НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України

На правах рукопису

Лоскутов Степан Васильович

УДК 538.91:539.37/38:620.121:620.19

Вплив деформаційних процесів на структуру

та енергетичний стан поверхневого шару металів

Спеціальність: 01.04.13 – фізика металів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Запорізькому національному технічному університеті,

Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, Левітін Валім Володимирович, Запорізький національний технічний університет, професор кафедри фізики ЗНТУ.

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, Нищенко Михайло Маркович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, старший науковий співробітник, завідувач відділу.

Доктор фізико-математичних наук, професор, Брехаря Григорій Павлович, Запорізький національний університет, перший проректор.

Доктор технічних наук, професор, Грязнов Борис Олексійович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України, головний науковий співробітник.

Провідна установа:

Донецький національний університет, кафедра фізики твердого тіла і фізичного матеріалознавства, Міністерство освіти і науки України, м. Донецьк.

Захист відбудеться 22 червня 2005 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д.26.168.01, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульвар Акад. Вернадського, 36, 03680, МСП, Київ-142, Україна.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою: бульвар Акад. Вернадського, 36, 03680, Київ-142, Україна.

Автореферат розіслано 21 травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.168.01

доктор фізико-математичних наук В.К. Піщак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Одним з центральних напрямків розвитку фізики твердого тіла, фізики металів є дослідження особливостей будови металевої поверхні та вивчення змін в її структурі і властивостях у процесі деформування. Найважливішими задачами цих досліджень є вивчення взаємозв'язку змін в іонній та електронній підсистемах металу, визначення закономірностей формування та еволюції напружено - деформованого стану поверхневого шару матеріалу в різних умовах деформування.

Дисертація присвячена вивченню процесів деформування поверхневого шару металів і визначенню впливу деформації на характеристики напружено - деформованого та енергетичного стану поверхні. Особливий стан приповерхневого шару вимагає також розробки спеціальних експериментальних методів визначення деформаційних характеристик. Для дослідження закономірностей поверхневого деформування в даній роботі удосконалені і використані методи вимірювання роботи виходу електронів (РВЕ), контактного електричного опору (КЕО), вимірювання залишкових макроскопічних і мікроскопічних напруг, визначення механічних характеристик поверхневого шару. На основі отриманих експериментальних даних у роботі розвинуті фізичні уявлення про закономірності змін в іонній і електронній підсистемах металів у процесі деформування.

Актуальність теми. Наукова актуальність дослідження властивостей поверхневих шарів металів полягає в необхідності розвитку уявлень про фізичну природу деформування і руйнування реальних металевих матеріалів, розкритті механізму процесів, що відбуваються у приповерхневому шарі. Для встановлення фізичних механізмів деформаційних процесів і побудови відповідних теоретичних моделей, насамперед, необхідні експериментальні дослідження. Сучасні знання про фізичні і механічні характеристики приповерхневої області металів і про взаємозв'язок їх з властивостями, що характеризують міцність, розрізнені і недостатні. Практично не досліджено взаємозв’язок енергетичного стану поверхні із змінами структури приповерхневої області.

Зростаючий інтерес до вивчення фізичних і механічних властивостей приповерхневих шарів металів в останні роки, крім наукової мети, обумовлений важливими технічними застосуваннями. Прикладна актуальність проблеми визначається практично усіма задачами, що виникають при деформуванні металів і сплавів у процесі їх виробництва та експлуатації. На даний час розроблені і застосовуються на практиці різні види зміцнюючих обробок, метою яких є забезпечення необхідних властивостей поверхні. Для оптимізації існуючих способів і вдосконалення технології зміцнення необхідна розробка експериментальних методів досліджень механічних властивостей приповерхневої області, вивчення закономірностей формування оптимальних структур, розвиток фізичних моделей, що адекватно відображають особливості протікання деформаційних процесів поблизу поверхні матеріалу. Важлива для практики проблема надійності і довговічності, наприклад, літальних апаратів, багато в чому визначається напруженим станом приповерхневого шару деталей, здатністю його протистояти розвитку процесів втоми і контактного деформування. З цієї причини в даній роботі одним з об'єктів досліджень були сплави, що використовуються для виробництва газотурбінних двигунів (ГТД).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до науково-технічної програми Міністерства авіаційної промисловості і Академії Наук України (наказ № 284 від 17.07.86) і входить у план наукових праць ЗНТУ в 1994-2003 р., затверджений міністерством освіти і науки України (шифри ДБ6010, ДБ6014, ДБ6016, ДБ6018, ДБ6019, ДБ06012, ДБ06015).

Результати дисертаційної роботи були отримані, зокрема, при виконанні наступних науково-дослідних робіт кафедри фізики Запорізького національного технічного університету: Дослідження взаємодії електронної і іонної підсистем у металах з метою прогнозування тріщин втоми: Звіт про НДР / Запорізький державний технічний університет; № 0194U023398; Запоріжжя, 1995.- 81 с.; Дослідження процесів на поверхні і у поверхневому шарі твердих тіл, що протікають під дією адсорбованих частинок, пружних деформацій і зовнішніх силових полів: Звіт про НДР / Запорізький державний технічний університет; № 0194U023398; Запоріжжя, 1995.- 42 с.; Дослідження фундаментальних механізмів електpон-іоної взаємодії в процесі втоми, деформації та контактного тертя в металах: Звіт про НДР / Запорізький державний технічний університет. - № 0196U017320; Запоріжжя, 1998.- 133 с.; Технологічне забезпечення несучої здатності деталей ГТД: Звіт про НДР / Запорізький державний технічний університет; № 0196U013329; Інв. № 736/4016.- Запоріжжя, 1999.- 30 с.; Експериментальне дослідження деформаційних процесів та міжфазної взаємодії на поверхні твердих тіл: Звіт про НДР / Запорізький національний технічний університет; Запоріжжя, 2003.- 80 с.; Дослідження фізичних явищ на межі розділу газ - тверде тіло і у приповерхневих шарах: Звіт про НДР / Запорізький державний технічний університет; Запоріжжя, 2000.- 82 с.; Дослідження фундаментальних характеристик міжатомної взаємодії в металевих матеріалах та впливу на їх властивості: Звіт про НДР / Запорізький національний технічний університет; № 0199U001110; Запоріжжя, 2001.- 139 с.; Закономірності структурних перетворень приповерхневих шарів металів, викликаних впливом потужних імпульсів електричного струму: Звіт про НДР / Запорізький національний технічний університет; № 0102U002377; Запоріжжя, 2003 .- 80 с.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення фізичних закономірностей зміни енергетичного рельєфу поверхні металів в різних умовах механічного навантаження, вивчення закономірностей впливу знакозмінних напружень, механічних і електрофізичних поверхневих обробок на еволюцію структури приповерхневого шару металів, виявлення можливостей підвишення довговічності металевих матеріалів.

У відповідності із зазначеною метою були поставлені та розв`язані наступні задачі:

- дослідження зв'язку розподілу РВЕ по поверхні з процесами деформування, виявлення фізичної природи змін РВЕ при пружно-пластичних деформаціях металів. Розробка кількісних фізичних моделей для розрахунку РВЕ на поверхні деформованих металів;

- вивчення впливу параметрів знакозмінного навантаження на еволюцію енергетичного рельєфу. Розробка фізичної моделі втомленого руйнування металів і способу прогнозування зародження тріщин втоми;

- рентгенодифрактометричний аналіз зміни тонкої структури металів у результаті електроімпульсної обробки;

- вивчення фізичних закономірностей формування параметрів тонкої структури металів після магнітно-абразивної і ультразвукової обробок. Розробка способу обробки поверхні металів, який забезпечує задані структурні параметри;

- встановлення закономірностей впливу газового середовища на контактну різницю потенціалів (КРП). Створення експериментального обладнання та вдосконалення методів вимірювання КРП. Дослідження координатної залежності енергетичного рельєфу поверхні металів в областях пружного і пружно-пластичного деформування;

- розробка нової схеми рентгеноструктурного дослідження і способу комп'ютерної обробки його результатів з метою підвищення точності і продуктивності вимірів залишкових макронапружень. Удосконалення методу вимірювання пружних сталих матеріалу приповерхневого шару.

У результаті виконання дисертаційної роботи отримано нові достовірні, науково обґрунтовані результати в галузі фізики твердого тіла і фізики металів, які в сукупності вирішують важливу наукову проблему – встановлення фізичних закономірностей взаємодії іонної і електронної підсистем у металах в процесі деформування, а також фізичних механізмів формування напружено-деформованого стану приповерхневої області металів при зміцнюючих обробках і в процесі циклічного навантаження. Основні експериментальні і теоретичні результати, викладені в дисертаційній роботі, отримано вперше, що і визначає наукову новизну досліджень.

Об'єкт дослідження – взаємодія іонної і електронної підсистем поверхневих шарів металів і сплавів в різних умовах напружено-деформованого стану.

Методи дослідження:

- вимірювання розподілу КРП по поверхні для аналізу змін енергетичного стану в процесі деформування;

- прецизійна рентгенівська дифрактометрія для визначення параметрів напружено - деформованого стану і структурних змін;

- вимір КЕО для визначень напружень і деформацій при контактних взаємодіях.

- випробування на кінетичне індентування для визначення фізичних параметрів деформування приповерхневої області;

- електронна мікроскопія для встановлення змін дислокаційної структури;

- випробування на тертя та опір втомі під впливом знакозмінних напружень, як критерій формування оптимальної кристалічної структури;

- теоретичний аналіз досліджених явищ.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше встановлені закономірності розподілу РВЕ по поверхні деформованих металів. У пластичній області спостерігається падіння РВЕ, причому більшому ступеню деформації відповідає більш значне зменшення РВЕ. При досягненні певного ступеня деформації РВЕ досягає граничного значення. Виявлений деформаційний енергетичний рельєф зумовлений виходом на поверхню дислокацій. Таким чином, методом РВЕ фіксується кінетика виходу дислокаційних ліній на вільну поверхню. Результати розрахунків лінійної густини деформаційних диполів в залежності від деформації збігаються за порядком величини з густиною слідів ковзання дислокацій.

2. Вперше розроблена нова самоузгоджена розрахункова схема РВЕ, що враховує істотні для поставленої задачі поправки до фізичної моделі “желе”: дискретність розподілу позитивного заряду; вплив релаксації іонних площин поблизу поверхні кристалу на електронний розподіл на межі металу; вплив діелектричного середовища, що граничить з поверхнею металу. Показано, що з ростом пружної деформації кристалічних ґраток концентрація електронів за межею металу спадає повільніше. Виявлено, що вплив діелектричного середовища додатково знижує величину густини електронів поблизу поверхні.

3. На основі уявлень про взаємозв'язок РВЕ і електровід’ємності атомів, а також даних скануючої тунельної мікроскопії, запропоновано нову фізичну модель і спосіб розрахунку РВЕ в залежності від параметрів пружно-пластичного деформування. Обчислення, проведені для алюмінію і міді, показали задовільне узгодження з експериментальними даними.

4. Вперше встановлено закономірності зміни РВЕ при знакозмінному деформуванні металів і сплавів. Виявлено, що зародження мікротріщин втоми відбувається на ділянці поверхні з максимальною попередньою зміною РВЕ. На основі встановленого фізичного механізму запропоновано кількісну модель кінетики структурних перетворень на поверхні металів, що включає рух дислокацій під впливом знакозмінних навантажень, вихід дислокацій на поверхню і появу заряджених сходинок, наслідком чого є зміна РВЕ. Метод вимірювання розподілу РВЕ по поверхні дає можливість прогнозувати зародження мікротріщин втоми вже на ранніх стадіях випробувань.

5. Досліджено вплив електроімпульсної обробки металів на квазістаціонарний деформований стан приповерхневих шарів. Вплив обробки імпульсним струмом проявляється в зниженні рівня макронапружень у приповерхневому шарі, збільшенні мікроскопічних напружень і в зменшенні розміру блоків кристалічної мозаїки. Показана можливість помітного збільшення опору втомі сплавів на основі титана у результаті електроімпульсної обробки за рахунок “прицільного” відпалу дефектів кристалічних ґраток і створення більш рівноважної структури біля поверхні.

6. У рамках молекулярно-динамічного моделювання термічної дії електроімпульсної обробки показано, що термічний пік навіть з не дуже високою максимальною температурою (~1000 0С) може приводити до “залікування” області кристала, яка містить дефекти типу вакансія-міжвузельний атом. Знайдено, що термічні коливання атомів активізують процес рекомбінації дефектів, направлено-орієнтуючий вплив забезпечується пружними полями дефектів. Імовірність переміщення міжвузельних атомів у напрямку до вакансій при рекомбінації в значній мірі визначається цими полями і тому мало змінюється з ростом температури.

7. Розробки захищені 1 авторським свідоцтвом СРСР та 3 патентами України на винахід.

Практичне значення одержаних результатів. Дані, що отримано в дисертаційній роботі, можуть бути використані для ранньої діагностики можливого руйнування втоми, для завчасного визначення місця зародження тріщини втоми. Прогнозуючі можливості методу підтверджені патентом України.

Результати дисертації можуть також бути основою для оптимізації різних зміцнюючих поверхневих обробок металевих деталей, зокрема, таких високонавантаженних деталей, як лопатки і диски газотурбінних двигунів. Експериментальні дані роботи значно розширюють можливості безконтактного методу вимірів залишкових напружень у відповідальних деталях. Запропоновані методи дозволяють проводити прискорене випробування контактних пар на тертя і знос.

Електроімпульсна обробка сплавів титана забезпечує підвищення міцності втоми на 2550 %. Розроблений на рівні винаходу новий спосіб магнітно-абразивної обробки, поліпшує якість обробки поверхні, значно збільшує довговічність деталей.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є узагальненням результатів наукових досліджень, що були виконані автором, під його керівництвом або при його визначальній участі. Всі основні результати дисертації отримані здобувачем самостійно. Науковий консультант, професор В.В. Левітін брав участь у постановці задач дослідження, в обговоренні отриманих експериментальних даних, інтерпретації і підготовці ряду публікацій. Здобувач розробив нові експериментальні методи та удосконалив існуючі, самостійно проводив експериментальні і теоретичні дослідження. Розробив і виконав аналіз ряду фізичних моделей, зокрема, розрахунки РВЕ для неідеальної поверхні деформованих металів. Запропонував і використав вимір розподілу КРП при іспитах на втому. Є автором ідеї електроімпульсної обробки титанових сплавів. Підготував публікації, що відображають найважливіші результати роботи. Дослідження, що представлені в роботах №№ 13, 14, 24, 26, 28, 32, 33, 38 і опубліковані в спеціалізованих журналах, виконані здобувачем самостійно.

Достовірність результатів та обґрунтованість наукових положень дисертаційної роботи забезпечуються виконанням різноманітних і взаємодоповнюючих сучасних методів, які дали змогу виконати дослідження на різних за локальністю структурних рівнях, обґрунтованістю припущень, що використовувались при побудові моделей. Ці експериментальні дані несуперечливі, а теоретичне трактування пояснює результати і не суперечить відомим загальноприйнятим уявленням.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на наукових конференціях: Науково-технічна конференція “Міцність матеріалів і елементів конструкцій при звукових і ультразвукових частотах навантаження”. - Київ: Інститут проблем міцності АН України. - 1992; 5-та науково-технічна конференція "Нові конструкційні сталі і сплави і методи їхньої обробки”. - Запоріжжя. - 1992; Міжнародна науково-технічна конференція “Нові конструкційні сталі і сплави і методи їхньої обробки для підвищення надійності і довговічності виробів”. - Запоріжжя. - 27-29 вересня 1995; 32 Міжнародна конференція "Проблеми сучасного матеріалознавства ”.- Дніпропетровськ.-18-19 квітня 1997; 8-th International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials.- Boudler, Colorado, USA.-June 15-20, 1997; Міжнародна конференція “Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок”. - Запоріжжя: ЗДТУ, 23-27 жовтня, 2000; IX International Workshop “Ion Beam Surface Diagnostics”. - Zaporozhzhya, Ukraine, October 4-6, 2000; 20-th International Seminar Surface Physics. - Institute of Experimental Physics University of Wroclaw, Poland.- June 19 - 24, 2000; Міжнародна науково-технічна конференція “Інженерія поверхні і реновація виробів ”.- Феодосія, 29-31 травня.-2001; Міжнародний семінар “Комп'ютерне проектування технологій сучасного матеріалознавства” CAD TMM.- Запоріжжя: ЗНТУ.- 2002; 3-я Міжнародна науково-технічна конференція “ОТТОМ-3”.- Україна, Харків, 9-13 вересня 2002; 2-я Міжнародна науково-технічна конференція ”Нові технології, методи обробки і зміцнення енергетичних установок” Україна, Запоріжжя - Алушта. 23-28 вересня 2002; 4-я Міжнародна науково-технічна конференція “ОТТОМ-4”.- Україна, Харків, 27 - 30 травня 2003; 9-та Міжнародна науково-технічна конференція “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”, Україна, Запоріжжя: ЗНТУ, 21- 25 вересня, 2003; 3-я Международная научно-техническая конференция “Новые технологии, методы обработки и упрочнения энергетических установок” Украина, Запорожье-Алушта, 20-26 сентября 2004.-С.119-122.

Публікації. Результати дисертації викладені в 52 друкованих працях. З них 31 у наукових фахових виданнях України та за кордоном, 3 – у збірниках наукових праць, 5 – у матеріалах конференцій, 9 – у тезах конференцій. Отримано 3 патенти України і 1 авторське свідоцтво на винахід,

Структура і об`єм дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних джерел з 289 найменувань, трьох додатків (А, Б, В). Повний обсяг дисертації становить 406 сторінок тексту, має 66 таблиць і 107 рисунків. Додатки виконано на 25 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок з науковими програмами і темами, сформульовані мета і задачі дослідження, освітлені новизна і практична цінність результатів роботи. Розглянуто особистий внесок здобувача у виконання дисертаційної роботи. Вказані основні положення, які виносяться на захист, наведено дані про апробацію матеріалів дисертації.

Розділ 1. Формування і еволюція приповерхневого шару металів в умовах пружного, пластичного і контактного деформування. Перший розділ роботи висвітлює стан питань, що стосуються сучасних поглядів на закономірності формування властивостей матеріалу поверхневого шару металів. Розглядаються методи дослідження тонкої структури, фізичних і механічних параметрів приповерхневого шару, закономірності розвитку дефектної структури поблизу поверхні, взаємний вплив електронної та іонної підсистем при деформаціях. Проведений літературний аналіз уявлень про залежність РВЕ від параметрів пружно-пластичного стану металів. Розглянуто особливості деформування, пов'язані із знакозмінною схемою навантаження. В результаті аналізу опублікованих робіт відзначається, що багато з них не дають достатніх відомостей про фізичний стан поверхні і особливості зміни її дефектної структури при зміцнюючих обробках. Дослідники приділяють мало уваги вивченню реакції електронної підсистеми металів на деформаційні зміни в кристалічних гратках. У навантаженому кристалі енергія може запасатися не тільки в кристалічних ґратках, але і в електронній підсистемі. У зв'язку з цим актуальними є дослідження структури і фізичних властивостей приповерхневої області металів, обумовлених прикладеними силами, що приводять до пружних і пластичних деформацій. Зроблено висновок, що створення фізичної картини деформування металів потребує експериментальних досліджень взаємозв'язку іонної і електронної підсистем деформованих металів і розробку теорії розвитку специфічних процесів, що відбуваються у приповерхневих шарах металів і сплавів.

Розділ 2. Розробка експериментальної техніки і методики досліджень. Для систематичного дослідження фізичних процесів, що відбуваються у відносно тонких приповерхневих шарах металевих матеріалів, необхідно було створити і використовувати адекватну експериментальну техніку. Прагнення до коректності висновків про взаємодію двох підсистем у металі при деформації вимагало комплексного методичного підходу до досліджуваних явищ. У більшості випадків для забезпечення надійних результатів необхідно було також забезпечити удосконалення цих методів з метою суттєвого підвищення точності, локальності і продуктивності вимірів.

Була розроблена експериментальна установка, призначена для вимірів РВЕ з можливістю одночасного проведення іспитів металевих зразків на втому, рис.1. Установка містить малогабаритний п'єзоелектричний вібростенд і комплекс вимірювальної апаратури. Величина РВЕ вимірювалася методом динамічного конденсатора Кельвіна. Випробування зразків на втому виконувались методом дискретного навантаження. Була вдосконалена методика вимірів КРП на основі аналізу залежності КРП від напруги компенсації з одночасною комп'ютерною обробкою результатів вимірів.

У роботі виконані дослідження впливу зовнішнього середовища на РВЕ. Встановлено, що рівномірне ультрафіолетове опромінення поверхні металевого зразка викликає зміщення кривих розподілу РВЕ як цілого, без зміни їхньої геометрії. Створення більш високих поверхневих енергетичних рівнів зменшує вплив адсорбційних процесів на РВЕ, що підвищує точність і відтворюваність результатів вимірів. Застосування ультрафіолетового опромінення у процесі вимірів дозволяє вивчати залежність РВЕ саме від деформаційних процесів. Похибка вимірів РВЕ не перевищувала 1 меВ.

Дослідження внутрішніх напружень і параметрів кристалічної структури здійснювались за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН-3М. Було досягнуто збільшення граничного можливого подвійного кута Вульфа-Брегга до 177,60 за рахунок зміни положення детектора розсіяного випромінювання і застосування нової колімуючої системи. Похибка виміру макроскопічних напружень, яка була розрахована для робочих значень кутів досліджуваних об'єктів при використанні монохроматичного K випромінювання, зменшилася приблизно в 10 разів. Для визначення мікроскопічних напружень і розміру блоків кристалічної мозаїки був використаний метод гармонічного аналізу форми рентгенівських ліній. Оскільки для розрахунку залишкових макронапружень необхідні дані про пружні константи, був розроблений рентгенодифрактометричний метод визначення модуля Юнга і коефіцієнта Пуассона приповерхневої області металів, оснований на вимірюванні деформації при іспитах зразків прямокутного перерізу на трьохточковий згин. Розроблені і виготовлені установки для електроімпульсної (ЕІО) і магнітно-абразивної (МАО) обробки зразків і деталей. Для одержання достовірних даних при побудові графіків, використовувалася статистична обробка результатів вимірів.

Рис.1 Функціональна схема експериментальної установки для локальних вимірів контактної різниці потенціалів і випробувань зразків на втому.

Об'єктом досліджень у даній роботі були матеріали, які відносяться до трьох різних класів: алюміній (99,99 %); сплави на основі титана марок ВТ3-1, ВТ8 і ВТ9; жароміцні сталі марок ЕП866 (15Х16К5Н2МВФАБ), ЕП499 (15Х16Н2АМ), ЕІ698 ХН73БТЮ), жароміцний ливарний сплав на нікелевій основі марки ЖС6К (ХН67ДО5В5М4ЗЮ6). Вибір алюмінію обумовлений значною величиною КРП, що зменшувало відносну похибку вимірів і давало можливість порівнювати одержані результати з літературними даними. При вивченні контактних деформацій і зносу використовувалися зразки міді і сплави системи Fe-C-B.

Розділ 3. Зміни РВЕ на поверхні металів при деформуванні. Третій розділ роботи присвячено експериментальному і теоретичному вивченню закономірностей впливу пружно-пластичних деформацій на зміну РВЕ металів. Використання методу сканування по всій поверхні зразка при механічних випробуваннях дозволило одержати обґрунтовану інформацію про механізми зарядової перебудови поверхні. Методика дослідження полягала в одновісному деформуванні зразків з полікристалічного алюмінію з постійною швидкістю з одночасним виміром РВЕ в контрольованих точках поверхні. Перехід до стадії пластичного деформування викликає характерне зменшення РВЕ. При цьому більшому ступеню деформації в робочій області зразка відповідає більша зміна РВЕ. На різних стадіях деформування навантаження припинялося і вимірювався розподіл РВЕ уздовж обраних ліній робочої поверхні зразків.

Характерна крива зміни напруження ? із підвищенням ступеня деформації і відповідні значення роботи виходу Ф представлено на рис.2. Видно, що плавному зростанню розтягуючого напруження, відповідає падіння РВЕ. Навпаки, релаксація напружень приводить до зростання РВЕ. В області пластичного деформування було виявлено зміну РВЕ, викликану релаксаційними процесами (відпочинок зразка) при вимиканні розтягуючого пристрою.

Рис. 2. Залежності РВЕ (1) і напруження (2) від деформації алюмінію. Суцільна лінія обмежує область граничних змін РВЕ у процесі випробувань на деформування.

На основі експериментальних даних встановлено, що має місце як швидка релаксація РВЕ порядку 0,02 еВ між послідовними навантаженнями, так і повільна релаксація порядку 0,1 еВ, реалізована протягом 1215 годин без зняття навантаження. Важливо відзначити існування граничного значення РВЕ. Починаючи з деякої деформації e = 0,05, величина РВЕ істотно не зменшується, рис.3.

Рис.3. Збільшення РВЕ в залежності від ступеня деформації для різних ділянок зразка: 1 - 1 і 6; 2 - 2; 3 - 3; 4 - 4; 5 - 5. Суцільні лінії – розрахунок по формулі (1).

У процесі відпочинку “енергетичний деформаційний рельєф” частково згладжується. При повторних вимірах РВЕ після відносно великих проміжків часу, спостерігався характерний зсув кривої розподілу як цілого. Як показали додаткові дослідження, за зміну геометрії кривих розподілу РВЕ по поверхні відповідають структурні процеси, а зсув кривих обумовлений адсорбційними перебудовами під впливом зовнішнього середовища.

Результати дослідження закономірностей зміни роботи виходу ? по поверхні пластично деформованих металів дозволили одержати такий вираз для зміни РВЕ:

, (1)

де ? - безрозмірний параметр деформування; e - відносна деформація; e0 - відносна деформація, що відповідає початку пластичної течії матеріалу.

Елементарний акт пластичної деформації, як відомо, пов'язаний з виходом на вільну поверхню дислокаційної моноатомної сходинки. Вже в об`ємі кристалу перерозподіл електронів навколо дислокації приводить до утворення електричного дипольного моменту. Таким чином, можна говорити про перенос дислокаційних диполів на вільну поверхню при деформуванні. При виході на поверхню дислокація не тільки зберігає свій дипольний момент, але і збільшує його за рахунок зниження ефекту екранування електронів провідності. З іншого боку, відома залежність РВЕ від густини моноатомних сходинок на поверхні кристала [1]:

, (2)

де P - дипольний момент на одиницю довжини поверхневої сходинки; n - густина сходинок; q - заряд електрона; ?0 - електрична стала. Результати розрахунку за формулами (1) і (2) лінійної густини диполів в залежності від деформації збігаються за величиною з густиною тонких слідів ковзання для деформованого алюмінію за даними електронної мікроскопії. При дослідженні деформаційних процесів методом РВЕ важливим моментом є те, що фіксується кінетика виходу дислокацій на вільну поверхню металу. Початкова ділянка зміни РВЕ при пластичній деформації визначається формуванням смуг ковзання. Коли ж в основному смуги ковзання визначені і локалізовані, пластичне деформування визначається рухом дислокацій по вже сформованим лініям ковзання і утворення нових дислокаційних диполів практично не відбувається. В результаті, РВЕ виходить на насичення і при подальшому деформуванні не змінюється.

У цьому ж розділі дисертації на основі методу функціонала електронної густини розглянуті теоретичні уявлення про залежність РВЕ від деформації металів. Автором запропонована нова самоузгоджена розрахункова схема. При її розробці в модель “желе” були введені поправки. Ці поправки пов'язані з дискретністю розподілу позитивного заряду та враховують вплив релаксації іонних площин поблизу поверхні кристала на електронний розподіл на границі металу, а також вплив діелектричного середовища, що граничить з поверхнею металу. Задача розв`язувалась визначенням мінімуму поверхневої енергії ? як функціонала двох варіаційних параметрів ? і ?:

, (3)

де 1/? - являє собою характерну товщину поверхневого шару поблизу границі металу, на якій різко змінюється електронна густина; ? - зсув поверхневої густини іонів відносно об'ємного положення. При розрахунку були використані пробні функції розподілу електронної густини на границі металу у вигляді:

(4)

Значення релаксаційних параметрів ? і ?, що відповідають мінімуму поверхневої енергії, надалі використовувались для розрахунку роботи виходу:

. (5)

Тут Ф0 - складова РВЕ в моделі “желе”; Ф1 - псевдопотенціальний внесок у РВЕ з урахуванням релаксації гратки. У розглянутій моделі вплив деформації на РВЕ враховувався зміною об`єму елементарної комірки та параметром псевдопотенціалу.

На рис. 4 представлені розрахункові залежності зміни РВЕ від деформації. Загальною особливістю кривих є збільшення РВЕ з ростом пружної деформації, що погоджується з результатами експериментальних досліджень. Аналіз деформаційної залежності РВЕ для різних кристалографічних площин алюмінію свідчить про те, що зростання РВЕ визначається зміною як об'ємної складової РВЕ, так і поверхневої. Як видно із рис.4, нехтування гратковою релаксацією, приводить до істотно іншої деформаційної залежності РВЕ, але зберігається основна тенденція зростання РВЕ. Насамперед, це проявляється в нелінійності кривих, одержаних із врахуванням релаксації.

Розрахунки також показали, що пружне деформування кристалічних ґраток приводить до більш повільного зменшення електронної густини за межею металу. При цьому діелектричне середовище додатково знижує цю величину. Вплив середовища полягає у “витягуванні” електронів з металу, а відповідно до приведених розрахунків, у результаті деформування ще більша кількість електронів переходить з металу в діелектричне середовище. Те, що поверхня при цьому стає більш негативно зарядженою, прямо свідчить про збільшення РВЕ.

Рис. 4. Залежності зміни РВЕ від деформації для різних кристалографічних площин алюмінію: — – розрахунок з врахуванням граткової релаксації;

- - – без врахування релаксації; ? – експериментальні дані для полікристала.

Робота виходу є чутливим індикатором структурної перебудови на поверхні металу. Оскільки експериментально розподіл РВЕ вимірюється для реальних металевих поверхонь, то в теоретичних моделях необхідно враховувати мікроскопічні поверхневі дефекти на атомному рівні. Зміни РВЕ, викликані структурними неоднорідностями на металевій поверхні, найбільш просто і правильно описує модель взаємозв'язку РВЕ із електровід`ємністю атомів [2]. На основі уявлень про нейтральну орбітальну електровід`ємність (НОЕ), пропонується новий метод розрахунку РВЕ в залежності від параметрів пружно-пластичного деформування. Об'ємна частина РВЕ залежить від енергії Фермі даного металу і дуже слабо змінюється при деформуванні. Поверхнева складова РВЕ може зазнавати значних змін при деформаціях, тому що вона визначається локальними поверхневими стрибками потенціалів, варіації яких залежать від мікрогеометрії і координації поверхневих атомів. Визначення мікрогеометрії деформуємої поверхні і координації поверхневих атомів стало можливим на основі останніх досягнень скануючої тунельної мікроскопії [3]. Виявлено, що деформаційні процеси на поверхні визначаються формуванням і еволюцією нанодефектів. Ці нанометричні дефекти мають форму призм різних розмірів, стінки яких утворюються за рахунок виходу на поверхню дислокацій по площинам легкого ковзання. Утворення дислокаційних сходинок на поверхні змінює електростатичний поверхневий бар'єр і, відповідно, РВЕ.

Для моделювання задавалися значення відносної деформації. При цьому різні кристалографічні площини відрізняються кількістю розірваних зв'язків для найближчих і наступних сусідів. З урахуванням перерозподілу заряду при пружному деформуванні подвійного електричного шару, було отримано вираз для розрахунку РВЕ:

. (6)

Тут ; (Vn- i) і (Vnn - j) являють собою кількість зв'язків зовнішнього атома з найближчими і наступними сусідами відповідно; na і nb – число електронів, що приймають участь у зв'язку атома з найближчими і наступними сусідами; ra - атомний радіус даного елемента; R1, R2 – відстані до найближчих і наступних сусідів. Таким чином, задаючи значення розірваних зв'язків з найближчими сусідами i та наступними сусідами j, можна розрахувати РВЕ для різних кристалографічних площин за формулою (6). Експериментальна залежність РВЕ в області пружного деформування була отримана для полікристалічних зразків алюмінію чистотою 99,99 % на повітрі методом КРП. Із рис. 5 видно, що найбільш щільно упакована площина (111) дає найбільше зростання РВЕ. Розрахунок для міді дає аналогічні результати (при деформації 5 % збільшення РВЕ складає (78) меВ), що відповідає нашим експериментам і літературним даним.

З метою оцінки можливостей розробленої фізичної моделі був виконаний розрахунок залежності РВЕ від часу випробування на одномірне розтягування міді при трьох різних швидкостях деформування, рис.5. Розрахунок проведено з урахуванням кінетики формування ансамблів нанодефектів в процесі пластичного деформування. У програму обчислень була закладена часова осциляція концентрації нанодефектів.

Рис. 5. Розрахунок залежності РВЕ різних кристалографічних площин Al від пружної деформації методом НОЕ; (*) - експериментальна залежність. При ?=0: Ц(100)=4,214 ?В; ?(110)=3,969 еВ; ?(111)=4,451 еВ. Криві для площин (110) і (111) зміщені до поєднання значень при ?=0.

Було виявлено, що падіння РВЕ при пластичному деформуванні в основному визначається формуванням поверхневих дефектів першого рангу [3]. Осцилюючий характер еволюції поверхневих дефектів і вихід на плато змін РВЕ, що експериментально спостерігається, при граничних пластичних деформаціях викликає необхідність врахування впливу дефектів 2, 3 і 4 рангів. Вплив останніх на РВЕ виявляється в компенсації приросту РВЕ, викликаного зменшенням кількості дефектів 1 рангу. Порівняння розрахункових значень із експериментальними даними показало гарну відповідність, рис.6.

Рис. 6. Розрахунок зміни РВЕ для Cu при швидкостях розтягування: 1- 6,3 мм/хв; 2 - 2,5 мм/хв; 3 - 1,01 мм/хв. Суцільні лінії - розрахунок, маркери - експеримент.

Розділ 4. Дослідження структурних змін і зарядового рельєфу поверхні при втомі металевих матеріалів. Четвертий розділ присвячено результатам досліджень впливу циклічних напружень на значення РВЕ з метою встановлення фізичних закономірностей деформування при випробуваннях на втому. Проведені виміри значень РВЕ в осьових напрямках зразків, що випробовувалися знакозмінними напруженнями по консольному типу. Дослідження процесу втоми дозволило вперше зробити висновок про існування двох основних стадій структурних змін в кристалічних ґратках поверхневого шару металів: початкова стадія зворотних структурних перебудов, коли величина РВЕ для даної точки поверхні періодично зменшується і збільшується, коливаючись поблизу деякого середнього значення; друга стадія незворотних структурних змін в поверхневому шарі, коли РВЕ в даній точці монотонно зменшується аж до руйнування зразка. Таким чином, на початкових стадіях впливу знакозмінних механічних напружень РВЕ осцилює поблизу деякого значення, що свідчить про зворотність до певного часу процесу накопичення дефектів кристалічної ґратки і про чередування процесів зміцнення - релаксації на цій стадії. В процесі циклічних деформацій на формування енергетичного рельєфу основний вплив має зміна структури металу. Розглядаючи тільки кристалографічні фактори, можна вважати, що до зменшення РВЕ приводить утворення на поверхні заряджених атомних сходинок. Відомо, що при циклічному навантаженні металів активізується вакансійний механізм деформування. Тому на початковій стадії ще можливе згладжування атомарної шорсткості за рахунок притоку вакансій з поверхні. Якщо джерелом цих вакансій будуть підвалини атомарних сходинок, то такий процес, у кінцевому рахунку, еквівалентний поверхневій дифузії. Це приводить до заповнення поверхневих впадин матеріалом поверхневих виступів. Тоді за зростання (відновлення значень) РВЕ в період обернених перебудов відповідає поверхнева дифузія, стимульована циклічними напруженнями.

На рис. 7 представлені типові криві зміни РВЕ на поверхні високолегованої сталі в залежності від кількості циклів іспитів. Зменшення РВЕ відбувається безпосередньо над майбутньою тріщиною. РВЕ зменшується в тих областях, де прикладені найбільші механічні напруження. З ростом числа циклів виділяються дві характерні ділянки на кривих розподілу РВЕ по поверхні. Перша пов'язана із пластичним деформуванням матеріалу поверхневого шару в зоні максимальних напружень. Важливими особливостями цієї ділянки є локалізованість падіння РВЕ і насичення РВЕ при визначеному наробітку (при певної кількості циклів). Друга ділянка безпосередньо прилягає до першої і відповідає росту РВЕ.

Досліджено вплив проміжної відновлюючої термічної обробки на довговічність жароміцних сталей. Отримано, що проведення відбудовного відпуску після іспитів, що складають 20 - 30 % середньої довговічності, є перспективним способом, який дозволяє істотно збільшити довговічність.

Методом дифракційної електронної мікроскопії досліджені зразки зі сталі ЕП479 після випробуваня на богатоциклову втому при температурі 20 і 500 С. Структура стали ЕП479 після загартування і відпалу являє собою мартенсит, що складається з пакетів рівнобіжних пластин з високою густиною дислокацій. По границі та усередині первинних зерен аустеніту спостерігали виділення карбідної фази. Аналіз дифракційних картин і темнопольного зображення показав, що це частици типу МеC , розміром 0,2 - 0,5 мкм. Спостерігалася фрагментація мартенситних пластин. Виявлено, що під дією циклічного навантаження відбувається взаємодія дислокацій з утворенням субзеренної структури. Напружений стан поблизу границь збільшується скупченням дислокацій. Підгорнуті до границь дислокації створюють локальну концентрацію напруг, що може бути провісником утворення субмікротріщин. Перешкодою для переміщення дислокацій є частици фаз, які присутні у сталі. Якщо усередині зерна виділення цих частиц відіграють позитивну роль - затримують рух дислокацій до границь, то виділення карбідної фази по границях зерен підсилюють напруженість границь, що сприяє появі субмікротріщин. Не тільки частици фаз перешкоджають переміщенню дислокацій, але й утворення субзеренної структури приводить до більш рівномірного розподілу дислокацій. Знайдено, що під дією циклічного навантаження спостерігається фрагментація мартенситних пластин у структурі сталей, взаємодія дислокацій, їх часткова анігіляція і утворення субзернистої структури. Більшій міцності втоми сталей відповідає відносно однорідна дрібна субструктура.

Рис. 7. Розподіл РВЕ уздовж поверхні зразка зі сталі марки ЕП479 для випробувань: 1 – 28, 2 – 85, 3 – 93 млн. циклів.

Якщо металевий зразок зазнає циклічних напружень, то, як відомо, відбувається генерування дислокацій. Цей процес починається при напруженнях, які перевищують певне граничне напруження ?s:

, (7)

де ?s - модуль зсуву; b - вектор Бюргерса; n - кількість дислокацій у скупченні; ?0 - початкова густина дислокацій. Народжені дислокації під впливом зовнішніх змінних напружень рухаються в перетиняючих системах ковзання. Частина з них виходить на поверхню. У результаті виходу дислокацій на поверхню утворюються поверхневі сходинки. Ці сходинки несуть електричний заряд і, отже, утворюють електричні диполі. Внесок дислокаційних диполів приводить до зменшення РВЕ. Отримано наступне рівняння для зміни густини дислокацій в процесі випробувань матеріалу на втому:

(8)

де ? - густина дислокацій; ? - коефіцієнт розмноження дислокацій; V0 – коефіцієнт пропорційності; U0 - енергія активації руху дислокацій; ?m?sin(щ?t) - ?мінне напруження; tso і tsf початковий і кінцевий моменти дислокаційного руху в межах напівперіоду відповідно; k - стала Больцмана; T - температура. Рівняння (8) було розв`язане чисельно за допомогою ПК для різних значень амплітуди прикладеної напруженості. Густина дислокацій у поверхневому шарі була обчислена для кожного циклу. Результати обчислень густини дислокацій для алюмінію приведено на рис. 8..

Відповідність між експериментальними точками і теоретичною кривою задовільна. Збільшення густини дислокацій супроводжується зменшенням РВЕ. Збільшення РВЕ через збільшення густини сходинок може бути представлено формулою (2). Тоді, густина формування сходинок за цикл визначається густиною дислокацій і швидкістю їх руху:

(9)

Із експериментальних даних залежності РВЕ від кількості циклів наробки при випробуваннях алюмінію на знакозмінний згин було отримано dn/dN=318 сходинок ? цикл-1 ? см-2, що узгоджується з літературними даними

Рис. 8. Вплив випробувань на втому на РВЕ і на густину дислокацій в алюмінії. 1- РВЕ в залежності від N/Nf, де Nf - число циклів до руйнування; 2 - обчислена за рівнянням (9) крива густини дислокацій; ? - Al, експериментальні дані рентгенівських вимірів, ?( N/Nf ); фm= 52 M?a; щ = 5881 ?ад/с.

Розділ 5. Закономірності формування енергетичного рельєфу металевої поверхні при контактних взаємодіях і при механічній