автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние поверхностного модифицирования на механические свойства молибдена

" РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ им. A.A. Байкова

РГБ ОД

На правах рукописи

КОЛМАКОВ Алексей Георгиевич

УДК 539.4:620.18:530.1

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОЛИБДЕНА.

Специальность 05. 16. 01. "Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1994.

Работа выполнена в Институте Металлургии ин. А.А.Байкова Российской Академии наук.

Научный руководитель доктор технических наук

профессор В.Ф. ТЕРЕНТЬЕВ

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Т.А. ЧЕРНЫШЕВА

кандидат технических наук И.А. ВОРОБЬЕВ

Ведущая организация цпо КОМПОЗИТ

Защита диссертации состоится " ¡Т. ". . 1994-Г

г. в ... часов на заседании специализированного Совета Д 003. 15. 03 Института Металлургии им. А.А.Байкова РАН (117334, Москва, Ленинский проспект 49, конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Металлургии.

Автореферат разослан "¿3. ". ЯСИТ.^Л.. 199^ г.

Ученый секретарь специализированного Совета

д.т.н.

В.М. БЛИНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Важная роль свободной поверхности и состояния приповерхностных слоев металла в формировании механических свойств и кинетике накопления повреждаемости обусловлена следующий: 1. Зарождение трещин в металлических материалах при нагружении происходит в большинстве случаев с поверхности; 2. Еще на макроупругом этапе деформации в приповерхностных слоях более интенсивно начинают протекать процессы микропластической деформации, приводящие к образованию градиента плотности дислокаций меиду приповерхностным слоем и внутренними объемами материала. Это влияет на характеристики механических свойств и проявление таких феноменов, как физический предел текучести, физический предел выносливости, эффект Бауяингера; 3. Микропластическая деформация в приповерхностных слоях предшествует процессу хрупкого разрушения материалов.

В связи с этим актуальной проблемой является исследование влияния модифицирования поверхности на процессы самоорганизации структуры тонких поверхностных слоев металлических иатериалов с целью управления их механическими свойствами. Важное прикладное значение вопроса обусловлено интенсивным развитием в настоящее время технологий, связанных с созданием и модификацией тонких (-0,1...50 мкм) поверхностных слоев.

Для решения указанной проблемы перспективно использование подхода, учитывающего кроме общепринятых структурных параметров фрактальную природу металлических материалов. Это стало возможным благодаря развитию в последние годы теоретических представлений о фракталах и мультифракталах (МФ).

Настоящая работа выполнена в соответствии с основными научными направлениями РАН по теме: 1.3.2.4. "Исследование влияния состояния поверхности и физико-химических воздействий активных сред на процессы деформации и разрушения твердых тел" и является составной частью работ по развитию фрактального материаловедения.

Цель паботы. На основе мультифрактального формализма

исследовать влияние различных видов воздействий на фрактальную структуру приповерхностных слоев молибдена с целью улучшения его механических свойств.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. На основе мультифрактального формализма разработать методику цифровой параметризации структур металлических материалов, позволяющую исследовать их однородность и периодичность; ,,

2. На примере Мо исследовать влияние различных, видов механических и физических воздействий на фрактальную структуру приповерхностных слоев и механические свойства металлических материалов;

3. Изучить связь процессов самоорганизации структуры в приповерхностных слоях на разных стадиях процесса деформации с модифицированием поверхности.

4. Разработать новый вариант установки для усталостных испытаний тонких проволок и волокон, позволяющий проводить экспрессную оценку влияния состояния поверхности материала на сопротивление усталости.

5. Предложить рекомендации по использованию модификации поверхности в целях повывення механических свойств ОЦК металлов. Научная новизна.

1. На примере Мо показана возможность управления механическими свойствами металлических материалов за счет воздействия на фрактальную (в т.ч. дислокационную и субзереннуи) структуру приповерхностных слоев путем модифицирования поверхности: изменения размеров поверхностных микродефектов, нанесения тонких ионно-вакуумных покрытий, обезуглероживания поверхности;

2. Разработана методика цифровой параметризации структур металлических материалов, позволяющая изучать их мультифрактальные характеристики, а также выявлять степень однородности и скрытой периодичности;

3. Поверхностное модифицирование Мо позволило улучшить характеристики механических свойств, в часности ори статическом растяжении увеличить пределы пропорциональности на 28% и относительное удлинение на 119%, а при циклическом изгибе на порядок увеличить долговечность;

4. Определены относительные размеры приповерхностной зоны, в которой протекают процессы активной самоорганизации фрактальных структур. В случае Мо относительная глубина зоны Ь/с1 составляет

0.0008.. ,0.002 (Ь - глубина активной зоны, (1 - диаметр образца); Практическая ценность работы

1. Выявленные закономерности влияния модифицирования поверхности на механические свойства Мо и фрактальную структуру

приповерхностных слоев могут бить использованы для дальнейшего развития теории прочности и пластичности ОЦК металлов, а также для разработки принципиально новых технологий упрочнения и оптимизации уже имеющихся технологий, связанных с модифицированием структуры поверхности металлов и сплавов;

2. Разработанная методика мультифрактального количественного анализа структур является основой для установления связи меяду фрактальной структурой и свойствами металлических материалов;

3. Разработан новый вариант установки для усталостных испытаний, позволяющий сроводить экспрессную оценку усталостных характеристик материалов в виде тонких проволок и волокон. На установку зарегистрированы две заявки на патент РФ;

4. Полученные при исследовании влияния ионно-вакуумных покрытий на механические свойства Мо результаты используются (будут использованы) в "ВШ1ИНМ ни.A.A.Бочвара", "НПО ТЕХНОМАВ" и "КБ Химического машиностроения им.А.М.Исаева" при разработке перспективных технологий и оборудования модификации поверхности, средств технологического оснащения для производства нового поколения ракетно-космической техники.

На заииту выносятся:

1. Методика цифровой параметризации структур металлических материалов, позволявшая выявлять степень их однородности и скрытой периодичности, изучать мультифрактальные характеристики пластической деформации и разрушения;

2. Возиошность управления механическими свойствами ОЦК металлов путем воздействия на фрактальную (в т.ч. дислокационную и субзеренную) структуру их приповерхностных слоев (на примере Мо с использованием характерных технологий модифицирования поверхности: уменьнение величины поверхностных дефектов, нанесение ионно-вакуумных покрытий, обезуглероживание поверхности);

3. Связь процессов самоорганизации структуры в приповерхностных слоях ОЦК металлов на разных стадиях деформации с модифицированием поверхности (на примере Мо с покрытием Мо-45,8Re-0,017С).

Аппобания работы. Основные результаты и положения диссертации были представлены на следующих совещаниях и конференциях: 1. XIII Международная конференция "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (г.Самара,28июня-2июля 1992г.);

2. Симпозиум Балтийских государств "Порощковая. металлургия в Балтийских госуд\арствах" (г.Каунас,12-14октября 1992г.);

3. International Conference "Surface Engineering" . (ФРГ, г.Бремен, 9-.1^м^рта 1993г . ) ;

4. Second Sino-Bussia Symposium on Advanced . Materials . and Processes (Китай, г.Сиань, октябрь 1993г.).

Публикации.) 11 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из .введения, пяти..глав, выводов и списка используемой литературы наименований),

изложена на страницах и содержит ¿(ц рисунков и таблиц.

Научный консультант к.ф.-м.наук Г.В. Встовский.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Аналитический обзоо литературы содержит изложение современных представлений об основных закономерностях деформирования приповерхностных слоев и их влиянии на общую деформации металлов, а также данные о влиянии состояния поверхностного слоя на их механические свойства. Рассмотрены подходы к проблеме с использованием синергетических и фрактальных представлений. Сделаны выводы и обоснованы задачи исследования. Предложено рассматривать приповерхностные слои как подсистему, входящую в общую систему деформируемого металла« Сделано предположение о том, что посредством изменения свойств указанной подсистемы можно эффективно управлять свойствами системы в целом. Материал» и методики исследований,

. Объектом исследований служили проводки из , технически чистого 1' Мо (О,025C-0,005N-0,16Ti) d=0,2...1 мм и из малолегированного сплава Мо (0,lHfС-0,lHfN-0,ОЗС) d=0,3 им, разработанного в ИМЕТ (Поварова К.Б., Заварзина Е.К. и др.). Такой выбор обусловлен тем, что Мо является конструкционным и модельный материалом (типичный ОЦК металл, отсутствие аллотропических превращений, высокие температуры

рекристаллизации, низкая релаксационная способность и др.).

Рассматривались следующие способы модифицирования поверхности: 1. изменение геометрических характеристик поверхности образцов из Мо н сплава путем изменения размеров поверхностных микродефектов при обработке наждачными бумагами и электрополировке; 2. нанесение покрытий из Re (h=0,4...4,2 мкм) и Си (h=0,2...4,2 мкм) вакуумным электроннолучевым напылением с

одновременны» облученнием ионаии Аг на образцы из Но d=l*m; 3. нанесение покрытий из сплава Мо-45,8Re-0,017C (h=0,3...2,5 мкм) магнетронным напыление» в вакууме на образцы из Mo d=0,2 ми и сплава d=0,3 мм с дополнительным вакуумным отжигом (850 °С, 2 ч. или еще 1400 °С 20 мин.); 4. обезуглероживание приповерхностных слоев образцов из Mo d-1 им путем отжига в вакууме не хуже 1,33«10~3 Па (Ю-5 мм рт.ст.) при 1400 °С и 800 °С в течении 2 ч.

Проводились испытания на статическое растяжение и

4 6

усталостный изгиб с вращением (N= 2*10 ...6*10 ). В последней случае использовалась модернизированная установка. При структурных и фрактографических исследованиях применялись оптическая и растровая электронная микроскопия, а также методика скользящего пучка рентгеновских лучей, разработанная Л.М. Рыбаковой и Л.И. Куксеновой (ИМАШ РАН), Распределение Re в покрытии Mo-Re изучалось методом PCÄA на установке "Camebax", а содержание углерода в приповерхностном слое оценивалось методом РФЭС (ЭСХА) на установке LHS-10 "leybold".

Методология пнДповой пяпйвкуггмзяпин rrrnvxrvn.

Под параметризацией понимается способ описания структур с помочью некоторых количественных характеристик, что позволяет различать и сравнивать подобные друг другу системы. Традиционное описание структур основано на их приближенном представлении геометрическими фигурами с целыми размерностями (точка, отрезок, линия, плоскость, трехмерное пространство), причем их внутренняя геометрия при этом игнорируется. Однако в очень больвом числе случаев при изучении объекта нельзя не учитывать сложность его внутреннего строения. Традиционные структурные методы позволяют только качественно оценить сложность и периодичность изучаемых структур. Перспективным для этого является новый подход, названный фрактальным.

Все природные структуры в той или иной мере обладают свойством фрактальностн. Фракталом условно принято называть структуру, состояцум из частей, которые в определенном смысле подобны целой структуре и друг другу. В материаловедении примерами фрактальных структур могут служить совокупность пор, границы' фаз, зерен и т.п.. Наиболее полно фрактальный подход можно выразить через понятия самоаодобия и масштабной инвариантности. Свойство самоподобия можно выразить

алгебраически при введении понятна фрактальной размерности: если структуру ношно разбить на N подобных друг другу и самой структуре частей, в 1/г раз (г<1) меньвего размера, то ее размерность определяется формулой , 0=1в(К)/1в(1/г.).. В случае традиционных плотных структур (отрезок, квадрат, куб и т.п.) эта формула. дает целые, значения. Модельные фрактальные, структуры! которые мошно построить с помочью реккурентных процедур разбиения или сложения, называются регулярными и мало пригодны для моделирования природных объектов, так как обладая дискретным набором размерностей, не ..могут охватить всего имеющегося разнообразия. Реальные структуры являются стохастическими фракталами, т.е. саиоподобными только в среднем. Для описания и изучения таких структур аиракие возможности представляет иультнфрактальный формализм..

Основой иультифрактального (МФ) анализа является генерация меры, например вероятностной, при разбиении континуума, охватывающего изучаемый объект, называемый носителем меры. Охватывающее объект евклидово пространство- разбивается на N пронумерованных ячеек размером 1-1...Я, удовлетворяющих

условию 1^1, где 1- характерный размер. Каждой ячейке в зависимости от природы изучаемого объекта присваивается "вес" р^, иначе говоря (вероятностная) мера ^Р^ = 1. Размер исследуемого множества принимается равным единице li.il.il и строится функция

N

Г(д,т,1) = Е (р1)ч/(1 £)т (1)

1=1

, причем суимиробанйе производится только по непустым ячейкам с мерой р^>0, (ч, т произвольные вещественные числа ).

Существует дейст&ительная функция т(ч), такая что при

т<г(ч) и Ипц^'о*4®® при т>т(я), а при т=г(<1) Г(я,т,1) - конечна. В реальных ситуациях чаще всего имеет место сингулярное поведение меры (в некотором диапазоне масштабовпо крайней мере)

Р1«г(11)а , 1*0 (2)

, где а - положительное вещественное число. В этом случае изучаемой структуре, как носителю вероятностной меры, ставится в соответствие определенная единственная вещественная функция г(ч) н исследуемое самоподобное множество моделируется набором взаимопроникающих множеств сингулярностей а, каждое из которых имеет соответствующую размерность ¿(а). Основными в мультифрактальном формализме являются следующие соотношения:

N

X(q) = 2 (Pi)4oc lr(q), 1+0 (3a)

i=l

r(q) = lim1.0ln(X(q))/ln(l) (36)

r(q) = qa-f(a), a=dr/dq, (4)

r(q)=(q-l)Dq (5)

, где X(q) - обобщенная корреляционная функция, Dq - обобщенные разиерности Репьи. В случае равноячеечного (lj=l) разбиения t(q) (ф-ла 36) можно определить как тангенс угла наклона прямой на плоскости ln(l)-ln(X(q)) при аппроксимации измеряемых точек по методу наименьших квадратов.

Конкретно алгоритм разработанной иетодики

мультифрактальной параметризации состоял в следующей. Фотоизображения изучаемых структур, имеющие размеры 128*128 им, оцифроввывались путем разбиения сеткой 64*64 на ячейки. Одна ячейка соответствовала участку изучаемой структуры размером 1*1 или 0,3*0,3 мкм. Ячейки соответствующие светлому фону метились "1", а соответствующие темному фону метились "0" или наобарот (с целью извлечения дополнительной информации в ряде случаев использовалось инвертирование оцифрованных изображений). Такие обозначения имели определенный физический смысл, соответствуя разным механизмам разрушения. Суммируя единицы в ячейках большего размера 1^*1^ = 4*4...32*32 (к=1...8) и поделив сумму в каждой ячейке на сумму единиц на всей сетке 64*64, получали

2

равноячеечное распределение {pj, i=l...N}, N=(64/1^) . Потом для каждого из q€[-30,40] по формуле (За) вычислялась зависимость X(q) от и по методу наименьших квадратов вычислялся наклон этой зависимости в двухлогарифиическои масштабе, т.е. величина r(q). По соотношениям (4) и (5) получали f(а)-спектр и размерности Реньи Dq. Описанный алгоритм был реализован в среде программирования Турбо-Паскаль 6.0 на компьютере РС 286/287. Показано, что такие мультифрактальные характеристики, как f(a(q=40))=Í4g и DD=D_eo-D+ee-Di-D4Q являются количественными параметрами, характеризуюцимим сложность и упорядоченность изучаемой структуры: чем значение ¿4Q больше, тем структура более однородна; чем значения DD больше, тем больше в структуре периодической составляющей.

По полученному массиву мультифрактальных(МФ)

характеристик можно делать определенные выводы о динамике структурного состояния материала.

игслядов^ис_врэмотости управления_ивхяинчв<;«иин_пвойктпяви

молибдена путем модифицирования поверхности, и_воздействия. на

*рактальнуш структуру приповерхностны* с^оев■ Изменение величины поверхностных ■икродефектош.

Наличие на поверхности материалов микронеровностей и микродефектов должно вносить определенные искажения в процессы эволюции структуры и зарождения мнкротрецнн в приповерхностном слое, кроме того изменение размеров поверхностных микродефектов должно приводить к изменению фрактальной геометрии поверхности.

Предложено для количественного описания величины дефектов использовать безразмерную величину И/<1 , где Б- максимальный размер характерных поверхностных микродефектов (в данной случае дефектов ямочного типа), а <1- диаметр образца. Исследованы безразмерные зависимости механических свойств от размера поверхностных микродефектов при статическом и циклическом нагрушениях: "«¿*/<->о=£ (Е/с1)" и "1к(Я,/Н0)= £(Л/<1)" , где Сэ*/С»о" относительное изменение свойств, а 1Я»/Н0 относительное изменение числа циклов до разрушения образцов при номинальной амплитуде 1000 МПа. Все исследованные зависимости носят одинаковый качественный характер, хотя и не совпадают по причине разных исходных прочностных характеристик (си. рис.2, Табл.2). Обнаружено, что с уменьшением В/<1 механические свойства как при статическом так и при циклическом нагрушениях возростают, причем для проволок с большим исходным уровнем свойств улучшение качества поверхности вызывает большее относительное повышение свойств. Разброс свойств с уменьшением К/й заметно снижается. Существенное изменение свойств наблюдается только до определенного критического значения В/<1 (для статического нагруження Е/(1=0,004. . .0,006, для циклического 1£/<1=0(002. . .0,004). Визуальное изучение статических и усталостных изломов Мо и МФ-аналиэ структуры статических изломов показали: 1. инициация процесса разрушения происходит с поверхности из наиболее крупных микродефектов; 2. для образцов с меньшими 1?/<1 специфика структурного состояния приповерхностного слоя выявляется более четко; 3. разрушение внутренних и приповерхностных слоев происходит по разному, а фрактальная структура изломов приповерхностных слоев материала, по сравнению со структурой изломов внутренних слоев заметно отличается большей периодичностью и меньшей однородностью;

Влияние водк{ицмровання поверхности ке молябденових образцов.

Т^С-.ица 2 ;:ачич<зс»:не; свойства

гита с г^з

г-?'^" ■; " т г ь

Материал

В ньм

КПа

'пц

<>0,2

КПа

КПа

< при Сэа= -1000 "Па

Мо сЗ= 1им

Мо

а=о,5

ИИ

Мо <1=0,2 пи

сплав с! = 0,3

МИ

44

25 8 1

17

12 8 1

710*25 510+20 610+20

1299+22

1454+8

1520+7

1379+16 1532+10 1653+6

1404+20 1654+17 1712+9

1120+25 1212+20 1213+15

1537+ 13

1677+9

170219

1522+15

1664+8

17СЗ+11

1925+14 2213+11 2273+9

1400+30 1460+40 1450+13

1795112 1526+11 1537+9

1760+12 1897+10 2147+7

2236+16 2400+17 2634+21

максимальное относительное Увеличение свойств в X

¡22 | 15 | } 25 | в 10 раз

1,6...134...46 ...2 145...50 47.. .51

4,7. .,

4. . .

,..6,8

0,9. . . ...2,3

52. ..54 83...£5

49...62 61. ..67 55...70

35...43 46...51 49...53

1*10? 1,5*10? 1,5.10^

1,2*10? 4*10? 5*10:>

1,5*10? 6*10;? 14*10

1,8*10^ 12*10? 19«1(Г

Наиесеине речнррого покрптия

Материал Ь мкм МПа ^0,2 МПа ¿в МПа <г Ч'

Мо 0 810+10 1213+15 1460+15 1,6... 46...

а=1 0,4 983 + 5 1290+20 1441+5 .. .2 . . .53

мм 0,8 1010+24 1307+15 1445+15

2,4 1027+10 1333+15 1485+15

3,2 1015+18 1327+15 1492+30

4,2 1033+40 1355+5 1484+5

макс ~нмальное о- гносительное увеличение свойс! гв I !

28 12 3 0

Занесение медннх покрытий

Материал

Ь

мкм

«^пц

МПа

КПа

МПа

Мо «1 = 1 им

0 0,2 0,8 1,8 2,6 5,1

810+10 917+20 934+20 942+15 964+20 367+20

1213+15 1244115 1262+10 126С+5 126Э+Е' 12С5+11

1460+15

14СС+13

1454+17

1451+5

1439+.4

1410+11

1.С...2 1,С... 2 1,6. . .2 2.1+0,1 2,1+0,2 2,210,2'!

4 6. .

46. .

47. . 46. . < 9. .

49..

.53 .53 .54 .54 .54 .55

максимальное относительное уБеличе^ие сьоГсте Е 5

-л

1С-

Рнс.1. Типичный вид зависимостей f(a) и D(q), которые

пролучаются в качестве результата мультифрактального анализа»

Рис.2. Относительное изменение при статическом расгяиенин

в зависимости от R/d:

О-^пи, -

0,002 0,004

Рнс.З. Относительное повняение механических свойств под

влиянием Ке-покритнЛ с относительной толщиной Ь/А.

оА

ОД

□ внуТрЕНМИЕ

слои

К -

л

и о

X <

о й.

0

1

2

мкм

о л - ПрМПО&ЕрХНОС-ТПЫЕ ^ С.ЛОИ

Ц _ -ТОЛЩИНА

мкм

ПЕРИОДИЧНОСТЬ

ЧЕЭЛЕкТ(эО-ПОлиЬОВАИнЬ^М образец

ГгОмклл

о1,Ю

0^5"

0,20 0,2,5

Рнс.4. Изменение однородности и скрытой периодичности

структуру изломов приповерхностных слоев в зависимости от обработки поверхности и структуры ^Изломов внутренних слое« Мо.

(

Таблица 2 - продолжений

Ванесенне ерьритнн Ho-45.SRe-0.017C

Материал h MkM ^ПЦ МПа

Мо 0 962 + 5

d= 0,3 1064+10

0,2 0,6 10S1+5

ин 2,5 10S3+6

иан< рииальное

[ 10

сплав 0 1522+5

d= 0,3 1644+7

0,3 0,8 1665+7

ИИ 2,5 16Щ5

как римальЪое

10

сплав

а= 0 1016+12

0,3 2,5 1109+.S

ма

максимальное

МПа

МПа

«Г

X

X

откиг 850 С

1066*8 1231+10 I 4,3+0,9] 67...81

1144+15 1294+10 1 4,4+0,5) 69...82

1163+8 1302+7 I 6,9+2 1 69...85

1165+7 1304+8 ) 9,4+2,2] 71...85 носительное увеличение свойств • X

9 j 6 J 119 }

1798+7 1897+11 1906+9 1923+6

1216+12 1313+10

носительн 6,7

1933+6 1997+11 2007+14 2013+11 е увеличение 4 I

0,6+0,3 0,6+0,3 0,7+0,2 1 + 0,2

свойс 67

-0

1413+3 1441+10

1,7+0,3 2,3+0,1

[е увеличение свойс

2 I 30

59+4 65*5

в в X

10

Обезуглероживание поверхности

отшиг 1400 0С

Материал Наличие обез-ия ^пц МПа МПа МПа МПа <Г X X

Мо d= 1мм нет да 496 + 9 4ЬЗ*22 551+12 600+17 517+8 548+12 627+10 676+12 22+3 34 + 4 70+1 75+2

отниг 800 С

Материал

Наличие обез-ня

МПа

^0,2 МПа

МПа

X

X

Мо

d=lMM

нет Да

7 3b.il 0 71S. + 6

976+17 1011+9

1093+9 1135+12

3,3+0,9 4,6+1,2

75...77 77...79

максккглкио« отн<^сительное увеличение свойст _j -3 } 6...9_| 15

11

В в л

4. с уменьшением 6/(1 наблюдается уменьшение периодичности и повышение неоднородности изучаемых структур.

В итоге на примере Мо показано, что процессы самоорганизации фрактальной структуры в приповерхностном слое протекают с опережением по сравнению с внутренними объемами. Критическое значение К/с1 можно охарактеризовать, как такую величину дефектов, когда ускоренная эволюция структуры вблизи них будет протекать не настолько быстрыми темпами, чтобы структурные изменения в приповерхностном слое локализовались в основном у дефектов, и структурное состояние приповерхностного слоя будет в достаточной степени однородно (хотя и с искажениями вблизи дефектов). По критическому значению 1?/<1 можно примерно судить о глубине зоны, в которой протекают процессы активной самоорганизации фрактальных структур у поверхности. Эта величина не зависит от исходных характеристик и состава Мо, но зависит от условий нагружения (при усталостном нагружении имеет место большая локализация процессов самоорганизации вблизи поверхности по сравнению со статическим). Для практики предложенная величина й/с! может служить параметром оценки качества обработки поверхности. При достижении К/(1<0,002 . . . О ,006 дальнейшее, улучшение качества обработки поверхности не будет вызывать значительного повышения свойств.

Полученные результаты показывают также что, традиционные, _ представления о поверхностных микродефектах только как об ослабленных местах в сечении образца или концентраторах напряжений, служащих предпочтительным местом зарождения разрушения, являются неполными. Необходим подход с позиций, учитывающих процессы самоорганизации фрактальных структур в прилегающей к поверхности области материала, в частности, опережающую эволюцию структуры в приповерхностных слоях. Изменение величины Я/с1 приводит к изменению динамики эволюции структуры приповерхностного слоя Мо, повышая ее однородность и сглаживая локализацию вблизи дефектов. При этом на макроупругои этапе деформирования с уменьшением И/с! повышается степень упрочнения и гомогенность приповерхностного слоя, что вызывает рост <£пц и С>о,2> а на этапе предразрувения появление и рост зародышей разрушения происходит при больших напряжениях и деформациях, что вызывает рост С»в, ^ и характеристик сопротивления усталости.

Исследование влияния покрытий.

Рассмотрены варианты•поверхностного слоя отличающегося от материала основы: 1. лучшими прочностными показателями (покрытия из Бе); 2) одновременно более высокими прочностными и пластическими характеристиками (покрытия из Мо-45,8Бе-0,017С); 3) большей пластичностью но меньшей прочностью (покрытие из Си). Нанесение покрытий приводит к изменении свойств образцов при растяжении, причем свойства (в первую очередь <апц и <зо,2^ изменяются немонотонно с ростом толщины покрытий И (табл., рис.3). Их интенсивное изменение наблюдается только до определенного критического значения относительной толщины покрытий Ь/с1. Оно составляет примерно: для Ве-покритий 0,0008...0,0012; для покрытий Мо-45,8Бе-0,017С на Мо 0,001...0,002 и на сплаве - 0,001...0,0025; для Си-покрытий -0,0006...0,0008. Рениевие покрытия

С ростом Ь/<1 при статическом растяжении заметно изменяются только *>пц и <эо,2' Картины изломов приповерхностных слоев молибденовых образцов в завйсимости от наличия и толщины Бе-покрытия визуально различаются, а картины изломов внутренних слоев одинаковы. С ростом 11 картина разрушения приповерхностных слоев приближается к таковой для внутренних. С использованием МФ-анализа показано, что с ростом толщины покрытий структура изломов приповерхностных слоев приближается к структуре излома внутренних объемов материала, ее однородность увеличивается, а наличие в ней периодической составляющей уменьшается(рис.4). Между МФ- характеристиками и механических свойствами имеется четкая корреляция (Ккор>0,99). Увеличение однородности в струтуре изломов приповерхностых слоев свидетельствует о более равномерном процессе зарождения разрушения. В итоге установлено, что Бе-покрытие оказывает влияние на процессы самоорганизации фрактальных структур в приповерхностных слоях Мо, замедляя темпы эволюции и повывая их однородность. При этом с ростом Ь динамика процессов самоорганизации в приповерхностных слоях приближается к таковой во внутренних объемах. В представлении о приповерхностном слое выделены понятия: его общей глубины, где имеются структурные отличия от внутренних объемов (Ь/с1-0,005.. .0,008), и эффективной глубины, где процессы самоорганизации протекают наиболее интенсивно (Ь/<1-0,001).

Покрытия из сплава Мо-45,8Яе-0,017С

Нанесение данных покрытий на Но и сплав приводит к увеличению показателей как прочности, так и пластичности. Для сплава, разрушающегося хрупко, визуальный и МФ-анализ структур зон излома, соответствующих образованию и развитии зародышей трещины скола, показал, что разрушение для образцов без покрытия начинается в нескольких местах (зародышах), а для образцов с покрытием из одного зародыша, причем место его образования сдвигается с поверхности образца под покрытие. Покрытие повывает сопротивление сплава зарождению хрупкого разрушения. При этом у поверхности в зоне зарождения трещины скола покрытие на микроуровне способствует развитию вязкой составляющей излома и подавляет механизм хрупкого разрушения, а процессы образования и роста зародышевой микротрещины для образцов с покрытием протекают более равномерно. Медные покрытия

Данные покрытия имеют между покрытием и подложкой переходный слой толщиной 2...3 нм из сверхметастабильных сплавов Си-Мо. Для образцов с Ь=0,2 мкм на кривой растяжения обнаружено появление площадки текучести от=0,01...О,02%. Для образцов без покрытий или с более толстыми покрытиями физический предел текучести не проявляется. С ростом 11/(1 до 0,0008. .. 0,001 увеличиваются только <з„ц и <>о,2' а при Ь/с1>0,001 их изменение уже незначительно, зато начинают увеличиваться характеристики пластичности и снижается ¿в. Показано, что наличие Си-покрытия с переходным слоем оказывает влияние на процессы эволюции фрактальных структур в приповерхностных слоях Мо. При этом в области Ь/<1^0,0008. . .0,001 имеет место в основном только эффект действия переходного слоя, который снижает интенсивность самоорганизации структур в приповерхностном слое Мо. С ростом Ь/й> 0,001 наряду с этим начинает сильнее проявляться действие самого Си-покрытия, которое способствует большей пластической деформации приповерхностного слоя.

Общие закономерности влияния покрытий Предложена следующая феноменологическая модель. В приповерхностных слоях деформируемого материала с покрытием действует сочетание таких эффектов, как: опережающая по сравнению с внутренними объемами самоорганизация структур; барьерное торможение движения дислокаций из более глубоких слоев

материала на поверхность границей. . раздела. • "основа-покрытие"; сходное "постбарьерное" действие , поэеркностного-> слоя с искуственно измененными, характеристиками (покрытия); мастичное смещение зрны ■ интенсивного протекания процессов самоорганизации структуру из прицов.ерхиостно^о слоя основы в. материал покрытия; изменение напряжений и деформаций, необходимых для зарождения и развития микротрещин, на поверхности; изменение диссипации энергии из образца в окружающую среду. На макроупругом участке деформирования,: Для- изученных покрытий . взаимодействие указанных эффектов приводит ■ к . снижению разницы . & темпах самоорганизации структур приповерхностных и внутренних слоев Мо и . к увеличению суммарного "барьера'', ,< сдерживающего движение дислокаций, к поверхности., (В результате повышаются значения напряжений, при которых зацал-.чнвает.сп формирование приповерхностного барьера для дислокаций (предел пропорциональности), а затем происходит прорыв этого барьера с распространением пластической деформации на ресь, объем металла (предел текучести). На этапе появления и развития зародышевых микротрещин , у поверхности Мо замена материала приповерхностны» слоев ■ на • более -прочный и/или пластичный при сохранении на этом этапе подавляющего действия покрытия (переходного слоя) на тейпы самоорганизации структур в придорерхнос^ных слоях вызывает повышение равномерности процессов инициации разрушения и их сдвиг в область больших напряжений и деформаций.

Существование определенной критической величины Ь/б связано со смещением области наиболее интенсивного протекания процессов самоорганизации структур в зону покрытия. По этой величине можно оценить примерную относительную глубину зоны эффективного протекания приповерхностных процессов.

Влияние обезуглероживания поверхностного слоя.

Для образцов, отожженных при 1400 °С, относительное содержание углерода(С) в обезуглероженном слое на глубине порядка 0,5 мкм было в 1,2 раза ниже,.чем иа аналогичной глубине для образца с удаленным после отжига электрополировкой псзверхностным слоем. Общая глубина концентрационных изменений оценена -0,8...1 мкм. Изменение механических свойств при обезуглероживании (табл.) связано с наличием на поверхности более пластичного (меньшее содержание С) слоя с более однородной (меньшее содержание карбидов) структурой. На макроупругом

участке деформирования в обезуглероженном приповерхностном слое процессы иикропластичиостн должны начинаться несколько раньве,чем в слое с больпим содержанием С и карбидов, а барьерный слой будет формироваться более однородно и обладать повышенной плотностью дислокаций за счет аномальной деформации на стадии микротекучести. Соответственно этому образцы с обезуглероженным слоем отличаются меньшими значениями и

большими значениями предела текучести. На этапе предразрушения большие пластичность и однородность структуры поверхностного слоя по сравнению с основой должны приводить к тому, что начало разрушения, происходящего с поверхности, смещается в область больших напряжений и деформаций (увеличение <лв. «Г, "f и истинного сопротивления разрушению).

Расчетное подтверждение связи лехаянческнх свойств с процессаяи самоорганизации структуры в приповерхностных слоях.

Подтверждено, что изменение механических свойств при модификации поверхности не вызывается размерным фактором (меньшей площадью поперечного сечения образцов с более грубыми поверхностными дефектами) или эффектом композиции (увеличением общей прочности образца за счет добавления в виде покрытия объемной доли компонента, более прочного чей основа) Максимально возможное изменение свойств, связанное с указанными факторами, в 8...20 раз меньше полученных экспериментально занченнй. Увеличение <jni< и <ао,2 для образцов с Си-покрытием прямо противоположено ожидаемому из расчетов их уменьшению. При рассмотрении разных петолов иодиДипирования поверхности Но сделан рял обобщений. Показано, что изменение механических свойств при модифицировании поверхности осуществляется за счет воздействия на динамику эволюции фрактальной структуры в приповерхностных слоях. Относительная глубина от поверхности зоны наиболее интенсивного протекания эволюции структуры в приповерхностных слоях Мо при деформировании оценена как h/d=0,0008...0,002. Эта величина зависит от условий нагрушения. Общая же глубина приповерхностного слоя, в котором имеются структурные отличия От внутренних объемов, может составлять h/d=0,005.,.0,008. В связи с этим интенсивное изменение свойств наблюдается при модификации поверхности только на глубину, соответствующую критическому значению h/d=0,0008...0,002. Путем модифицирования поверхности имеется возможность одновременного

улучпения показателей прочности и пластичности Мо,' что трудно достигнуть традиционными объемными методами , модифицирования. Управление . механическими ..свойствами возможно для > Мо, находящегося как в хрупком, так и в вязком состоянии. Величина и характер изменения свойств . зависят . от. способа модификации, исходных свойств Мо и условий |нагружения.

На практике .. показана эффектнтвность разработанной методики МФ-параметрнзаднн для оценки процессов самоорганизации структур металлических материалов. Подтверждена недостаточность использования в этих.целях представлений о простых фракталах с применением только величины фрактальной размерности Бд.

Связь_ПРОЦЕССОВ_самоорганизации структуры_в приповерхностных

£шах_№_1Ш_разных_шяяияу «д*0Р«1Р0»ания с наличной

Ш»Г.НРТРРШ|9Г9 РРДРМТИЯ №}-Д5,.Д8е-0.017С.

Исследования проводили, . на : образцах из

рекристаллизованного Мо, растянутых до. деформаций, соответствующих . <£Вц, <^тн и., Сьв. Эволюция дислокационной м субзеренной структур, исследовалась методами скользящего пучка рентгеновских лучей, растровой электронной микроскопии, и измерения микротвердости.

Показано,что , возникающее. на участке макроупругого деформирования опережение в тейпах эволюции структуры приповерхностдых слоев Мо ао сравнению с внутренними объемами связано с процессами измельчения . субзеренной структуры, увеличения ..угла разориен^ировки блоков и -ростом плотности дислокаций в иалоугловых границах. При.дальнейшем деформировании вплоть до разруиащцих нагрузок опережение в темпах сохраняется, хотя и в несколько меньшей степени. Покрытие уменьшает указанное различие. На ^акроупругом участке деформирования . покрытие подавляет в основном процессы измельчения субзеренной структуры и рост плотности дислокаций в малоугловых границах. . При дальнейшем макропластическом деформировании покрытие подавляет в основном рост плотности дислокаций в зернах. Возможными причинами замедляющего воздействия покрытия .на тешш эволюции структуры приповерхностного слоя являются: барьерное воздействие покрытия и границы раздела на движение дислокаций из внутренних объемов Мо к поверхности; снижение интенсивности приповерхностных источников дислокаций за счет смещения зоны эффективного протекания приповерхностных . процессов из

приповерхностного слоя основы в материал покрытия; более эффективная диссипация энергии в системе "окружающая среда -деформируемый образец с покрытием" по сравнению с системой "окружающая среда - образец без покрытия".

ОБЦИЕ ВЫВОДЫ

1. Использованы современные представления о фрактальной структуре материалов для анализа эволюции субстуктуры приповерхностных слоев молибдена в процессе статического и циклического деформирования и количественной оценки факторов, ответственных за изменение механических свойств при модифицировании поверхности.

2. Впервые разработана и опробована методика цифровой параметризации структур металлических материалов (на примере молибдена) с использованием мультифрактального формализма, которая позволяет изучать фрактальную природу пластической деформации и разрушения, а также выявлять и количественно оценивать степень однородности и скрытой периодичности изучаемых структур, судить о динамике их развития. Показана недостаточность использования теории регулярных фракталов и величины фрактальной размерности для адекватной характеристики самоподобия природных структур.

3. На основе исследования воздействия различных способов модифицирования поверхности (изменение величины поверхностных дефектов, нанесения покрытий, обезуглероживания) на эволюцию субструктуры в приповерхностных слоях молибдена с применением методов механических испытаний, в том числе специально разработанных, световой и растровой электронной 'микроскопии, фрактографических и рентгенографических исследований, а также разработанной методики мультифрактальной цифровой параметризации структур показано, что самоорганизация фрактальных структур (в том числе дислокационной и субзереннойЧ в приповерхностных слоях протекает более интенсивно и с опережением по сравнению с внутренними объемами материала. Определена относительная глубина от поверхности зоны наиболее активного протекания процессов эволюции структуры при деформировании, которая в случае молибдена составляет Ь/с1=0,0008. . . 0,002 (Ь- глубина активной зоны, б- диаметр образца).

4. Выделены два характерных : этара, деформирования, на которых процессы эволюции (самоорганизации),структуры в. приповерхностных слоях оказывают определяющее влияние на. механические свойства материала в целом: 1) конец Сталин.микротекучести - на, пределы пропорциональности и текучести,.?) стадия зарождения микротрещнн

на предел прочности, характеристики пластичности и сопротивление усталостному нагрутению.

5. Экспериментальным и расчетным путем показано, что причиной изменения . механических. . свойств . молибдена ., вследствие модифицирования поверхности является воздействие на динамику самоорганизации фрактальной структуры приповерхностных слоев, в часности, путем изменения ее темпов развития, ..однородности и стецени локализации.. При. ,.этом достигается роэиожность одновременного улучвения обычно противоположенных показателей прочности и пластичности Мо..

6. Для молибдена экспериментально показаны возможные пределы повышения, механических свойств при модифицировании поверхности: для статического раст«жечия ,- «¿П1) до.28Х, (<лт> ДО 152, «¿в до 650 ДО 1Д9%, Ч* до 25*; .для дрлговечности , при циклическом, изгибе на порядок. . Установлено, что реличина и характер изменения механических свойств .зависят рт, способа модифицирования .поверхности, толщины приповерхностного слоя, с измененными характеристиками, исходных ,двойств материала и условий . нагрушения. . Улучие.ние св.ой.ств вр.9^ожно1 для, материалов, находящиеся как в хрупком, тар в вязком состоянии. Эффективное улучшение . механических, характеристик достигается при относительной толщине модифицируемого слоя, соответствующей глубине зоны наиболее активной. самоорганизации структуры р. при.цр.вер.хностных слрях материала, то есть Ь/<1=0,001....0,002. Ори дальнейшем увеличении глубины модифицирования . выдре этого критического значения изменен^ свойств ,У*е, незначительно.

7. Раэрабрхан чодифицированнц^ вариант установки, позволяющий определять, усталостные характеристики материалов в виде тонких проволок и волокон, в том числе проводить экспрессную . еденку влияния ростояния поверхности. на сопротивление усталостному разрушению. На. установку зарегистрированы две заявки на патент Р®-

Основные результаты диссертации осрспены в сл<?лугх!?их

публикациях:

1. Колмаков A.C., Терентьев В.Ш., Старостин Е.Е., Геминоэ В.Н. Влияние медного покрытия (совмещение вакуумного напыления с ионной имплантацией) на механические свойства молибденовой проволоки // Оизика и химия обработки материалов,

1992, М°3. с.85—83.

2. Когмакоэ А.Г., Терентьев В.Ш., Заболотьый В.Т., Старостин Е.Е. Влияние ионно-плазменного рениевого покрытия на механические свойства молибденовой проволоки // Шизика и хкиия обработки материалов, 1992, N°5, с.21-27.

3. Геминов В.Н., Копьеэ И.М., Колчаков А.Г. Устройство для усталостных исгытаний тонкой проволоки / Заявка на патент PQ N"^037839/23 от 16.07.91.

4. Геминоэ В.Н., Ко/маков А.Г., Копьев И.М. Устройство для усталостьых исгьгганий тонких проволок и волокон / Заявка на патент РФ N°506S038/28 от 25.05.92.

5. Терентьев В.Ш., Колчаков' А.Г., Геминоэ В.Н., Заболотный В.Т., Старостин Е.Е. Влияние мгдных и рениевых покрытий на механические свойства молибдена. // Тезисы докладов XIII международной конференции "(Гизика прочности и пластичности металлов и сплавов"- Самара, 1992, с.325-326.

6. Ко/маков А.Г., Митин B.C., Краснобаев H.H., Терентьев S.O. Влияние магнэтроньых покрытий из сплава №»-46 на механические свойства малолэгированкых сплавов молибдена // Сизика и химия обработки материалов, 1993, Н°3, с.92-97.

7. Ко/маков А.Г. Завискмость механических характеристик проволок из малолэгироэакных сплавов молибдена от качества обработки поверхности // Шизика и химия обработки материалов,

1993, Н°4, с.110-119.

8. Встовский Г.В., Колчаков А.Г., Терентьев В.Ш. МультиЬракталькый анализ особенностей разрушения приповерхностных слоев молибдена // Известия РАН серия "Метал/ы", 1993, N°4, с.164-173.

9. Колчаков А.Г. Влияние медьых и рениевых PVD-покрытий на механические свойства молибдена // Материалы симпозиума "Порошковая технология о Балтийских государствах"- Литва, Каунас, 1993, с.69-72.

10. Колчаков А.Г., Рыбакова Л.М., Терентьев В.О. Влияние магнетронного покрытия из сплава Mo-46XRe на зволэцио дислокационной структуры приповерхностных слоев молибдена при статическом растя;кэнии // Оизика и хичия обработки материалов,

1994, Н°2, с.76-85.

11. Kolmakov A.G., Geminov V.N., Mitin V.S., Krasnobaev N.N. and Terent'ev V.F. The Effect of Magnetron Mo-46XRe Coating on the Mechanical Properties of Low Alloyed Molybdenum // Abstracts of the Second Sino-Russia Symposium on Advanced Materials and Processes, Xian, CHINA, 10.1993, p.240.