Юркова Олександра Іванівна. Формування наноструктури та механічних властивостей в а-залаза під час інтенсивнї пластичної деформації тертям : Дис... д-ра наук: 01.04.07 - 2008.
Анотація до роботи:
Юркова О.І. Особливості формування наноструктури та механічних властивостей в a-залізі під час інтенсивної пластичної деформації тертям. – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2008.
Дисертація присвячена розробці наукової концепції формування в сплавах заліза структур нано- і субмікророзмірного рівня та встановленню ролі розмірних ефектів у формуванні механічних властивостей. Розроблено оригінальний метод ефективного подрібнення зеренної структури сплавів заліза до нанорозміров при поєднанні поверхневої інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) та газових середовищ. Проведено систематичні дослідження змін зеренної і дислокаційної структури армко-заліза і залізо-титанових сплавів під впливом ІПД тертям в газових середовищах і встановлено кількісний взаємозв'язок між ступенем деформації і розмірами зерен, їх зміна під впливом дифузійного насичення азотом в процесі ІПДТ. Експериментально показано, що для формування нанорозмірної (<100 нм) зеренної структури заліза в процесі ІПД необхідні високі ступінь (e 10) і швидкість (102 с-1) різноспрямованої деформації при температурі динамічної рекристалізації. Встановлено і теоретично обґрунтовано механізм диспергування зеренної структури сплавів заліза в умовах ІПД тертям при температурі динамічної рекристалізації і його зміна при переході від рівновісних зерен до структури з витягнутими зернами у зв'язку із зменшенням ступеня і швидкості деформації. Виявлено взаємний інтенсифікуючий вплив процесів деформаційного подрібнення зеренної структури заліза від мікро- до нанорівня і дифузії атомів азоту в умовах динамічної рекристалізації, що виражається в значному підвищенні дифузійної активності і розчинності азоту, збільшенні товщини подрібненого градієнтного шару і зменшенні межі деформаційного диспергування (мінімального розміру зерна). Встановлені закономірності впливу структурного стану заліза, сформованого в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям, на механічні властивості. Подрібнення зерен ОЦК заліза до розмірів від 50 до 20 нм викликає збільшення пластичності, тоді як в ГЦК металах формування наноструктури з розмірами зерен до 20 нм призводить тільки до зниження пластичності. Механічні характеристики сплавів заліза в наноструктурному стані принципово змінюються у присутності нанокристалічних частинок другої фази (оксидів або нітридів), які можуть утворюватися у зв'язку з обмеженою розчинністю домішкових елементів (кисню, азоту) або унаслідок розпаду пересиченого твердого розчину при природному старінні сплавів заліза, насичених азотом.
У дисертації розроблена наукова концепція диспергування зеренної структури сплавів на основі a-заліза від мікро- до нанорозмірів в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в газових середовищах та отримані принципово нові наукові результати про вплив наноструктурного стану на механічні властивості ОЦК–металів. Наукова концепція диспергування зеренної структури сплавів заліза полягає в необхідності одночасного виконання наступних умов: реалізації різноспрямованої деформації (зокрема, стиск зі зсувом); проведення процесу обробки у області температур динамічної рекристалізації; досягнення високого ступеня дійсної деформації e 10 і високої швидкості деформації ( 102 с -1). Управління масштабом зеренної структури від мікро- до нанорозмірів досягається за рахунок варіювання швидкості деформації при зміні ступеня дійсної деформації в інтервалі від e 2 до e 10. Додатковими чинниками регулювання масштабу зеренної структури є варіювання хімічним складом шляхом насичення домішковими атомами впровадження (переважно азотом) без зміни фазового складу, і/або з виділенням нанорозмірних частинок другої фази. Такими вторинними виділеннями можуть бути оксиди – при обробці на повітрі, або нітриди (наприклад, g -фаза) при обробці в аміаку і подальшому старінні (відпалі). Розроблена концепція диспергування зеренної структури сплавів заліза дозволяє подрібнювати структуру поверхневого шару сталей до нанорозмірного рівня в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в газових середовищах при температурі динамічної рекристалізації.
Отримані експериментальні результати і розвинена наукова концепція мають загальний характер для сплавів на основі заліза, вносять значний вклад до розвитку наукових уявлень про структурні перетворення в процесі ІПД, а також ІПД в поєднанні з дифузією атомів з газового середовища, що викликають подрібнення зерен до субмікро- і нанорозмірів та істотно змінюють комплекс механічних характеристик і можуть служити теоретичною основою для створення наноструктурного стану з підвищеним рівнем механічних властивостей для поліпшення експлуатаційних характеристик традиційних конструкційних матеріалів. Отримані результати так само є важливими для адекватного прогнозування механічної поведінки матеріалів в реальних умовах експлуатації (наприклад при терті) і технологічних операцій (при механічній, термічній, хіміко-термічній обробці), при яких відбувається подрібнення структури до нано- і субмікророзміров.
1. Розроблено і науково обґрунтовано новий підхід до створення способу термомеханічній та термомеханікохімічній обробки для ефективного подрібнення зеренної структури сплавів заліза до нанорозмірів при високоенергетичних механічних діях на матеріал інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в газових середовищах, що на відміну від існуючих способів поверхневої ІПД забезпечує формування широких областей диспергованої структури деформаційно-дифузійного походження. ІПДТ, як різновид деформаційного впливу при створенні наноструктурних матеріалів в поєднанні з газовою атмосферою, може бути ефективним способом управління структурою і властивостями металевих матеріалів.
2. На підставі результатів структурних досліджень встановлено, що короткочасна поверхнева ІПДТ в аргоні при температурі 773 К (500С) викликає подрібнення зеренной структури заліза від мікро- до субмікро- і наноструктурного стану. За структурними ознаками деформації проведено оцінний розрахунок ступеня пластичної деформації в зоні впливу тертя, встановлено її зміна за товщиною шару від e = 0,2 на межі з недеформованою основою до e=13,5 на поверхні зразка. Внаслідок градієнта ступеня і швидкості деформації за товщиною поверхневого шару від максимальних на поверхні до нуля в недеформованій основі його структура має градієнтну будову – від 20 нм на поверхні до 5-10 мкм в ділянках, прилеглих до недеформованої основи в зоні слабкої дії сил тертя.
3. Під час ІПДТ в умовах градієнта ступеня і швидкості деформації встановлена зміна механізму диспергування зеренної структури. Диспергування структури заліза в умовах тертя в нейтральному газовому середовищі відбувається шляхом фрагментації зерен, яка в прилеглих до поверхні ділянках шару, де ступінь і швидкість деформації найбільші, супроводжується динамічною рекристалізацією, про що свідчить формування рівновісної зеренної структури. На більшому віддаленні від поверхні ступінь і швидкість деформації зменшуються, отже, зменшується щільність дислокацій і термодинамічний стимул динамічної рекристалізації, в результаті відбувається зміна механізму формування структури. Структура цієї частини шару (витягнуті фрагменти зерен) формується в процесі фрагментації з динамічним поверненням, що йде паралельно.
4. Вперше встановлено взаємний інтенсифікуючий вплив процесів деформаційного диспергування зеренної структури від мікро- до субмікро- та нанорівня і дифузії атомів азоту в залізі в умовах динамічної рекристалізації, що призводить до значного підвищення дифузійної активності і розчинності азоту, збільшення товщини подрібненого градієнтного шару і зменшення межі деформаційного диспергування (мінімального розміру зерна).
– Виявлено, що в умовах істотного подрібнення зеренної структури ІПДТ від мікро- до субмікро- і нанорівня, і, як наслідок, значного збільшення об'єму межзеренного простору, а також щільності дислокацій, дифузійна рухливість атомів азоту прискорюється приблизно на порядок (від 10 до 30 разів) при цьому, розчинність азоту в залізі збільшується на 2 порядки в порівнянні з гранично досяжній в умовах насичення крупнокристалічного заліза без деформації. Легування заліза титаном (до 1,6 мас. %) підвищує реакційну здатність і дифузійну сприйнят-ливість a-фази, збільшує розчинність азоту до 0,9 мас.%, що дорівнює його вмісту у крупнокристалічному азотистому a-твердому розчині при температурі насичення 823 K (550С), та викликає виділення нанорозмірних частинок нітридів з пересиченого твердого розчину. Розчинність азоту до високих концентрацій в процесі ІПДТ викликає додаткове збільшення щільності недосконалостей кристалічної структури і, тим самим, сприяє сильнішому диспергуванню зеренної структури і зменшенню межі деформаційного диспергування в сплавах заліза.
– Встановлено, що поєднання ІПДТ з дифузією азоту в умовах динамічної рекристалізації приводить до збільшення товщини диспергованого шару заліза в 3,5 рази і в 2-3 рази в залізо-титанових сплавів за рахунок гальмування релаксаційних процесів розчиненими домішковими атомами азоту і нанорозмірними частинками нітридів. В умовах зменшення рухливості дислокацій із збільшенням кількості дислокаційних стопорів у вигляді сегрегацій домішкових атомів і частинок другої фази, що утрудняють міграцію границь і субграниць, розмір остаточно стабілізованого зерна зменшується з 20 нм до 8-10 нм.
5. Встановлено, що ступінь впливу дифузійного потоку виявляється тим більше, чим вище розчинність дифундуючого елементу в матеріалі основи: дифузія азоту в шар заліза, що деформується, чинить на процес його диспергування сильніший вплив в порівнянні з киснем. Показано, що в порівнянні з тертям в аргоні, ІПДТ заліза на повітрі викликає збільшення в 1,5 рази товщини градієнтного шару з нано-, субмікро- і мікророзмірними зернами і зменшення мінімального розміру зерен до 17 нм, тоді як після ІПДТ з одночасною дифузією азоту товщина шару збільшується в 3,5 рази, а мінімальний розмір зерна складає 10 нм.
6. Розрахунки показали, що ефективний коефіцієнт дифузії Dефазоту в наноструктурному залізі на 2,5–3,5 порядки перевершує значення коефіцієнта об'ємної дифузії Dоб, і наближається до коефіцієнту зернограничної дифузії; у субмікроструктурній ділянці градієнтного шару Dеф> Dоб на 1-2,5 порядки. Отримано математичні співвідношення, які описують швидкість росту насиченого азотом шару та вплив пластичної деформації тертям на прискорення дифузії азоту в сплавах заліза.
7. Вперше вивчено вплив наноструктурного стану ОЦК заліза, сформованого ІПДТ в аргоні, при розмірі зерен d < 50 нм на комплекс механічних характеристик (твердість, пластичність, модуль пружності).
– Зменшення зерен від крупнокристалічних до мікрокристалічних і субмікронних розмірів (~ 200 нм) викликає збільшення твердості (до 5,8 ГПа), яке задовільно описується співвідношенням Холла-Петча для твердості. Підвищення твердості супроводжується зниженням значень характеристики пластичності до dА=0,82, значення модуля Юнга Е=210ГПа відповідають крупнокристалічному стану. При зменшенні розмірів зерен від 200 до 50 нм спостерігається відхилення від співвідношення Холла-Петча – значення твердості стабілізуються, залишаючись високими. Зменшення розмірів нанозерен ОЦК заліза від 50 до 20 нм викликає зниження твердості до 3,7 ГПа і збільшення параметра пластичності dА від 0,82 до 0,87, тоді як в ГЦК металах, механічна поведінка яких добре вивчено, формування наноструктури з розмірами зерен до 20 нм приводить тільки до підвищення твердості та зниження пластичності і тільки при d < 20 нм спостерігається зниження твердості.. Ці відмінності можуть бути обумовлені більш високим коефіцієнтом kyв рівнянні Холла-Петча для ОЦК металів в порівнянні з ГЦК металами і це є причиною того, що вже при розмірах зерен близько 200 нм (проти 20 нм для ГЦК металів) енергетично вигідно підключення до дислокаційного механізму деформації механізму зернограничного проковзування (ЗГП), який стає визначальнім при зменшенні зерен до розмірів менше 50 нм. Таким чином, формування нанозерен в залізі з розміром d < 50 нм і підвищення за цей рахунок пластичності є цілком досяжним, як показано в цій роботі.
– При зменшенні зерен до розмірів менше 30 нм зареєстровано зниження модуля Юнга на 10 % в порівнянні з крупнокристалічним станом (176±9 проти 210±10 ГПа). Ефект зниження модуля пружності викликаний тим, що зменшення розмірів зерен призводить до збільшення частки вільного об'єму в границях зерен, в приграничних областях, в потрійних стиках і супроводжується ослабленням атомних зв’язків.
– Встановлено, що при однаковому розмірі нанозерен легування заліза титаном до 1,6 мас.% ослабляє вплив масштабу структури на твердість, пластичність і модуль Юнга, при цьому абсолютні значення твердості в залізо-титанових сплавах підвищуються, а пластичність знижується. Утворення сегрегацій атомів легуючого елементу на границях зерен стабілізує межкристалітні області, викликає підвищення міцності межзеренного зчеплення, і перешкоджає зернограничному проковзуванню.
8. Розчинений азот збільшує твердість в мікро- та субмікроструктурних ділянках, де працює дислокаційний механізм деформації. Вперше встановлено, що високий вміст азоту в твердому розчині практично не впливає на механічні властивості (твердість, характеристику пластичності, модуль Юнга) нанокристалічного заліза при d < 50 нм, де деформація контролюється механізмом зернограничного проковзування.
Вплив азоту (за відсутності другої фази) виражається в збільшенні товщини шару наноструктури з підвищеними значеннями характеристики пластичності. Проте, виділення при старінні нанокристалічного заліза з високою концентрацією азоту дисперсних частинок g -фази (Fe4N) змінює механічні властивості. У ділянці шару з розміром зерен 20 нм твердість підвищується від 3,7 до 6 ГПа, характеристика пластичності dА знижується від 0,87до 0,78, і модуль Юнга підвищується на 10%, наближаючись до значень, характерних для крупнокристалічного стану.
9. При ІПДТ на повітрі значення модуля пружності для наноструктурного заліза не змінюються в порівнянні з крупнокристалічним станом, твердість підвищується до 7,8 ГПа, а характеристика пластичності dА зменшується до 0,78, що пов'язано з виділенням нанодисперсних частинок оксидних фаз.
10. Встановлені закономірності формування структури і механічних властивостей сплавів заліза дозволяють, змінюючи вихідний хімічний склад матеріалу, газового середовища, і умови обробки, формувати структурні стани з різним рівнем дисперсності зеренної структури і регульованими механічними властивостями (твердістю і пластичністю).
Отримані результати мають значення для управління дисперсністю структури і рівнем механічних властивостей поверхневих подрібнених та модифікованих шарів сплавів заліза в процесі ІПДТ, а також дають можливість прогнозувати механічну поведінку матеріалів в реальних умовах експлуатації і технологічних операцій (при терті, механічній, термічній, хіміко-термічній обробці).
Публікації автора:
1. Юркова О.І. Диспергування заліза, легованого титаном, в процесі інтенсивної пластичної деформації тертям з одночасною дифузією азоту // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". – 2006. – № 4. – С. 130-136.
2. Юркова О.І. Структурні зміни в залізі під впливом інтенсивної пластичної деформації тертям з одночасною дифузією азоту // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". – 2006. – № 3. – С. 83-90.
3. Юркова A.И., Белоцкий А.В., Бякова A.В. Исследование механизма диспергирования железа при интенсивной пластической деформации трением // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2006. – Т. 4, вип. 2. – С. 483-500.
4.Юркова. A.И., Белоцкий А.В., Бякова A.В., Мильман Ю.В. Механизм диспергирования железа при интенсивной пластической деформации трением с одновременной диффузией азота // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2007. – Т. 5, вип. 2. – С. 555-578.
5.Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A., Milman Yu., Dub S. Ultra fine grained iron that is fabricated by severe plastic deformation stimulated by diffusion flow of dopant element: structural features and mechanical behaviour // Металлофизика и новейшие технологи. – 2006. – Т.28 , № 10. – С.1397-1420.
6. Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A. Mechanical Behaviour of Nanostructured Iron Fabricated by Severe Plastic Deformation under Diffusion Flow of Nitrogen. // Materials Science Forum. – 2006. – Vols. 503-504. – Р. 645-650.
7. Юркова A.И., Белоцкий А.В., Мильман Ю.В., Бякова A.В. Формирование наноструктуры на поверхности железа при трении // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2004. – Т.2, вып.2. – С.633-644.
8. Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A. Anomalous Nitrogen Solubility in Gradient Nanostructured Layer Formed in the Surface of Bulk Iron by Severe Plastic Deformation under Friction. «Nanostructured Materials by High-Pressure Severe Plastic Deformation» – In Book NATO Science Series. ІІ. Mathematics, Physics and Chemistry. Netherlands: Springer. –2005. – Vol. 212. – P.107-112.
9. Юркова О.І., Білоцький О.В., Бякова О.В. Визначення механічних характеристик азотованих шарів на сплавах заліза методом локального навантаження жорстким пірамідальним індентором // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". – 2005. – № 5. – С. 76-80.
11. Юркова О.І., Бякова О.В., Білоцький О.В., Дуб С.М. Вплив розміру зерна на модуль Юнга заліза, отриманого інтенсивною пластичною деформацією тертям в газових середовищах // "Наукові вісті НТУУ "КПІ". – 2006. – № 1. – С.73-78.
12. Юркова О.І., Білоцький О.В. Структура дифузійних шарів, утворених на сталі Ст3 при терті у газових середовищах // Металознавство та обробка металів. – 2004. – № 3. – С. 32-37.
13. Yurkova A., Belots`ky A., Byakova A., Podrezov Yu., Danylenko M. Nanocrystallization in Iron Alloys Induced by Friction Treatment and Nitrogen Diffusion. In Book «Metallic Materials with High Structural Efficiency». – Netherlands: Kluver Academic Publishers, 2004. – P.113-118.
14. Белоцкий А.В., Юркова A.И. Взаимодействие азота с легированным железом при трении в среде аммиака // Металлофизика и новейшие технологии. – 2001. –Т.23, № 4. – С.551-557.
15. Белоцкий А.В., Юркова A.И. Диффузия азота в сплавах железа при нагреве трением // Металлофизика и новейшие технологии. – 2002. – Т. 24, № 7. – С.927-933.
16. Bilots'ky O.V., Yurkova A.I., Pavlovs'ka A.M. Phase Transformation after Nіtriding of Sintering Powder Fe Alloyed by V and Ti. // Met. Phys. Adv.Tech. – 2001. – Vol. 19. – P.375-379.
17. Белоцкий А.В., Юркова A.И. Особенности образования и распада высокоазотистого аустенита при регулируемых скоростях нагрева и охлаждения // Металлофизика и новейшие технологии. –1996. –Т.18, № 1. – C.27-32.
18. Белоцкий А.В., Юркова А.И., Мохорт В.А. Электроннооптический анализ структуры диффузионных слоев сплавов на основе железа, обработанных трением в аммиачной среде // Металлофизика. – 1990. – Т 12, №.6. – С.83-86.
19. Bilots'ky O.V., Yurkova A.I., Pavlovs'ka A.M. Phase Transformations Reorganization After Nitriding of Sintering Powder Iron Alloed by Vanadium and Titanium // Metallofiz., Noveishie Tekhnol. – 1999. – Vol.21, № 2. – Р.104-106.
21. Белоцкий А.В., Юркова А.И. Использование энергии трения при азотировании сплавов железа // Физика и химия обработки материалов. – 1989. – № 1. – C.87-91.
22.Bilots'ky O.V., Yurkova A.I. The Formation and Decomposition of High-Nitrogen Austenit at Controlled Heating and Cooling Rates // Met. Phys. Adv.Tech. – 1996. – Vol. 16. – P.43-49.
23. Білоцький О.В., Юркова О.І., Кузьменко Г.А., Павловська А.М. Вплив марганцю на азотування пористих залізних сплавів // Металознавство та обробка металів. – 1998. – № 4. – С. 36-40.
24. Способ обработки стальных изделий: А.с. 1540319. СССР. МКИ С21D 1/34; С21D 1/78; С23С 11/00 / А.В. Белоцкий, А.И. Юркова. – № 4361629/02. Опубл. 28.02.1990. Бюл. №. 4. – 5 с.
У публікаціях, що виконані у співавторстві, дисертантові належить наступне:
об’єкти дослідження, формулювання мети і задач дослідження, визначення умов проведення експериментів, обробка, опис, аналіз та узагальнення експеримент-тальних результатів,формулювання висновків, написання статей; в [3, 4, 7, 12, 17, 18, 21] – ідея досліджень, первинна інформація про зміни структури заліза в зоні ІПД тертям, характеристика особливостей перебігу окремих етапів деформації; в [5, 6, 9-11] – масив експериментальних даних та встановлення закономірностей впливу наноструктурного стану на механічні властивості заліза; в [16] – експериментально одержані та математично опрацьовані кінетичні параметри росту дифузійних шарів на сплавах заліза при ІПД тертям в газових середовищах; в роботах [8, 13, 14, 16, 19, 22, 23] - вивчено вплив легування на перебіг фазових та структурних перетворень при насиченні заліза азотом; в [20, 24] – спроектована установка і запропоновано ефективний метод механіко-термічної активації з метою інтенсифікації подрібнення структури та дифузійної взаємодії елементів.
