Физическая природа повышения усталостного ресурса силумина электронно-пучковой обработкой Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 533.9:539.4.015.2

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-858-861

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОГО РЕСУРСА СИЛУМИНА ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКОЙ

© К.В. Аксёнова1*, В.Е. Громов1*, С.В. Коновалов1*, Ю.Ф. Иванов2'3*

1) Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация,

e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru 2) Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, e-mail: yufi55@mail.ru 3) Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация

Методами оптической и сканирующей электронной микроскопии выявлены закономерности формирования структуры силумина, подвергнутого облучению высокоинтенсивным электронным пучком в различных режимах. Выявлен режим облучения, позволяющий повысить усталостную долговечность материала до 3,5 раза. Установлено, что основной причиной этого является формирование многофазной субмикро- и наноразмерной структуры. Выявлено, что наиболее опасными концентраторами напряжений являются крупные пластины кремния, расположенные на поверхности и в приповерхностном слое.

Ключевые слова: силумин; высокоинтенсивный импульсный электронный пучок; структура; усталостная долговечность.

Силумины (сплав алюминия с кремнием), обладая высокими удельными механическими свойствами, являются трудно деформируемым, хрупким материалом. Поэтому поиск методов существенного улучшения структуры и повышения пластических свойств силумина является актуальной и приоритетной задачей для расширения областей применения этих сплавов в авиационной, автомобилестроительной и других отраслях промышленности. При традиционных условиях кристаллизации слитков методом непрерывного литья в эвтектических силуминах формируются грубые (до 100 мкм) кристаллы первичного кремния и других избыточных фаз, а эвтектика содержит крупные пластинчатые частицы эвтектического кремния [1]. Одним из перспективных методов, позволяющих измельчить и равномерно расположить кристаллы кремния в алюминиевой матрице, является обработка поверхности металлов и сплавов высокоинтенсивными импульсными электронными пучками [2].

В связи с этим целью настоящей работы являлось обнаружение закономерностей эволюции структуры и усталостной долговечности эвтектического силумина, подвергнутого облучению высокоинтенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия и последующему циклическому нагружению в области многоцикловой усталости до разрушения.

Импульсное плавление поверхностного слоя силумина АК12 осуществляли высокоинтенсивным импульсным электронным пучком на установке «СОЛО» [2] по режимам: энергия электронов 18 кэВ, плотность энергии пучка электронов (10-25) Дж/см2, длительность импульсов воздействия 50 и 150 мкс, количество импульсов воздействия 1, 3, 5, частота следования импульсов 0,3 с-1; облучение проводили в аргоне при остаточном давлении 0,02 Па. Как и в [3-4], усталостные испытания образцов размерами 8x14x145 мм про-

водили по схеме циклического асимметричного консольного изгиба. Имитация трещины осуществлялась надрезом в виде полуокружности радиусом 10 мм. Исследование структуры модифицированного слоя силумина осуществляли методами металлографии и сканирующей электронной микроскопии.

В исходном состоянии данный сплав является многофазным материалом и содержит, кроме фаз на основе алюминия и кремния, интерметаллидные соединения состава Al-Si-Fe-Mn. Частицы кремния и интерметал-лидов имеют пластинчатую или скелетообразную форму и, следовательно, могут являться источниками трещин при механических или термомеханических испытаниях материала.

Исследования поверхности силумина после облучения электронным пучком по различным режимам, выполненные методами оптической микроскопии, выявили следующую картину. ЭПО поверхности силумина с плотностью энергии 10 Дж/см2 (50 мкс; 5 имп.) приводит к фрагментации пластин кремния: пластины разбиваются на отдельные области как в продольном (с размерами до 5 мкм), так и в поперечном (с размерами до 2 мкм) направлении. ЭПО с плотностью энергии 15 Дж/см2 (150 мкс; 3 имп.) приводит к глобуляризации включений кремния. Наряду с фрагментированными пластинами кремния в поверхностном слое выявляются включения кремния глобулярной формы, продольные размеры которых изменяются в пределах от 10 до 20 мкм, поперечные - от 3 до 8 мкм. ЭПО с плотностью энергии 20 Дж/см2 (150 мкс; 1 и 5 имп.) приводит к плавлению всех фаз, расположенных в приповерхностном слое силумина. Преимущественным элементом структуры становятся включения кремния глобулярной морфологии размерами от 5 до 20 мкм. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 25 Дж/см2 (150 мкс; 3 имп.) приводит к огрублению формирующейся структуры.

Рис. 1. Структура поверхности образца эвтектического силумина, обработанного высокоинтенсивным импульсным электронным пучком по режиму: а, б - 15 Дж/см2; 150 мкс; 3 имп.; в-д - 20 Дж/см2; 150 мкс; 5 имп. Стрелками указаны: а) микропоры и микротрещины; б) концентратор напряжений (пластина кремния), явившийся источником зарождения макротрещины при усталостных испытаниях; г) частицы кремния; д) кромка усталостного излома образца. Сканирующая электронная микроскопия

Выполненные испытания на усталостную долговечность облученных образцов силумина выявили весьма широкий спектр результатов, значения которых существенным образом зависят как от структуры материала, так и от режима облучения электронным пучком и различаются более чем на порядок (от 132000 до 517000 циклов до разрушения). Максимальное увеличение усталостной долговечности (в ~ 3,5 раза) обеспечивал режим облучения высокоинтенсивным импульсным электронным пучком с параметрами 20 Дж/см2; 150 мкс; 5 имп. [5].

Структуру модифицированной поверхности, формирующуюся при облучении интенсивным электронным пучком с плотностью энергии 15 Дж/см2 (150 мкс; 3 имп.) и 20 Дж/см2 (150 мкс; 5 имп.), анализировали дополнительно методами сканирующей электронной микроскопии.

Анализируя структурное состояние поверхностного слоя силумина, обработанного высокоинтенсивным импульсным пучком электронов по режиму 15 Дж/см2; 150 мкс; 3 имп., показавшего при испытаниях минимальную усталостную долговечность (рис. 1а, 1б), можно отметить, что облучение электронным пучком привело к плавлению лишь алюминия. Высокоскоростная термическая обработка, имеющая место при облучении, привела к формированию многочисленных микропор и микротрещин, расположенных в пластинах кремния (рис. 1а). Пластины кремния являются концентраторами напряжения, т. е. источниками микро- и макротрещин в условиях усталостных испытаний (рис. 1б). В совокупности выявленные особенности структуры, формирующейся при указанном режиме облучения, не позволили повысить усталостный ресурс по отношению к исходным образцам.

Характерное изображение структуры поверхности образца силумина, обработанного высокоинтенсивным импульсным пучком электронов по режиму 20 Дж/см2; 150 мкс; 5 имп., показавшего при испытаниях максимальную усталостную долговечность, представлено на рис. 1в-1д. На поверхности облучения формируется однородная структура зеренного типа (размер зерен эвтектики изменяется в пределах 30...50 мкм). Зерна разделены прослойками кремния, поперечные размеры которых не превышают 20 мкм (рис. 1г). Концентраторы напряжений, способные являться источниками разрушения образца, на кромке излома не обнаруживаются. Это, очевидно, указывает на то, что концентраторы, явившиеся причиной разрушения образца, располагались под поверхностью, по всей видимости, на границе раздела жидкой и твердой фаз.

Таким образом, осуществлено модифицирование поверхности образцов эвтектического силумина высокоинтенсивным импульсным электронным пучком, осуществлены усталостные испытания и выявлен режим облучения, позволивший повысить усталостную долговечность материала до 3,5 раза. Выявлено, что облучение силумина электронным пучком в зависимости от параметров пучка электронов сопровождается либо оплавлением поверхности образца (15 Дж/см2; 150 мкс; 3 имп), либо плавлением поверхностного слоя материала толщин от единиц до десятков микрометров (20 Дж/см2; 150 мкс; 5 имп). Установлено, что формирование мультимодальной субмикро- и наноразмерной многофазной структуры и измельчение крупных пластин кремния являются основными причинами увеличения усталостной долговечности силумина, облученного электронным пучком с параметрами 20 Дж/см2; 150 мкс; 5 имп. Высказано предположение о том, что

при оптимальном режиме облучения концентраторы напряжений формируются в подповерхностном слое на границе раздела жидкой и твердой фаз.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. 270 с.

2. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А. и др. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов. М.: Круглый год, 2001. 528 с.

3. Иванов Ю.Ф., Воробьев С.В., Коновалов С.В. и др. Физические основы повышения усталостной долговечности нержавеющих сталей. Новокузнецк: Интер-Кузбасс, 2011. 302 с.

4. Ivanov Yu.F., Konovalov S. V., Gromov V.E. Electron-beam modification of the pearlite steel // The Arabian Journal for Science and Engineering. 2009. V. 34. № 2A. P. 233-243.

5. Громов В.Е., Аксёнова К.В., Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф. Повышение усталостного ресурса силумина электронно-пучковой обработкой // Успехи физики металлов. 2015. Т. 16. № 4. С. 265-297.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (проект МД-2920.2015.8) и государственного задания № 3.1496.2014/K.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 533.9:539.4.015.2

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-858-861

THE PHYSICAL NATURE OF SILUMIN FATIGUE LIFE INCREASE BY ELECTRON-BEAM TREATMENT

© K.V. Aksenova1*, V.E. Gromov1*, S.V. Konovalov1*, Y.F. Ivanov2'3*

1) Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation, e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru 2) High Current Electronics Institute of the Siberian Branch of the RAS, Tomsk, Russian Federation, e-mail: yufi55@mail.ru 3) National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation

The regularities of eutectic silumin structure formation subjected to the irradiation by high intensive electron beam in different regimes are revealed by methods of optical and scanning electron microscopy. The irradiation regime allowing to increase the fatigue service life up to 3.5 times is revealed. It has been established that the main reason of this fact is the formation of a multiphase submicro- and nanosized structure. It has been elicited that the most danger stress concentrators are large silicon plates, situated on the surface and near-surface layers. Key words : silumin; high intensive electron beam; structure; fatigue service life.

REFERENCES

1. Stroganov G.B., Rotenberg V.A., Gershman G.B. Splavy alyuminiya s kremniem. Moscow, Metallurgiya Publ., 1977. 270 p.

2. Gribkov V.A., Grigor'ev F.I., Kalin B.A. [i dr.]. Perspektivnye radiatsionno-puchkovye tekhnologii obrabotki metallov. Moscow, Krug-lyy god Publ., 2001. 528 p.

3. Ivanov Yu.F., Vorob'ev S.V., Konovalov S.V. [i dr.]. Fizicheskie osnovy povysheniya ustalostnoy dolgo-vechnosti nerzhaveyushchikh staley. Novokuznetsk, Inter-Kuzbass Publ., 2011. 302 p.

4. Ivanov Yu.F., Konovalov S.V., Gromov V.E. Electron-beam modification of the pearlite steel. The Arabian Journal for Science and Engineering, 2009, vol. 34, no. 2A, pp. 233-243.

5. Gromov V.E., Aksenova K.V., Konovalov S.V., Ivanov Yu.F. Povyshenie ustalostnogo resursa silumina elektronno-puchkovoy obra-botkoy. Uspekhi fiziki metallov, 2015, vol. 16, no. 4, pp. 265-297.

GRATITUDE: The work is fulfilled under support of President of Russian Federation grant for state support of young Russian scientists - doctors of science (project M^-2920.2015.8) and state assign no. 3.1496.2014/K.

Received 10 April 2016

Аксёнова Крестина Владимировна, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация, аспирант, кафедра физики им. проф. В.М. Финкеля, e-mail: alsaraeva_kv@physics.sibsiu.ru

Aksenova Krestina Vladimirovna, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation, Post-graduate Student, Physics Department named after Professor V.M. Finkel, e-mail: alsaraeva_kv@physics.sibsiu.ru

Громов Виктор Евгеньевич, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики им. проф. В.М. Финкеля, e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru

Gromov Viktor Evgenevich, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of Physics Department named after Professor V.M. Finkel, e-mail: gromov@phy-sics.sibsiu.ru

Коновалов Сергей Валерьевич, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры физики им. проф. В.М. Финкеля, e-mail: konovalov@physics.sibsiu.ru

Konovalov Sergey Valerevich, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor of Physics Department named after Professor V.M. Finkel, e-mail: konovalov@physics.sibsiu.ru

Иванов Юрий Федорович, Институт сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, e-mail: yufi55@mail.ru

Ivanov Yuriy Fedorovich, High Current Electronics Institute of the Siberian Branch of the RAS; National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Main Research Worker, e-mail: yufi55@mail.ru