междунар. науч.-техн. конф. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - с. 341-344.

7. Теплоухов A.A. Исследование тонкопленочных покрытий молибдена и хрома на конструкционных сталях / А.И. Блесман, М.А. Зверев, Е.А. Рогачев, A.A. Теплоухов // Динамика систем, механизмов и машин: матер. VIII междунар. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - с. 344-347.

8. Теплоухов A.A. Комплексный метод нанесения тонких пленок с улучшенной адгезией / А.П. Моргунов, А.И. Блесман, В.Г. Порохин, A.A. Теплоухов // Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении: матер, науч.-техн. конф. - Киев: ATM Украины, 2011. — С. 131-133.

9. Теплоухов A.A. Оптимизация триботехнических свойств материалов металлополимерных узлов трения / А.И. Блесман, Д.В. Постников, В.И. Суриков, A.M. Ласица, A.A. Теплоухов // сб. тр. XIII междунар. науч.-техн. конф. Машиностроение и техносфера XXI века. - Донецк: ДонГТУ, 2009. -Т.1.-С. 91-95.

10. Теплоухов A.A. Получение тонкопленочных структур ионно-плазменными методами / А.И. Блесман, A.A. Теплоухов. // Омский регион -месторождение возможностей: материалы II регион, молодеж. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 30-31.

11. Теплоухов A.A. Применение метода атомной силовой микроскопии для анализа напряженного состояния в имплантированных слоях / A.M. Ласица, А. И. Блесман, Д.В. Постников, В.Г. Чуранкин, A.A. Теплоухов // Динамика систем, механизмов и машин: матер. VI междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 65-летию ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - Кн. 2. - с. 343-347.

12. Теплоухов A.A. Развитие технического творчества молодежи -необходимое условие подготовки специалистов для высокотехнологических производств / А.И. Блесман, В.Г. Порохин, A.A. Теплоухов. // Ресурсосберегающие технологии - основа сотрудничества: матер. Всерос. молодеж. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 34-36.

13. Теплоухов A.A. Эволюция теплового импульса в тонкопленочном покрытии / А.И. Блесман, Д.В. Постников, A.A. Теплоухов // Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ-2012): матер, междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012. - с. 48-53.

14. Теплоухов A.A. Исследование микротвердости стали 38Х2МЮА, модифицированной Та / А.И. Блесман, Д.А. Полонянкин, A.A. Теплоухов // матер. V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!»: Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. -Кн. 2.-С. 114-115.

Подписано в печать 18.11.2013 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 654

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84.

E-mail: pc_kan@mail.ru 644050, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201454343

ТЕПЛОУХОВ Андрей Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТАЛИ 38Х2МЮА В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУТЕМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ

Специальность: 05.16.09 - материаловедение (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Блесман Александр Иосифович

Омск 2013

Оглавление

Введение.........................................................................................................4

Глава I. Теоретические основы теплофизических процессов в поверхностном слое конструкционных материалов.........................................10

1.1. Физическое моделирование и его применение к исследованию быстропротекающих тепловых процессов в бинарных системах.................10

1.2. Теоретические аспекты ионной имплантации................................20

1.3. Аналитический обзор и классификация методов получения покрытий...............................................................................................................40

Глава II. Исследование теплонапряженного состояния поверхностного слоя бинарной системы в процессе эволюции теплового импульса...............50

2.1. Модель эволюции кратковременного теплового импульса в однородной плоской пластине.............................................................................50

2.2. Подбор материала покрытия............................................................58

2.3. Влияние химических факторов...........................................................66

Глава III. Методы получения и исследования бинарных систем сталь-

покрытие ................................................................................................................71

3.1. Описание установки ионной имплантации и вакуумного ионно-плазменного напыления........................................................................................71

3.2. Режимы ионной имплантации и нанесения покрытий................... 78

3.3. Комбинированный метод ионно-плазменного модифицирования конструкционной стали.......................................................................................82

Глава IV. Исследование модифицированных поверхностей конструкционной стали 38Х2МЮА методами электронной и зондовой микроскопии..........................................................................................................85

4.1. Методы электронной микроскопии...................................................85

4.2. Методы сканирующей зондовой микроскопии.................................97

4.3. Проведение измерений и обработка полученных результатов.... 105

Выводы.......................................................................................................131

Список литературы...................................................................................133

Приложения...............................................................................................148

Введение

Модифицирование конструкционных материалов с целью направленного изменения их физико-химических свойств является весьма востребованной и актуальной задачей современного материаловедения. Во многих отраслях машиностроения широко востребованы материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами, такими как работоспособность, механическая прочность, износостойкость и т.д.

В процессе эксплуатации деталей, узлов и агрегатов технологического оборудования, а также изделий машиностроения, изготовленных из конструкционных сталей и сплавов, в условиях высокотемпературных импульсных воздействий происходит снижение их работоспособности с дальнейшим разрушением, например, в установке лазерной резки «ЬавегМа^ 4200».

Изготовление деталей из дефицитных и дорогостоящих материалов нерационально, а зачастую невозможно, что обусловливает актуальность фундаментальных и прикладных исследований, направленных на формирование покрытий, наносимых на различные конструкционные металлические материалы с целью повышения их работоспособности.

В тех случаях, когда изменениям, в том числе необратимым, подвергается поверхностный слой объемной детали, в качестве альтернативы ее полного восстановления с использованием дорогостоящих конструкционных материалов, применяются методы поверхностного модифицирования. Нанесение покрытий позволяет восстановить свойства изделий, утраченные в процессе эксплуатации, а также повысить их ресурс, поэтому чаще всего модифицируют поверхности исходных изделий, получаемых в процессе производства. Среди таких методов высокой эффективностью отличается ионно-плазменное модифицирование.

Таким образом, актуальность проблемы повышения работоспособности конструкционных сталей обусловлена их широким применением в механизмах машин и технологического оборудования, эксплуатируемых при

воздействии высоких импульсных температур. Одним из возможных способов разрешения этой проблемы является модифицирование поверхностей конструкционных сталей посредством применения ионно-плазменных методов.

Объект и методы исследования. Конструкционная сталь 38Х2МЮА, модифицированная молибденом и танталом комбинированным ионно-плазменным методом.

При выполнении работы были использованы апробированные экспериментальные методы исследования поверхности (зондовая и электронная микроскопия), а также структуры и химического состава (рентгенографическая дифрактометрия) поверхностных слоев.

Используемые методы модифицирования поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА:

1. Ионная имплантация: частотно-импульсный ионный источник «ДИАНа», позволяет получать пучки ионов любых проводящих материалов с энергиями до 150 кэВ, при этом пробег ионов в мишени составляет до десятых долей микрона.

2. Магнетронное напыление: VSM-200 позволяет производить предварительную очистку мишени в плазме тлеющего разряда (в среде аргона), а также проводить поверхностное модифицирование с получением качественных однородных плотных покрытий.

Цель работы: разработка методических основ поверхностного модифицирования изделий из конструкционной стали 38Х2МЮА, обеспечивающего повышение их работоспособности.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи исследования:

1. Исследование процесса распространения кратковременного теплового импульса в бинарной системе «сталь - покрытие» и разработка физико-математической модели его эволюции.

2. Обоснование критериев выбора материала, обеспечивающего снижение высокотемпературного воздействия и вызванных им напряжений, для модифицирования поверхности стали 38Х2МЮА.

3. Разработка комбинированного метода ионно-плазменного модифицирования поверхности стали 38Х2МЮА, а также режима модифицирования, обеспечивающего повышение её работоспособности.

4. Установление взаимосвязи между характеристиками модифицированной стали (микротвердость, топография) и материалом модификатора, а также режимом его нанесения.

5. Установление взаимосвязи между структурными изменениями и химическим составом поверхностного слоя стали 38Х2МЮА и материалом модификатора.

Научная новизна результатов исследования:

1. Физико-математическая модель эволюции кратковременного (до 0,2 мс) теплового импульса в бинарной системе «сталь - покрытие», разработанная с использованием уравнений теплопроводности и упругой волны с соответствующими начальными и граничными условиями, позволяющая рассчитать возникающие температурные поля, нормальные и тангенциальные напряжения, обусловленные этими полями.

2. Экспериментальные зависимости изменения микротвердости и топографии поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА, модифицированной молибденом и танталом, от параметров режима модифицирования.

3. Комбинированный ионно-плазменный метод модифицирования, включающий предварительную ионную имплантацию с целью улучшения адгезионных свойств поверхности и последующее ионно-плазменное напыление покрытий из молибдена и тантала, обеспечивающего повышение работоспособности стали 38Х2МЮА.

На защиту выносятся:

1. Модель эволюции теплового импульса, позволяющая рассчитать температурные поля, нормальные и тангенциальные напряжения, возникающие в бинарной системе «сталь - покрытие».

2. Установленные в рамках разработанной модели критерии выбора материала для модифицирования конструкционной стали 38Х2МЮА, обеспечивающего снижение высокотемпературного импульсного воздействия и вызванных этим воздействием напряжений.

3. Экспериментальные зависимости микротвердости модифицированных поверхностей от режима ионно-плазменной обработки, позволяющие выбрать оптимальные параметры процесса имплантации и напыления работоспособного покрытия.

4. Характеристики топографии модифицированных поверхностей, позволяющие выбрать материал для напыления работоспособного покрытия.

5. Комбинированный метод модифицирования поверхности конструкционной стали 38Х2МЮА, включающий ионную имплантацию с последующим ионно-плазменным напылением молибдена или тантала, в зависимости от условий эксплуатации.

Практическая значимость работы. Разработан метод поверхностного модифицирования стали, заключающийся в сочетании предварительной ионной имплантации (с целью повышения адгезионных свойств поверхности) с последующим ионно-плазменным вакуумным напылением выбранного материала (молибден, тантал), обеспечивающий повышение работоспособности конструкционной стали 38Х2МЮА.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы для поверхностного модифицирования тарировочных пластин установки лазерной резки «ЬазегМа1-4200». Пластины, модифицированные комбинированным ионно-плазменным методом, прошли натурные испытания на данной установке на заводе мостовых металлоконструкций ООО НПО «Мостовик». Оценочные испытания показали значительное (не

менее чем в 2, а в отдельных случаях от 4 до 6 раз) увеличение межремонтных сроков эксплуатации, что дает значительный экономический эффект.

Личный вклад автора состоит в выборе основных направлений исследования, разработке физико-математической модели эволюции кратковременного теплового импульса, методики модифицирования конструкционной стали 38Х2МЮА комбинированным ионно-плазменным методом, в проведении экспериментов и расчетов, анализе экспериментальных и расчетных данных, в обобщении результатов исследования.

Степень достоверности результатов диссертации. Достоверность полученных результатов подтверждается высокой степенью корреляции между результатами, полученными различными методами (рентгеновский микроанализ, атомно-силовая и электронная микроскопия), а также согласием с результатами, полученными в данной области отечественными и зарубежными исследователями.

Апробация результатов исследования. Основные практические результаты и теоретические выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах международного, федерального, регионального и вузовского уровней в Донецке (международная научно-практическая конференция «Машиностроение и техносфера XXI века», 2007 г.) [57], Омске (VI и VIII международная научно-практическая конференция «Динамика систем, механизмов и машин», 2007, 2011, 2012 гг.; V Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!», 2013 г.) [49-50], [52], [54-55], [58-60] Киеве (международная научно-практическая конференция «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении», 2011 г.) [56], Санкт-Петербурге (международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов», 2012 г.) [51],

[61] и нашли своё отражение в научных публикациях, в том числе в статьях, рекомендованных ВАК [53], [62].

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 14 работах, в том числе 2 работы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 132 наименования и приложения. Основной текст изложен на 124 страницах, содержит 22 рисунка и 8 таблиц.

Глава I. Теоретические основы теплофизических процессов в поверхностном слое конструкционных материалов

Любое исследование начинается с установления общих подходов к описанию закономерностей рассматриваемого процесса. Метод моделирования позволяет сочетать эмпирический и теоретический уровни исследования различных физических объектов, что обусловливает возможность его применения к изучению процесса теплового воздействия на модифицированную поверхность конструкционных материалов. Исследование теплофизических процессов в поверхностном слое конструкционной стали проводится посредством построения физико-математической модели эволюции кратковременного теплового импульса в поверхностном слое стали до и после ее модифицирования, устанавливаются критерии выбора материала для модифицирования конструкционной стали 38Х2МЮА, обеспечивающего снижение высокотемпературного импульсного воздействия и вызванных этим воздействием напряжений.

В первой главе также рассматриваются общенаучные основы метода моделирования и его применение к построению физических моделей быстропротекающих тепловых процессов в отечественной и зарубежной литературе. Выделяются основные этапы построения модели кратковременного теплового воздействия на поверхность предварительно модифицированных конструкционных материалов, ее структурообразующие элементы, а также формулируются цели и задачи исследования. Проводится анализ теоретических и экспериментальных данных по проблеме снижения высокотемпературных кратковременных воздействий в процессе эксплуатации конструкционных сталей, в том числе посредством применения ионной имплантации.

1.1. Физическое моделирование и его применение к исследованию быстропротекающих тепловых процессов в бинарных системах

В процессе анализа литературы по проблеме моделирования было выявлено многообразие трактовок понятия модели в зарубежной (Л.

Апостель, Р. Шеннон) и отечественной (В.А. Веников, Н.М. Амосов и др.) литературе [2; 10; 37; 70], в том числе мнение, исключающее возможность построения ее единого определения [75]. Например, А.И. Уемов определяет модель, как систему, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе [64].

Таблица 1

Классификация моделей по В.А. Штоффу

Мысленные модели

Материальные модели

Образные

Смешанные

Знаковые

Пространственно-подобные

Физически-подобные

Математически-подобные

3.

к „ К К Я"

ч о ЕС О

а> К И о <и ¡г к н <и н о с к

и

Й м К

<и

ч

К К

ч о

ч о

и О

я

ев

<и к

1-4

ч <и ч о

<и

к о

Он

с

в? к я <и ч со Й н о ч

<и

Он

с

я «

я я

Я

Й X Он ^а „

ев л я * ^

« 9 й Д Л & Й ° ~

^ <и ^ Я 3 н

в & Й

и « л

Н О

2 о

£3

(и «

о

И Й я

Он со ю о ° 2 я я й 03

о

иО

я я

<Ц

ч (и

ч

<и

сх,

я

о

а> н о я а о я н 0)

я

а

<и

н

я

я

я «

м о я о я

о

« <и

03 Я

4 (и Ч О

<и

я я

3

н «

й

Я Я

я

СО ь<< Н * О

я

Й ^

о о си я

я

Я !=*

я со

в 2

Й В,

5 «

Й ч ю о

я" ч

О)

ч о

«

я ю о ч о я

о

1-н

о «

о

<и

¡Г

я

п

я

-е*

2 о

я я

(-Н

я

Он

о

<и

я

л я

^ к

^ а

и ^

>-. О)

~ 3

со о

я о я

О & В

Д т=г ж

со о и о

я

с

я я

Я" >>

' и ^

я

ч

О)

ч о

Классификация моделей возможна различными способами, в зависимости от выбранного основания (табл. 1) [11]. Данная классификация отличается четкой и логической структурой и может быть использована в качестве основы для анализа функций моделей [27].

К основным типам моделей относятся статические и динамические, детерминистские и стохастические, дискретные и непрерывные, натурные (физические), аналоговые и символические модели [70]. В качестве оснований для классификации моделей также может быть рассмотрена их зависимость от направленности времени [4].

Моделирование является методологической основой современной науки. В широком смысле слова моделирование выражает некоторый

всеобщий аспект познавательного процесса. В узком смысле слова моделирование - это специфический способ познания, при котором одна система (объект исследования) воспроизводится в другой (модели), при этом модель является целью, средством и результатом моделирования [11; 12; 31; 64; 71]. Любое изучение количественных и качественных характеристик процесса высокотемпературного импульсного воздействия на поверхность конструкционных материалов является его моделированием, которое требует последовательного, доказательного установления структуры и параметрических характеристик исследуемого процесса.

В практике моделирования чаще всего не удается строго выдержать рекомендуемую последовательность действий, следовательно, выявление или уточнение неявных сторон процесса импульсного воздействия на модифицированную поверхность материалов должно решаться путем логического построения модели ее состояния (теплового, напряженного) и нахождения связей и отношений ее отдельных элементов.

Таким образом, физическая структурно-функциональная модель эволюции теплового импульса относится к материальным, смеша�