Исследование влияния высокотемпературного отжига на сегрегацию углерода внутри зерна стали 38Х2МЮА, модифицированной молибденом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 538.971

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА НА СЕГРЕГАЦИЮ УГЛЕРОДА ВНУТРИ ЗЕРНА СТАЛИ 38Х2МЮА, МОДИФИЦИРОВАННОЙ МОЛИБДЕНОМ

Денис Васильевич Постников

Омский государственный технический университет, 644050, Россия, г. Омск, пр. Мира, 11, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, тел. (3812)65-22-92, e-mail: dvpostnikov@omgtu.ru

Александр Иосифович Блесман

Омский государственный технический университет, 644050, Россия, г. Омск, пр. Мира, 11, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, директор Научно-образовательного ресурсного центра нанотехнологий ОмГТУ (НОРЦН ОмГТУ), тел. (3812)65-22-92, e-mail: blesm@mail.ru

Денис Андреевич Полонянкин

Омский государственный технический университет, 644050, Россия, г. Омск, пр. Мира, 11, кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры физики, инженер НОРЦН ОмГТУ, тел. (3812)65-22-92, e-mail: polonjan@mail.ru

Виктор Иванович Дубовик

Сибирский государственный университет физической культуры и спорта, 644009, Россия, г. Омск, ул. Масленникова, 144, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой теоретических и прикладных физико-математических дисциплин, тел. (3812)36-41-93, e-mail: tipfmd@sibgufk.ru

Андрей Анатольевич Теплоухов

ООО Научно-производственное объединение «Мостовик», 644080, Россия, г. Омск, пр. Мира, 5/5, кандидат технических наук, главный энергетик завода мостовых конструкций (ЗМК), тел. (3812)71-51-56, доб. 23-28, e-mail: teplouhov@mostovik.ru

В процессе работы изделий из конструкционных сталей в условиях высокотемпературных воздействий происходит сегрегация элементов, что приводит к изменению поверхностных свойств изделий и оказывает влияние на срок их службы. Предложена модель, позволяющая произвести расчет распределения углерода внутри зерен в бинарной системе «сталь-покрытие» после ионно-плазменного модифицирования молибденом стали 38Х2МЮА и ее высокотемпературного отжига в воздушной атмосфере.

Ключевые слова: сегрегация, зерно, углерод, молибден, высокотемпературный отжиг, сталь 38Х2МЮА, ионно-плазменное модифицирование.

RESEARCH OF THE HIGH-TEMPERATURE ANNEALING INFLUENCE ON CARBON SEGREGATION INSIDE THE GRAIN OF J24056 STEEL MODIFIED BY MOLYBDENUM

Denis V. Postnikov

Omsk State Technical University, 644050, Russia, Omsk, 11 Mira Ave., Ph. D., Docent of Physics Chair, tel. (3812)65-22-92, e-mail: dvpostnikov@omgtu.ru

Alexander I. Blesman

Omsk State Technical University, 644050, Russia, Omsk, 11 Mira Ave., Ph. D., Docent of Physics Chair, Director of Research and Education Resource Center for Nanotechnology OmSTU (SERCN OmSTU), tel. (3812)65-22-92, e-mail: blesm@mail.ru

Denis A. Polonyankin

Omsk State Technical University, 644050, Russia, Omsk, 11 Mira Ave., Ph. D., Associate Professor of Physics Chair, Engineer of SERCN OmSTU, tel. (3812) 65-22-92, e-mail: polonjan@mail.ru

Victor I. Dubovik

Siberian State University of Physical Culture and Sports, 644009, Russia, Omsk, 144 Maslennikov St., Ph. D., Head of «Theoretical and applied physics and mathematics» Department, tel. (3812)36-41-93, e-mail: tipfmd@sibgufk.ru

Andrei A. Teplouhov

NPO «Mostovik» LLC, 644080, Russia, Omsk, 5/5 Mira Ave., Ph. D., Chief power engineer of a bridge metalwork plant, tel. (3812)71-51-56, ext. 23-28, e-mail: teplouhov@mostovik.ru

In the process of constructional steel products working in the conditions of the high temperatures the elements segregation occurs, which leads to a change in the surface properties of products and influences their life cycle. An estimation model of the carbon distribution within the grains in a binary «steel-coating» system after the ion-plasma modification of J24056 steel by molybdenum and its high temperature annealing in an air atmosphere is proposed in the paper.

Key words: segregation, grain, carbon, molybdenum, high temperature annealing, J24056 steel, ion-plasma modification.

Для увеличения срока службы изделий [1] в условиях работы при высоких температурах в воздушной атмосфере был разработан комбинированный метод поверхностного модифицирования, который включает в себя ионную имплантацию и магнетронное ионно-плазменное напыление [2]. Ионная имплантация проводится до напыления с целью повышения адгезии [3, 4]. Основной задачей исследования являлась разработка модели массопереноса малоразмерных атомов внутри зерна и расчет распределения углерода внутри зерен в бинарной системе «сталь-покрытие» после ионно-плазменного модифицирования молибденом стали 38Х2МЮА и ее высокотемпературного отжига в воздушной атмосфере, а также сравнение расчетных данных с экспериментальными.

В результате нагрева в воздушной атмосфере происходит диффузия углерода в поверхностные слои изделия. Атомы углерода, по сравнению с атомами железа и других металлов, являются малоразмерными, и их диффузия осуществляется преимущественно по межузельному механизму. Для объяснения и количественного описания элементного состава используется кинетическое уравнение (1), которое определяет концентрацию атомов сорта B в бинарной системе из атомов сорта А и В под действием градиента температуры, и внутренних напряжений. Первое слагаемое в уравнении (1) описывает концентрационный механизм диффузии по межузельному механизму, второе - встречные потоки

компонентов А и В, третье слагаемое описывает термодиффузию по межузель-ному механизму. Коэффициенты диффузии заимствованы из работы [5].

дс

дх

д дс1

В =__и ив

дх в дх д с'с'

+2

-в ^А

дх кТ2

1 +

2 дс1в +-2-

дх

Г дс1 дс1 Л

ГЛ1 и{"А _ ту и<-В ^А ~ ^В

V

дх

1 +

дх ГР

1 +

дт

Г р\2

кЕу

+

(1)

дх

с

где с'А и с'в - концентрация атомов сорта А и В;

1УВ = 1У()В ехр(~Е'В / кТ) и 1)'А = 1У()А ехр(~Е'А / кТ) - коэффициенты диффузии атомов сорта А и В;

Р -внутренние напряжения в материале;

Е - модуль Юнга;

Т - температура;

к - постоянная Больцмана;

Е'в, Е'а - энергии активации процесса диффузии по межузельному механизму.

Для определения распределения концентраций элементов уравнение (1) необходимо дополнить влиянием механизмов взаимной рекомбинации, когда вакансия и межузельный атом исчезают, а также стоками точечных дефектов на дислокациях и границах зерен. Основные механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях связаны с потоками точечных дефектов: вакансий и межузельных атомов. Для расчета концентрации вакансий и межузельных атомов в качестве модели рассмотрим зерно, расположенное на поверхности. Пусть сечение зерна будет прямоугольным. Для расчета концентрации точечных дефектов в этом случае воспользуемся следующей системой уравнений:

¿я дх

_03_£ж.

дх

+ ■

а

ду

ду

гС

¡в ■

(2)

^=ехр {-Еу /кТ) - гСуСп + ¿я дх

-Е) ^У

дх

\

+ ■

д

ду

-Е)

ду

-г С

(3)

где С1В = ехр(-Я /кТ), Су = ехр(-Л'г /кТ) - концентрация вакансий и межузельных атомов, термодинамически равновесных при высокой температуре [6]; 2 = Ажгуу1 - коэффициент пропорциональности при рекомбинации; Д, Ву - коэффициент диффузии вакансий и межузельных атомов; г = (р/)(и ехр(-Д / кТ)) / 2, гу = (р1)ы- ехр(~ЕУ / кТ)) /2 - скорость аннигиляции вакансий и межузельных атомов на дислокационных стоках [7]; у - частота перескоков.

Наиболее интенсивными механизмами аннигиляции будут: взаимная рекомбинация и аннигиляция на дислокационных стоках. Следующим типом стоков является граница зерна. Данный вид стоков является ограниченным. Концентрация вакансий внутри зерна будет выше, чем на стоках. Таким образом, точечные дефекты будут перемещаться к стокам, то есть к поверхности и границам зерен. Схематично потоки вакансий представлены на рис. 1.

Поток вакансий к границам зерен Модель зерна

Основной поток вакансий к поверхности

Рис. 1. Схема распределения потоков вакансий

Так как поверхность и границы зерна являются эффективными стоками вакансий, то концентрация равновесных вакансий уменьшается у стоков. В результате возникают значительные градиенты вакансий. Этот процесс стимулирует диффузию атомов. Если в сплаве имеются несколько сортов атомов, то градиент неравновесных вакансий приводит к возникновению потоков атомов, что приводит к перераспределению элементов в сплаве.

Перераспределение примеси можно объяснить наличием градиентов точечных дефектов у границы зерна. Граница зерна является интенсивным стоком вакансий, поэтому усредненный профиль распределения вакансий у границы зерна меняет свою форму. В результате возникают два потока примеси: один направлен перпендикулярно поверхности, а второй параллелен ей, т.е. направлен к границе зерна (рис. 1). На основе системы уравнений (1) - (3) проводились расчеты концентрации углерода по площади зерна в стали, модифицированной молибденом, после отжига в течение 60 минут при температуре 900 °С (рис. 2).

Рис. 2. Распределение углерода в стали после отжига, расчетные данные по зерну прямоугольной формы, а) по оси ОХ б) по оси ОУ

Для сравнения результатов численного расчета с экспериментальными данными проведен анализ состава в поверхностном слое стали с помощью микроанализатора на растровом электронном микроскопе на границе и в центре зерна (рис. 3). Результаты расчета хорошо коррелируют с экспериментальными результатами.

>*гГ>

ШО_СЮ1

I I I

»/"'НЮ 002

"" 016 20kV Х6,00017 2\лт

11 50 SEI

Рис. 3. Микрофотография зерна после отжига

Как показывают экспериментальные данные, происходит существенное перераспределение углерода в пределах зерен. Исходная концентрация в стали 38Х2МЮА составляет от 0,3% до 0,42%, после нанесения покрытия и высокотемпературного отжига происходит перераспределение углерода. В стали без покрытия концентрация углерода во внутренних областях зерна увеличивается до 2,5 %, при этом на границе зерна концентрация уменьшается до 0,08%, в системах с покрытием во внутренних областях зерна до 2,3%, на границе зерна до 0,05%. В результате исследования перераспределения углерода в стали 38Х2МЮА без покрытия и с покрытием из молибдена после отжига при температуре 900°С в течение 60 мин выявлено существенное перераспределение углерода по поверхности зерен. В данной работе предложена математическая модель, позволяющая провести расчеты перераспределения углерода по площади зерна, которая удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными. Основными механизмами, которые приводят к перераспределению углерода, являются неравновесные потоки точечных дефектов к поверхности и границам зерен.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Современная трибология: Итоги и перспективы / под ред. К. В. Фролова. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. - 480 с.

2. The combined ion-plasma method for the superficial modification of the products of constructional steel operating under the conditions of short-term extreme thermal conditions / A. I. Blesman, D. V. Postnikov, D. A. Polonyankin, E. A. Rogachev // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2014. - P. 1-7. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005639.

3. Ионная имплантация / под ред. Дж. К. Хирвонена. - М.: Металлургия, 1985. - 392 с.

4. Палмер Д. Успехи ионной имплантации / Д. Палмер // Ионная имплантация и полупроводники и другие материалы. - М.: Мир, 1980. - С. 7-64.

5. Лариков Л. Н., Юрченко Ю. Ф. Тепловые свойства металлов и сплавов. - Киев: «Наукова Думка», 1985. - 437 с.

6. Бокштейн Б. С. Диффузия в металлах. - М.: Металлургия, - 1978. - 248 с.

7. Шалаев А. М. Радиационно-стимулированные процессы в металлах. - М.: Атомиздат, 1988. - 175 с.

© Д. В. Постников, А. И. Блесман, Д. А. Полонянкин, В. И. Дубовик, А. А. Теплоухов, 2015