CC BY
25
УДК 537.534:539.422.24
ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ Ст3 ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АЗОТА И АРГОНА
БЫКОВ П.В., ВОРОБЬЁВ В.Л., БАЯНКИН В.Я.
Физико-технический институт УрО РАН, Ижевск, Россия, less@fti.udm.ru
АННОТАЦИЯ. Исследовано влияние облучения ионами и Аг+ с энергией 40 кэВ дозами от 10 до 10 ион/см2 на механические свойства, морфологию поверхности и состав поверхностных слоев углеродистой стали Ст3. Показано немонотонное изменение микротвердости и усталостной прочности в зависимости от типа и дозы облучения, сглаживание поверхности под действием ионной бомбардировки.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ионная имплантация, шероховатость поверхности, состав поверхностных слоев, глубина проникновения ионов, микротвердость, долговечность, магистральная трещина.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из направлений в современном машиностроении является поверхностное упрочнение сравнительно дешевых сталей и сплавов для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в сложных условиях. Это обеспечивает экономию дорогостоящих высоколегированных сталей и сплавов и удешевляет само изделие. Одним из методов, активно развивающимся в настоящее время, является ионно-лучевое и ионно-плазменное легирование поверхности. Целенаправленно выбирая легирующий элемент и режимы облучения, с помощью метода ионной имплантации можно обеспечить широкую гамму полезных свойств поверхностных слоев материалов: повышение пределов прочности и текучести, ударной вязкости, трещиностойкости, сопротивления коррозии и износостойкости и т.п. [1 - 3]. Широко исследуются и используются методы ионной и ионно-плазменной обработки сильноточными пучками [4, 5]. Однако в ряде случаев использование интенсивной ионной или ионно-плазменной обработки поверхности приводит к деградации свойств материала основы вследствие высоких температур, при которых осуществляется подобное воздействие.
Ионная имплантация, повышая концентрацию структурных дефектов приповерхностного слоя, способствует повышению сопротивления движению дислокаций, что является одним из механизмов повышения усталостной прочности [6]. С другой стороны, при облучении поверхности ионами химически активных элементов могут формироваться мелкодисперсные включения новых фаз, обеспечивающих более высокие механические свойства за счет дисперсного упрочнения поверхностного слоя [7].
Целью данной работы является сравнительное исследование влияния облучения ионами инертного газа (аргон) и химически активного элемента (азот) на механические свойства углеродистой стали Ст3.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы Ст3, представляют собой пластины длиной 60 мм и сечением 8*2 мм , вырезанные из листа в состоянии поставки электроискровой резкой. Состав образцов в исходном состоянии: Fe - основа, С - 0,2%, Мп - 0,4%, и Si - 0,15%. Образцы подвергались механической полировке с использованием полирующих паст и очистке в органических растворителях.
Облучение проводили с двух сторон, энергия ионов 40 кэВ, плотность тока ионов
2 15 16 16 17 2
10 мкА/см до интегральной дозы
1015, 1016, 5*10 и 10 ион/см на ионно-лучевой установке типа ИЛУ-2 (НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского) в вакууме не хуже 10-3 Па. Температура образцов в процессе ионной имплантации не превышала 100°С.
Изучение рельефа поверхности образцов проводилось с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver Pro.
Химический состав поверхностных слоев исследовался методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на спектрометре ЭС-2401, с использованием MgKa-излучения (1253,6 эВ).
Микротвердость поверхностных слоев образцов до и после облучения измеряли методом вдавливания алмазного индентора на приборе ПМТ-3 при нагрузке 20 г и выдержке образца под нагрузкой 10 с.
Испытания на усталостную прочность проводили по схеме знакопеременного консольного изгиба до разрушения. Максимальное напряжение по сечению образца равнялось 270 - 360 МПа при частоте 22,5 Гц, коэффициент асимметрии цикла r = -0,1.
Фрактографический анализ проводили на растровом электронном микроскопе Philips Quanta 200 в ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ изображений полученных методом атомной силовой микроскопии позволяет говорить, что в результате ионной имплантации происходит изменение морфологии поверхности образцов. Облученная поверхность имеет более гладкий рельеф, микродефекты на поверхности зерен затягиваются что, очевидно, снижает вероятность зарождения усталостной трещины с поверхности [8]. Кроме того, с увеличением дозы облучения, как ионами азота, так и ионами аргона, значительно снижается параметр шероховатости Ra (рис.1). Ra - определяет величину среднего значения шероховатости поверхности образца в пределах анализируемой области [9].
Ra, нм
D х 1015 ион/см2
Рис. 1. Изменение параметра шероховатости Ra в зависимости от дозы облучения ионами азота и аргона
Исследование образцов стали Ст3, облученных ионами азота, методом РФЭС показали, что профиль распределения азота в поверхностных слоях имеет куполообразную форму с максимумом концентрации на глубине 1 - 2 нм. Расчет глубины проникновения ионов азота в железо, выполненный по методике, описанной в [10], показал, что максимум концентрации азота должен быть на глубине примерно 37 нм. Таким образом, профиль концентрации азота значительно сдвинут к поверхности. Возможно, это происходит из-за градиента механических напряжений, возникающих в поверхностном слое в процессе прокатки [11].
Н, Мпа
D х 1015 ион/см2
Рис. 2. Зависимость микротвердости углеродистой стали Ст3 от дозы облучения ионами азота и аргона
Микротвердость стали в исходном состоянии составляет 520 МПа и увеличивалась после облучения ионами азота и аргона на 50 - 140% в зависимости от дозы облучения и типа ионов (рис. 2). При этом максимальное увеличение микротвердости образцов наблюдается при разных дозах облучения: 1) 880 МПа при дозе облучения ионами азота 5*1016 ион/см2; 2) 1220 МПа при дозе облучения ионами аргона 1015 ион/см2. Естественно предположить, что увеличение микротвердости связанно с образованием радиационных дефектов, особенно при интенсивном облучении ионами большого радиуса Аг+, и как следствие с закреплением дислокаций. Кроме того, при облучении ионами N упрочнение возможно за счет образования соединений новой фазы.
Усталостные испытания выявили увеличения долговечности образцов облученных
16 16 2 15 2
ионами азота дозой 10 и 5*10 ион/см и ионами аргона дозой 10 ион/см . Долговечность остальных образцов облученных ионами аргона дозой 1016 и 5*1016 ион/см2 соответствует долговечности исходных образцов (рис. 3), а образцы облученные ионами азота дозой 1015 и
17 2 17 2
10 ион/см" и аргона дозой 10 ион/см" разрушились преждевременно. Отах,МПа
N х 104
Рис. 3. Результаты усталостных испытаний необлученных и облученных ионами азота и аргона
(1 - 1015, 2 - 1016, 3 - 5Х1016, 4 - 1017 ион/см2)
Рис. 4. Поверхность усталостного излома образцов облученных ионами азота: а) доза 5Х1016 ион/см2, б) доза 1015 ион/см2
Рис. 5. Поверхность усталостного излома образцов облученных ионами аргона: а) доза 1015 ион/см2, б) доза 5х1016 ион/см2
Фрактографические исследования поверхностей изломов образцов показали следующее:
- зарождение магистральной трещины исходных образцов начинается с поверхности, где присутствует большое количество макродефектов, являющихся концентраторами напряжений;
- для образцов облученных ионами азота характерно подповерхностное зарождение трещины, очаги располагаются на глубинах примерно 5 - 20 мкм от поверхности (рис. 4а). В образце облученном ионами азота дозой 1015 ион/см2 зарождение трещины начинается с поверхности (рис. 4б);
- зарождение трещины в образцах, облученных ионами аргона дозой 1015 ион/см2 и 1016 ион/см2, начинается так же под поверхностью, но на глубине примерно 5 - 10 мкм (рис.5а), а в образцах, облученных ионами аргона дозой 5*1016 ион/см2 и 1017 ион/см2 с поверхности (рис. 5б).
ВЫВОДЫ
1. Ионная имплантация приводит к возрастанию микротвердости на 50 - 140 %, в зависимости от дозы облучения и типа ионов. 2. Выявлено изменение долговечности образцов стали Ст3 в зависимости от дозы облучения ионами N и Аг . Максимальное увеличение долговечности происходит при облучения ионами азота 1016 и 5*10 ион/см , а
15 2
ионами аргона дозой 10 ион/см . Увеличение долговечности образцов исследованной стали, может быть связано с изменением состава и дефектной структуры поверхностных слоев, образцов и сглаживанием поверхности при ионной имплантации, что обуславливает процесс изменения механизма зарождения и развития магистральной трещины.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта ФТИ УрО РАН и ИФПМ СО РАН
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П. Закономерности и механизмы износа феррито-перлитной стали, имплантированной ионами молибдена // Трение и износ, 2002. Т. 23, № 5. С. 529 -536.
2. Лаврентьев В.И., Погребняк А.Д. Воздействие ионных пучков на железо и стали // Металлофизика и новейшие технологии, 1996. Т. 18, № 11. С. 18 - 39.
3. Плешивцев Н.В., Красиков Е.А. Защита металлов, сплавов и сталей ионной бомбардировкой (обзор) // Металлы, 1995. № 4. С. 98 - 129.
4. Романов И.Г., Рябчиков А.И., Царева И.Н., Романова Г.М., Москвичев Е.П. О поверхностном упрочнении инструментальных сталей непрерывными и импульсными потоками ионов // Металлы, 1993. № 3. С. 113 -121.
5. Диденко А.Н., Шулов В.А., Ремнев Г.Е., Стрыгин А.Э., Погребняк А.Д., Ночовная Н.А., Ягодкин Ю.Д. Физико-химическое состояние поверхностных слоев и эксплутационные свойства сплава ВТ18У, подвергнутого воздействию мощного ионного пучка // Физика и химия обработки материалов, 1991. №5. С. 14 - 23.
6. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. 216 с.
7. Раджабов Т.Д., Багдасарян А.С. Изменение поверхностной микротвердости и износостойкости сплава титана в результате ионного азотирования // Поверхность. Физика, химия, механика, 1986. № 11. С. 104-111.
8. Обработка поверхности и надежность материалов / Под ред. Дж. Бурке, Ф. Вайса. М.: Мир, 1984. 192 с.
9. Олейникова Л.Д. Единицы физических величин в энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1983. 232 с.
10. Кумахов М.А., Комаров Ф.Ф. Энергетические потери и пробеги ионов в твердых телах. Минск: Изд-во БГУ, 1979. 319 с.
11. Баянкин В.Я., Тетельбаум Д.И., Гусева М.И. Сегрегационное проявление «эффекта дальнодействия» при имплантации ионов бора в фольгу сплавов пермаллой-79 и Си-№ // Материалы XVП-ой Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (ВИП-2005), Звенигород, 2005. Т.2. С. 110 - 113.
SUMMARY. An effect of irradiation with N+ and Ar+ ions with energy of 40 keV by the radiation dose from 1015 to 1017 ion/cm2 on the mechanical properties, the surface morphology, and the composition of surface layers of the carbon steel St.3sp has been studied. The nonmonotonic change of microhardness and fatigue strength in accordance with the type and the dose of irradiation, smoothing of the surface under the action of ion bombardment has been shown.
