Изменение диффузной проницаемости железа и его сплавов при введении в них инертных газов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

величину верхнего предела плотности можно получить, сделав предположение о беспорядочном распределении дислокаций. Для такого распределения дислокаций плотность будет: р = 52 тах / 9Ь2.

Значения плотностей избыточных дислокаций могут быть получены также из других рентгеновских данных, например из данных о размерах блоков р = 3П / Б2 , где п - число дислокаций на поверхности блока.

Значения плотностей дислокаций, полученные по разориентировкам и размерам блоков (например, для деформированных металлов), согласуются достаточно удовлетворительно.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Овсиенко Д.Е., Соснина Е.И. Влияние скорости роста монокристаллов на их мозаичную структуру // ФММ. 1986. Т. 3. Вып. 2. С. 374-382.

2. Овсиенко Д.Е., Соснина Е.И. Вопросы физики металлов и металловедения. Киев: АН УССР, 1989. № 9. 185 с.

Поступила 10.02.2003 г.

УДК 539:219.3:53 В.М.Миронов

ИЗМЕНЕНИЕ ДИФФУЗНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ ПРИ ВВЕДЕНИИ В НИХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований, посвященных изучению влияния присутствия инертного газа в кристаллической решетке металла на диффузионную проницаемость. Твердый раствор возникает в процессе обработки в плазме тлеющего разряда. Показано, что бомбардировка железа ионами инертных газов создает барьерный эффект в приповерхностном слое, что приводит к уменьшению его диффузионной проницаемости как в условиях стационарных изотермических отжигов, так и импульсных воздействий.

Известно, что введение инертных газов в металлы и сплавы сопровождается появлением в приповерхностном слое и объеме сильно неравновесной структуры, которая характеризуется возникновением твердого раствора металл-инертный газ, различных радиационных дефектов и микропузырьков, содержащих инертные газы. Все это сказывается на стабильности материалов в процессе эксплуатации при действии температур и импульсных нагружений. Данная работа посвящена изучению влияния присутствия инертного газа в кристаллической решетке металла на такой структурно-чувствительный процесс, как диффузия. Так как твердый раствор, возникающий при насыщении в процессе обработки в плазме тлеющего разряда, метастабилен и образуется по типу вычитания, диффузия в нем должна подчиняться несколько иным закономерностям, чем в чистом металле или твердом растворе, полученном в равновесных условиях.

Эксперименты проводились на армко -железе, стали У 8 и сплаве железа с 30 % никеля, из которых изготавливали цилиндрические образцы, которые для одновременной обработки располагали в служащей катодом стальной оправке по окружности симметрично относительно анода. Ионную бомбардировку торцевых поверхностей образцов проводили при давлении ~1,3 • 10 Па в аргоновой плазме тлеющего разряда, содержащей в некоторых случаях небольшое количество (около 0,1 %) радиоактивного изотопа 85Кг. Напряжение между анодом и катодом (образец) составляло 1 кВ, плотность тока - 50 мА/см . Температура поверхности образцов не превышала 473-493 К. Длительность обработки составляла 30 ч. Это позволило ввести в приповерхностный слой металла толщиной 30 - 35 мкм порядка 2 - 3 % инертного газа, распределенного по глубине по экспоненциальному закону от квадрата расстояния от поверхности [1]. Распределение инертного газа по поверхности характеризуется наличием концентрически расположенных внешней и внутренней (содержащей инертный газ [2]) областей (рис. 1, а).

а 85Кг

б 55Бе

Часть образцов подвергали цементации в среде порошкообразного карбюризатора Ба14С03. Другую часть образцов покрывали радиоактивными железом и никелем. Покрытия наносили

электролитическим способом из водных растворов БеС13 и №804. Уже при электролитическом

нанесении покрытий выявились особенности, характеризующие осаждение радиоактивного железа

на металл, содержащий инертный газ. В первую очередь, это проявляется в возникновении неоднородного распределения изотопа по поверхности, которое зависит от содержания аргона (криптона) в том или ином месте (рис. 1, б), в то время как различия в концентрации радиоактивного изотопа железа (или никеля) по поверхности исходного армко - железа или его сплавов не превышали 3 %. Кроме того, для получения необходимой активности слоя при нанесении на металл, содержащий аргон, требовались более высокие плотности тока.

Образцы подвергались различным внешним воздействиям, таким, как изотермический отжиг при температурах 973 1173 К в течение 1 120 ч и ударное сжатие со скоростями 10-1 - 104 с-1 в

интервале 293 673 К.

Т а б л и ц а 1 Глубины проникновения (Х, мкм) и коэффициенты диффузии железа 55’5^е в железе

и твердом растворе Fe - Аг при изотермических отжигах

Р и с. 1. Макроавторадиограммы поверхности железа, содержащего инертный газ:

до (а) и после (б) электролитического нанесения покрытия.

Проведенные эксперименты показали, что диффузия железа в твердом растворе вычитания Бе - Лг [2] происходит на меньшие глубины и с меньшей скоростью, чем в исходное армко железо (табл. 1), хотя известно, что избыточные структурные вакансии, присутствующие в твердом растворе вычитания, способствуют возрастанию коэффициентов диффузии и самодиффузии, как это показано, например, на системе Бе - Л1 [3].

Несколько иная картина наблюдается в случае диффузии углерода. Глубина проникновения атомов радиоактивного углерода С в железо и сталь, содержащие атомы аргона, увеличивается более чем на порядок по сравнению с глубиной проникновения атомов железа в этот материал. Наличие инертного газа в кристаллической решетке железа проявляется только на глубинах до 200 мкм, где концентрация атомов углерода в Бе - Лг ниже, чем в Бе. То есть не только атомы аргона, расположенные в приповерхностном слое толщиной ~ 30 мкм, но и имеющиеся на больших глубинах радиационные повреждения кристаллической решетки изменяют проницаемость железа и стали. Однако в целом глубины проникновения атомов С в твердом растворе железо-аргон и чистом железе практически совпадают (рис. 2).

е, с1 & м, см2/с

Железо Железо - аргон

55>59ре 85Кг 55>59ре 85Кг

0,2 1,8 • 10-8 3,1 • 10-10 С\ 0 О, 2, -

50 5,1 • 10-5 1,1 • 10-6 1,7 • 10-5 Г' 0 О, 2,

ОЛЛЛ 1 С С 'У с 1 А А ^ А

а

б

Р и с. 2. Концентрационные профили распределения атомов 14С в железе (1) и твердом растворе аргона в железе (2) при отжиге в течение 1 ч при 1073 К : а -железо, б -сталь

При переходе от стационарного термического воздействия на исследуемый металл к импульсному деформированию в отсутствие нагрева также наблюдается влияние инертного газа на диффузию. Для скоростей пластической деформации в интервале от 0,1 до 10 с- , как и для различных температур отжига, присутствие в металле атомов инертного газа приводит к уменьшению глубины проникновения и скорости миграции атомов в твердом растворе по сравнению с чистым металлом (табл. 2, рис. 3). Однако следует отметить, что из сравнения результатов, представленных в табл. 1 и 2, вытекает, что при миграции атомов в металле, содержащем инертные газы, температура оказывает более слабое влияние на диффузию, чем скорость пластической деформации. Кроме того, в отличие от температуры пластическая деформация с ростом величины £ приводит к

уменьшению различий в значениях коэффициента массопереноса железа в железе Ре) и твер-

дом растворе инертного газа в металле Ре_Аг). Для изотермического отжига независимо от температуры это различие не превышает ~ 2,5 - 3 раз, тогда как с ростом скорости деформации от 0,1 до 104 с-1 отношение Ре) / Ре_Аг) уменьшается от 10 до 1,5.

а б

Р и с. 3. Концентрационные профили распределения атомов 55Бе и 85Кг в железе и твердом растворе аргона в железе при импульсном нагружении:

а) 1

■ 55Ее в Ее, 2- 55Ее в Ее - Аг (50 с'1, 293 К); б) 1 - 55Ее в Ее, 2 - 55Ее в Ее - Аг,

3 -

85Кг в Ее, 4 - 85Кг в Ее - Аг (3.103 с-1, 323 К).

Т а б л и ц а 2

Влияние скорости пластической деформации на проникновение атомов 55’5^е и 85Кг в железе и твердом растворе аргона в железе при 300 К ( П М, см2/с)

Для миграции атомов в металлах при импульсной обработке характерно, как правило, равномерное распределение по объему зерна [4].

Для выяснения влияния наличия в материале инертного газа на характер проникновения атомов исследовалась миграция атомов никеля в железе. Так, перераспределение атомов N1 в насыщенном аргоном железе при многократном деформировании с ультразвуковой частотой (0,2 с-1, 30 кГц) в интервале температур 305 - 673 К в течение 1 с происходит также по объему зерен, что подтверждается данными авторадиографического анализа (рис. 4, а). Как видно из рис. 4, на глубине ~ 10 мкм в плоскости, параллельной

поверхности образца, наблюдается преимущественное почернение в объеме зерна, в то время как на границах степень почернения существенно ниже. Причем при деформации в условиях комнатной температуры уменьшение концентрации никеля в границах по сравнению с объемом зерна выражено менее заметно. Эти различия возможно связаны с ростом существующих в насыщенном инертным газом металле газонаполненных пор (особенно в границах зерен), препятствующих миграции атомов никеля. Кроме того, повышенная концентрация точечных дефектов, преимущественно вакансий, возникающих, как известно, в процессе ультразвуковой ударной обработки, также

&, с-1 Железо Железо - аргон

55’59Ее 85Кг 55,59Ее 85Кг

0,2 1,8 • 10-8 О -0 3 С\ 0 О, 2, -

50 і/і 0 5, 1,1 • 10-6 1,7 • 10-5 Г' 0 •,0 2,

3000 15,5 3,5 10,0 2,0

может оказывать влияние на миграцию атомов при повышенных температурах. Подобным образом мигрируют атомы радиоактивного никеля N1 в железоникелевом сплаве (Ее - 30% N1, у -фаза), в приповерхностном слое которого находилось до ~ 2 % аргона, в процессе импульсного деформирования ударом со скоростью 20 с-1. Из приповерхностного слоя протяженностью около 0,5 мкм атомы никеля проникают на глубину до 30 мкм. Причем даже при увеличении скорости деформации на два порядка проникновение происходит также по объемному механизму, о чем свидетельствует локализация атомов N1 внутри аустенитных зерен (рис. 4, б), в то время как их миграция, стимулированная только ионной обработкой, имеет четко выраженный зернограничный характер [5]. При этом скорость диффузии никеля в сплав, содержащий инертный газ, почти в 5 раз ниже, чем это имеет место при проникновении в сплав, не содержащий аргон, и составляет 5,2.10-7 см2/с.

Таким образом, бомбардировка железа ионами инертных газов создает барьерный эффект в приповерхностном слое, что приводит к уменьшению его диффузионной проницаемости как в условиях стационарных изотермических отжигов, так и импульсных воздействий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бобырь С.А., Герцрикен Д.С., Миронов В.М., Тышкевич В.М. Особенности взаимодействия металлов с инертными газами в плазме тлеющего разряда // Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-2001). Минск: БелГУ, 2001. С. 60 -63.

2. Тышкевич В.М., Герцрикен Д.С. Влияние условий обработки и характеристик материалов на их взаимодействие с инертными газами в плазме тлеющего разряда // Металлофизика. 2001. Т. 23. № 1. С. 51 - 69.

3. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М.: Физматгиз, 1960. 564 с.

4. Герцрикен Д.С., Мазанко В. Ф., ТишкевичВ.М., ФальченкоВ.М. Массоперенос в металлах при низких температурах в условиях внешних воздействий. Киев: НАНУ, 1999. 436 с.

5. Герцрікен Д.С.,Тишкевич В.М.,Черніков В.М. Особливості перерозподілу атомів поверхневих шарів при іонному бомбардуванні металів // Докл. НАНУ. 1996. № 12. С. 113-116.

Поступила 6.05.2003 г

а б

Р и с. 4. Микроавторадиограммы содержащих аргон железа (а) и сплава Бе-№ (б) после проникновения атомов 63№ (Т = 473 К), х 300.