Массоперенос в системе сталь металлическое покрытие при высоких температурах в среде кислорода Текст научной статьи по специальности «Физика»

удк 538971 а. и. блесман

д. в. постников д. а. полонянкин е. а. рогачев э. а. ткаченко

Омский государственный технический университет

МАССОПЕРЕНОС В СИСТЕМЕ СТАЛЬ - МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ В СРЕДЕ КИСЛОРОДА

В статье рассмотрены вопросы массопереноса углерода в стали 38Х2МЮА с металлическими покрытиями из вольфрама, молибдена, тантала. Рассмотрен механизм эволюции точечных дефектов при нагреве до 900оС. Предложенный метод расчета распределения точечных дефектов и концентрации углерода, на основе кинетических уравнений массопереноса, позволил получить профили распределения углерода в поверхностном слое. Проведено сравнение с экспериментальными данными.

Ключевые слова: массоперенос, диффузия, защитные покрытия, отжиг. Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ, грант 13-08-98063.

Во многих случаях повышение долговечности и надежности различных деталей и инструмента может быть достигнуто путем изменения химического состава и структуры поверхностного слоя. На современном этапе развития техники для модифицирования поверхности широко применяется радиационная обработка материалов, которая, как показывает большой экспериментальный опыт, прекрасно себя зарекомендовала.

Фундаментальные исследования фазовых превращений и процессов массопереноса являются одним из основных этапов разработки технологий модифицирования поверхности; кроме того, понимание процессов, происходящих в материалах, позволяет прогнозировать их эксплуатационный ресурс и разрабатывать новые технологии.

Одним из основных процессов, который приводит к изменению поверхностных свойств материала при высоких температурах, является массопере-нос компонентов сплава. Распределение элементов, возникающее в материале в ходе длительного воздействия высоких температур, может существенно отличаться от исходного распределения.

Обзор экспериментальных и теоретических данных показал, что радиационно-стимулированная диффузия в сплавах экспериментально изучена довольно подробно, но удовлетворительного математического описания не существует, поэтому в данном направлении в настоящее время работает большое количество исследователей.

Экспериментальные исследования поверхностного слоя стали с покрытием. Комбинирование процессов ионной имплантации, а также ионно-плазменного напыления было реализовано на установках ННВ-6 совместно с установкой УБМ-200. При этом сначала проводилась ионная имплантация материала катода в приповерхностный слой из-

делия, а затем модифицирование его поверхности посредством ионно-плазменного напыления. Такая комбинация методов позволяет улучшить качество адгезии в 10 раз. Ионно-плазменное модифицирование проводилось на установке VSM-200 в рабочей камере при давлении 3,2^3,4-10-1 Па, сила тока 0,3 А в среде аргона. Время нанесения покрытия составило 30 минут.

Для исследования коррозионной стойкости при высокой температуре проведен отжиг стальных образцов с покрытием на воздухе в течение 60 мин при температуре 900оС. После отжига проведено исследование элементного состава поверхностного слоя с помощью микроанализатора растрового электронного микроскопа Jeol JCM-5700.

Исследование образцов, модифицированных танталом, молибденом и вольфрамом, а также исходного образца осуществлялось на растровом электронном микроскопе Jeol JCM-5700 в режиме высокого вакуума. Тип сигнала — вторичные электроны (SEI). Величина ускоряющего напряжения менялась в диапазоне от 15 до 20 кВ, причем для получения более высокого разрешения ускоряющее напряжение уменьшалось. Были получены изображения поверхностей образцов, а также проведен количественный элементный анализ их поверхности (рис. 1—3). На рисунках представлены растровые микроТаблица 1

Элементный анализ поверхности

Исходное покрытие Fe (ат. д.) O (ат. д.) С (ат. д.)

W 0,2985 0,4828 0,2187

Mo 0,2827 0,3924 0,3249

Ta 0,4998 0,5002

Рис. 1. Растровая микрофотография поверхности молибдена после отжига при температуре 900 оС, время 60 мин

Рис. 2. Растровая микрофотография поверхности тантала после отжига притемпературе 900 оС,время60мин

Рис. 3. Растровая микрофотография поверхности вольфрама после отжигапритемпературе 900 оС,время60мин

л

Поток вакансий к границам зерен Модель зерна

3 м<

О

Основной поток межузельных атомов в область зерна

V

Рис. 4. Схематичное распределение вакансий

х(мкм)

в 0-0,025 Н 0,025-0,05 НО,05-0,075

■ 0,075-0,1 НО, 1-0,125 НО,125-0,15 И 0,15-0,175 и 0,175-0,2

Рис. 5.Распределение углеродавстали38Х2МЮА после отжига в течение 60 мин

фотографиии поверхности и указаны области, в которых осуществлялся элементный анализ модифицированной стали 38Х2МЮА.

На основе полученных данных о количественном составе модифицированного и немодифици-рованного образцов можно сделать вывод об изменении их элементного состава поверхности. После отжига наблюдаются локальные области со значительными концентрациями углерода и отсутствием элемента покрытия (табл. 1).

Модель расчета распределения точечных дефектов. Основные механизмы перераспределения элементов в поверхностных слоях связаны с потоками точечных дефектов: вакансий и межузельных атомов. Для расчета концентрации вакансий и межузельных атомов 15 качестве моден рассмотрим зерно, рдапдложтннов да потерхности. Пусть сече -ние зтртс бурет афямнугольным. Дзш расоета кота центрдеии точечных рдфгьеов в ртод улучае рос-пзльзремсе слеиующей свстепгойуравьрнид [1, 2]:

д( '

8Су _ г ■ 81 у

рде Су =е

ДУу еО:ПО)С ' дх О 8 \ о.неЛк ду О

5-1

5 1 V у (с»-!0 О

О ду

К,С,

-Су

(1)

ее.

еелыгегх аьрмов; й„

Р^оде

й.

РОо,е

лыции будут: взаимная рекомбинация и аннигиляция на дислокационных стоках. Следующим типом стоков является граница зерна. Данный вид стоков является ограниченным.

Вакансии, 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. 4.

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 неравновесныхвакансийпривоадт квоз-никновению потоков атомов, что приводит к пере-распредрлыниюэлементое всплаае.

Пернраспределение офимеси межлв объяснить наличием градиентов точечных дефектов у границы знрюе. Грннюце зндые язенетсе зрирноивным еее-ком вакансий, поэтому усредненный профиль распределения вакансий у границы зерна меняет свою фарму. П взяцрызате зграикаютдва юетока тфымз-си: один направлен перпендикулярно поверхности, а второй параллелен ей, т.е. направлен к границе зеона. На основе системы уравнений (1)проводи-лись расчеты распределения точечных дефектов по площади зерна.

Механизм перераспределения малоразмерных промесей в {^зуиьтеос Каксеаде-

тельствыют поярытия (яоне-

фрам, тантал, молибден) интенсивно диффундирует е ылубвФтФенны- млтртцы. Угрертд ноерсяые, диф-фунолррлп р ы^овсрнхцоо^ и свопливаетея вбтизи центра зерен. При рассмотрении процессов массо-цереноса ^^т^е^и^с^д^^ п^р^п! оысеких томператуыаинеоб-ходимо рассмотреть следующие механизмы:

— концоыерРциоицыйы[ехвыФзм диффузии;

— умыИФюзию по можузеиьноры механизмм ме_ лоразмерных примесей;

— твы—темФФ узию.

Данные механизмы отражает следующие уравнение:

дс'в дх

+ 2

-д- о.

дх

дх дх

дс'л дх

- оп

дс'в дх

д Си',

дх кТ2 I с'л

с' О' Р

СВОВРВ - О' Р'

дт

дх

(2)

гегнцентрациявакансии и

межузельных атомовтермодинамически равновес-ныхпрт ао1сослс^1Гз^б^гйо^Р^;ЬС^Рэ [3[ е^=риг1се — коэффициент пропорциональности при рекомбинации;

Дс О — 1го;^|0|с|эици1^:от диффузии лаоансий имежу-

скорость

аннигиляции вакансий и межузельных атомов на дислокационных стоках [4], V — частота переско-ков.Наиболее интенсивными механизмами анниги-

где св' — концентрация углерода, Вв' — коэффициент диффузииуглерода.

Первое слагаемое в уравнении (2) описывает концентрационный механизм диффузии по межу-зельному механизму, второе — встречные потоки компонентов А и В (в данном случае железо и углерод соответственно), третье слагаемое — процесс термодиффузии по межузельному механизму. Про-црдееныйрзсчетконцентрацииуглеродапо уравнения м (1) и (2) показал, что малоразмерные примеси концентрируются в центре зерна, их концентрация соататпсьвует экспериментально полученным результатам (рис. 5).

Вь 1ВОДЫ.

1. Экспериментально обнаружено, что в резуль-тттевлжргс е оечение 60 мин в системе: металлическое покрытие — сталь 38Х2МЮА происходит мас-соп^Лилдтс] литментов покрытия во внутренние слои матрицы, ауулерода — в области, близкие к цен-я^се.на.

+

сл

Е

Е

2. Предложенная модель массопереноса показывает, что основными механизмами экспериментально обнаруженного массопереноса является межу-зельный механизм диффузии, связанный с неравновесными потоками точечных дефектов.

3. Проведенные расчеты и результаты экспериментальных исследований показали, что концентрация углерода во внутренних областях зерна увеличивается до 20%.

Библиографический список

1. Постников, Д. В. Изменение концентрации примеси на границах зерен в условиях электронного облучения / Д. В. Постников, С. В. Плотников // Радиационно-термиче-ские эффекты и процессы в неорганических материалах : тр. 2-й Междунар. конф. — Томск , 2000. — С. 240-242.

2. Postnikov, D. V. Additive recovery at lateral boundaries of grains under electronic exposure / D. V. Postnikov, S. V. Plotnikov // Defect structures evolution in condensed maters : V Int. Seminar — School. — Barnaul, 2000. — P. 65-66.

3. Бокштейн, Б. С. Диффузия в металлах / Б. С. Бокштейн // Металлургия. — 1970. — № 12. — С. 97.

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

БЛЕСМАН Александр Иосифович, кандидат технический наук, доцент (Россия), доцент кафедры физики.

Адрес для переписки: [email protected]; ПОСТНИКОВ Денис Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), доцент кафедры физики.

Адрес для переписки: [email protected] ПОЛОНЯНКИН Денис Андреевич, кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры физики.

Адрес для переписки: [email protected] РОГАЧЕВ Евгений Анатольевич, кандидат технический наук, старший преподаватель кафедры физики.

Адрес для переписки: [email protected] ТКАЧЕНКО Эдуард Александрович, аспирант кафедры физики.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 23.06.2014 г. © А. И. Блесман, Д. В. Постников, Д. А. Полонянкин, Е. А. Рогачев, Э. А. Ткаченко

УДК 539.173|°4) а. л. литневский

Омский государственный технический университет

ЗАВИСИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕННЫХ ЯДЕР ОТ ЗНАЧЕНИЙ УГЛОВЫХ МОМЕНТОВ, УНОСИМЫХ ЭМИТИРУЕМЫМИ ЧАСТИЦАМИ

Проведено динамическое моделирование деления возбужденных ядер при различных значениях угловых моментов, уносимых эмитируемыми частицами. Построены зависимости основных наблюдаемых величин от начального углового момента ядра. Объяснено влияние значений уносимых моментов на результаты моделирования.

Ключевые слова: моделирование деления ядер, угловой момент.

Компьютерное моделирование процесса деления возбуждённых атомных ядер сегодня является основным методом теоретического исследования этого процесса [1—4]. Несомненно, выбор параметров моделирования — первостепенная задача, от решения которой в значительной степени зависит результат исследования. Одним из важнейших параметров модели деления ядер является угловой момент, уносимый эмитируемыми частицами, ДLv.

Вообще, ДLv — величина случайная, но учет её стохастичности приведёт к существенному увеличению времени моделирования, поэтому прежде чем рандомизировать уносимые угловые моменты, необходимо выяснить, насколько сильно их значения влияют на результаты моделирования. Именно этому, а также объяснению обнаруженного влияния посвящена настоящая работа.

Существует стандартный общепринятый набор значений уносимых частицами угловых моментов, однако подробного анализа влияния используемых значений на результаты моделирования не проводилось. Для нейтрона, протона и гамма-кванта принимаются значения ДЬп = ДЬр = = 1, а для дейтрона и альфа-частицы — ДLd = = 2 соответственно.

В работе [5] проведено исследование зависимостей среднего времени деления ядер (СВД) от их начальной энергии возбуждения, Б(0(0. В ходе работы выполнялись расчёты со стандартным значением = 1, а также с ^= 0. Было показано (см. рис. 2 работы [5]), что значение углового момента, уносимого нейтроном, оказывает существенное влияние на зависимость СВД от Е ю.

Здесь мы подробно рассмотрим влияние значений уносимых моментов на зависимости основных