Фазообразование в металлах при низких температурах в условиях электрогидроимпульсного воздействия

Известно, что импульсная пластическая деформация при низких температурах, включая криогенные, при незначительной термической активации диффузионных процессов, приводит к росту подвижности атомов и ускорению фазо-образования при взаимодействии металлов с металлами и неметаллами [1, 2]. Помимо импульсной пластической деформации на ускоренное перераспределение атомов может также оказывать влияние импульсная упругая деформация [2-6]. Подобное действие импульсных упругих деформаций реализуется при электро-гидроимпульсной обработке [3-5], и можно предположить, что быстро протекающая упругая деформация также приведет к ускоренному образованию фаз.

МАТЕРИАЛЫ

И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Эксперименты проводили на железе и стали марки Ст.45 с радиоактивными (55Fe, 63Ni, 14C, 26Al) и стабильными покрытиями из никеля или алюминия. Радиоактивные металлические покрытия имели толщину менее 1 мкм, а стабильные – ~ 20 мкм. Углерод вводили в приповерхностный слой цементацией в твердом карбюризаторе, создавая концентрационный профиль протяженностью до 20 мкм.

Принципиальная схема обработки металлов электрическим разрядом в жидкости приведе-

на на рис. 1 [7]. В момент разряда между электродами (межэлектродный промежуток составляет 25-30 мм) образуется высокопроводящий канал, в который быстро вводится энергия, накопленная в конденсаторной батарее емкостью от 3 . 10^-6 до 9 . 10^-6 Ф. Под действием давления 1 . 10³ МПа канал с большой скоростью радиально расширяется. В дистиллированной воде создается давление плазмы, и под действием которого вода сжимается. Расстояние от оси канала разряда до обрабатываемой поверхности составляло 35 мм. Образец помещали непосредственно в емкость с водой, при этом слой радиоактивного или иного покрытия был обращен в сторону источника ударных волн, и образец подвергался только упругой деформации.

Давление на фронте ударной волны достигало 200-220 МПа, а скорость волны составляла 3·103 м/с. Длительность одного импульса не превышала 200 мкс. Применялось одно- и многократное воздействие.

Изучение фазового состава, подвижности и распределения атомов проводили стандартными методами снятия слоев, макро-, микро- и электронномикроскопической авторадиографии, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Авторадиографический анализ показал, что независимо от количества актов воздействия проникающие атомы металлов (Fe, Ni, Al) распределялись преимущественно по объему зерен. Причем границы зерен оказались обеднены проникающими атомами по сравнению с объемом зерен (рис. 2), аналогично тому, что наблюдается при других видах импульсных воздействий. В зависимости от ориентации границы по отношению к направлению деформации ширина обедненной области изменялась от 0,5 до 3 мкм.

Рис. 1. Схема электрогидроимпульсной установки:

1 – регулятор напряжения, 2 – трансформатор, 3 – выпрямитель, 4 – резистор, 5 – устройство отключения, 6 – конденсатор или конденсаторная батарея, 7 –коммутационный разрядник, 8 – блок управления и контроля, 9 – запоминающий осциллограф, 10 – металлический бак, 11 – взрывающаяся проволочка, 12 – пьезокерамический датчик, 13 – образец

Эти величины оказались гораздо меньше диффузионной ширины границ зерен при отжиге в равновесных условиях. Следует отметить, что проникновение атомов никеля и алюминия сопровождалось их растворением в а — железе по типу замещения.

При одновременной миграции атомов никеля и алюминия в железе возникали 3 равномерно распределенные мелкодисперсные фазы: твердые растворы никеля и алюминия по отдельности и раствор, содержащий никель и алюминий. Отметим, что упорядочение обнаружено не было ни в одном растворе.

Рис. 2. Авторадиограмма-реплика стали после проникновения атомов ⁶³Ni под действием одного акта электрогидроимпульсной обработки, х 4800

Распределение атомов в плоскостях, параллельных поверхности, являлось равномерным, за исключением обедненных приграничных областей, а распределение по глубине наилучшим образом аппроксимирвалось экспоненциальной зависимостью от квадрата глубины проникновения. Максимальное значение концентрации находилось на поверхности.

При обработке малоуглеродистой стали форма концентрационного профиля распределения собственных атомов и атомов никеля C = f ( x ²) сохранялась, и максимальная концентрация изотопа даже при 20 актах воздействия по-прежнему оставалась на поверхности образца, но глубина проникновения уменьшалась с ростом содержания углерода и при концентрации 0,5% С составляла 3,5 мкм.

Для атомов углерода, проникающих в железо при упругом деформировании, характерны иные закономерности. Так, введенный в железо цементацией углерод перераспределялся и образовывал максимум концентрации (рис. 3) на расстоянии, которое увеличивалось с ростом кратности приложения импульсной нагрузки. Следует подчеркнуть, что такая форма профиля типична для перераспределения углерода, как при отжигах, так и импульсных воздействиях [8, 9].

При этом в приповерхностном слое образовались мелкодисперсные карбиды, расположенные также на некотором удалении от поверхности. По-видимому, обеднение поверхности связано, как с восходящей диффузией, так и с переходом углерода в процессе фазообразования. Оказалось, что вновь образующиеся карбиды не связаны с карбидами, возникшими при предварительной це-

О 5 10 15 20 25 30 X, .мк.м

Рис 3. Перераспределение атомов предварительно введенного 14С под действием 20 актов: 1 – исходное распределение, 2 – после воздействия ментации. Мигрирующие атомы углерода не встраивались в существующие зерна цементита, а создавали новые фазы. Более того, под действием деформации в течение 1 мкс успевал произойти частичный распад исходного цементита и твердого раствора углерода в α -железе, миграция высвободившихся атомов углерода и, наконец, образование пересыщенного твердого раствора углерода в железе и цементита. Проведенные Л.Ю.Демиденко и Н.А.Онацкой [10] эксперименты при одновременном действии электрогидроимпульса и пластической деформации в условиях прессово-термической электрогидроимпульс-ной сварке трубы с трубной решеткой также обнаружили перераспределение атомов углерода. Оказалось, что в результате указанного воздействия вблизи границы соединения со стороны металла (сталь марки Ст. 3), испытывающего сжатие, образовалась науглероженная (перлитная) полоса шириной от 18 до 40 мкм, а в растянутой области (в трубной решетке) – широкая обезуглероженная зона шириной от 200 до 400 мкм. Вероятно, большие глубины перераспределения атомов углерода связаны с дополнительной пластической деформацией, а интенсивное фазообразование – с повышенной температурой. Так, только при температуре T ≥ 1173 К в зоне контакта наблюдалось формирование общих ферритных зерен, которое сопровождалось прорастанием межзеренных границ, и, как следствие, возникал значительный сдвиг концентрационного пика в сторону от зоны контакта.

В отличие от углерода, проникновение кислорода из окисного слоя на поверхности вглубь железа не приводило к образованию максимума. Происходило размытие и понижение исходного П-образного слоя, толщиной до 1 мкм, появление экспоненциального вида концентрационного профиля, переходящего, примерно, с 5 мкм в слабый протяженный «хвост», тянущийся до 15 мкм (при 20 актах). Оказалось, что даже на глубине 10 мкм помимо твердого раствора кислорода в железе в диффузионной зоне присутствуют, хоть и в незначительном количестве, мелкодисперсные нестехиометрические оксиды Fe3O4. При этом атомы кислорода, подобно углероду, мигрируя по кристаллической решетке железа, захватывались атомами железа, как правило, в местах скопления дислокаций и образовывали твердый раствор с переменной концентрацией и оксиды в объеме металла.

При взаимной диффузии и растворения по типу замещения железа и алюминия под действием 10 актов электрогидроимпульсной обработки возникало также перераспределение кислорода в алюминии, частичный распад окислов алюминия, проникновение атомов кислорода в железо и твердый раствор алюминия в железе. Кроме этого наблюдалось образование твердого раствора внедрения кислорода в железе и алюминии, мелкодисперсных фаз закиси железа FeO и шпинели FeAl2O4 (рис. 4).

Таким образом, диффузия в железо атомов кислорода одновременно с атомами алюминия приводила к появлению в железе иных окислов. По-видимому, это связано с двумя конкурирующими процессами в перераспределении атомов кислорода. Поскольку скорости миграции атомов металлов при импульсных воздействиях выше, чем легких элементов [1], то внедрение атомов кислорода в возникший ранее твердый раствор алюминия в железе способствует образованию сложного раствора замещения (алюминия) и внедрения (кислорода) и выделению упорядоченной трехкомпонентной фазы. То есть какое-то количество кислорода связывалось в образующиеся фазы и не участвовало в дальнейшей диффузии вглубь железа. Что же касается диффундирующих далее атомов кислорода, то они, попадая в железо, образовывали твердый раствор и окисел. Но так как их количество меньше, чем при диффузии в отсутствие алюминия, то они образовали только закись железа. Однако следует отметить, что при одновременном проникновении в сталь никеля и углерода [10] перлитная фаза не образуется, а наблюдается только феррит. Возникновение шпинели в системе Al–Fe в процессе электрогидроимпульсной обработки было отмечено также В.Н. Поляковым [11]. Было показано, что при температуре, не превышающей 315 К, образовалась переходная зона шириной ~ 2 мкм с содержанием кислорода от 0,01 до 0,1 %, состоявшая из шпинели FeAl2O4. В то же время твердые растворы не были выявлены. Трудно опреде-

Рис. 4. Распределение железа, алюминия и кислорода после действия 10 актов электрогидроимпульсной обработки лить, чем вызваны наблюдаемые различия в фазовом составе, в то время как эксперименты проводились в сходных условиях. Представляется более вероятным наличие некоторого количества твердого раствора в диффузионной зоне, которое не позволили выявить примененные автором методики. Поскольку при импульсных обработках, как правило, образованию химических соединений предшествует появление твердых растворов независимо от их растворимости в равновесных условиях [1, 2].

ВЫВОДЫ

• 1.    Импульсное упругое деформирование при комнатной температуре приводит к миграции атомов на макроскопические расстояния по объемному механизму. При этом наблюдается обеднение границ зерен подобно тому, что имеет место при импульсной пластической деформации.

• 2.    В процессе импульсной упругой деформации в диффузионной зоне образуются различные фазы: твердые растворы внедрения и замещения, карбиды, окислы, шпинели.

• 3.    Наблюдаются различия в фазовом составе при взаимодействии железа с металлом, легким элементом и одновременной диффузии атомов металла и неметалла.

Работа выполнялась по договорам о двустороннем научном сотрудничестве на основе прямых связей между Институтом металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины и Самарской государственной сельскохозяйственной академией по теме «Исследование особенностей и механизма миграции атомов в металлах в условиях внешних воздействий».