CC BY
132
УДК 621.785:669.14.08.29
МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТВЕРДОГО СПЛАВА TiC-NiCrAl ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
Ю.Ф. Иванов, Ю.А. Колубаева, В.Е. Овчаренко*
Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск *Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск E-mail: [email protected]
Проведен анализ физической природы повышения прочностных характеристик металлокерамики, подвергнутой обработке электронным пучком. Показано, что формирование эксплуатационных характеристик материала носит многофакторный характер. Вклад каждого фактора в упрочнение металлокерамики является регулируемой величиной и существенным образом зависит от параметров обработки материала электронным пучком.
Ключевые слова:
Металлокерамика, твердые сплавы, электронно-пучковая обработка, фазовый состав и дефектная субструктура, физическая природа прочности металлокерамики, механизмы упрочнения.
В работах [1-8] установлено, что импульсная обработка электронным пучком (энергия электронов ^=15...20 кэВ, ток пучка /=150...200 А, длительность импульса воздействия пучка т=50...200 мкс, плотность энергии пучка Е5=20...45 Дж/см2, число импульсов облучения #=1-15, частота следования импульсов /=0,3...1 Гц) металлокерамики на основе карбида титана состава ТЮ-№СгА приводит к кратному (1,5...3 раза) повышению эксплуатационных характеристик (изгибной прочности в ~2 раза; величины пути резания металла до критической (0,2 мм) степени износа передней режущей кромки твердой пластины в ~3 раза; коэффициента трения в ~1,75 раза; микротвердости в ~1,5 раза) и сопровождается кардинальным преобразованием фазового состава и дефектной субструктуры ее поверхностного слоя, заключающемся в формировании размернооднородной (1,8...2,2 мкм), слабодефектной карбидной составляющей и металлического связующего с субмикро- и наноразмерной зерен-ной структурой (100...200 нм), стабилизированной выделениями второй фазы. В настоящей работе анализируются физические механизмы упрочнения поверхностного слоя модифицированного электронным пучком металлокерамического сплава.
Прочностные характеристики металлов и сплавов, в том числе и металлокерамических материалов, ответственные за выявленное повышение микротвердости и износостойкости металлокерамики, определяются рядом механизмов, основными из которых являются следующие.
Упрочнение внутрифазными границами раздела.
К внутрифазным границам будем относить границы раздела, формирующиеся в объеме связующего материала. Выделяют неперерезаемые границы раздела и перерезаемые границы раздела фазы. К первым относят большеугловые границы раздела зерен. Упрочнение материала большеугловыми границами зерен можно оценить, используя соотношение Холла-Петча [9]:
_ 1
°гр. = СТ0 + К<Т\ (*)
где ст0 - напряжение трения решетки материала; й - средний размер зерен материала; ку - коэффициент пропорциональности, характеризующий состояние границ зерен материала. Обработка электронным пучком, как было показано в [1-8], сопровождается измельчением зеренной структуры связующего материала и уменьшением среднего размера кристаллитов карбида титана, что, следуя выражению (*), будет способствовать повышению прочностных свойств металлокерамики.
К перерезаемым границам относят малоугловые границы раздела, формирующиеся в материале в результате перестройки дислокационной субструктуры - это границы раздела ячеек, фрагментов, субзерен. Упрочнение материала малоугловыми границами (субструктурное упрочнение) оценивают, используя выражение [10]:
~ = и' е~т
и субгр>
где т=1 или 0,5; I - эффективный размер субзерен (ячеек, фрагментов), определяемый эффективной длиной плоскости скольжения в субзерне; к' - коэффициент пропорциональности, являющийся характеристикой состояния границ субзерен материала. Обработка электронным пучком сопровождается формированием в связующем материале ячеек кристаллизации и дислокационной ячеистой субструктуры, следовательно, данный механизм упрочнения будет иметь место в анализируемом материале.
Упрочнение за счет существования сил трения кристаллической решетки. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что величина ст0 существенно зависит от степени чистоты материала и величины его дефектности [10, 11]. Изложенные в [1-8] результаты исследования дефектной субструктуры металлокерамики, обработанной электронным пучком, свидетельствуют о формировании в связующем материале дислокационной субструктуры и увеличении содержания в кристаллической решетке элементов внедрения и замещения. Следовательно, обработка металлоке-
Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 313. № 3
рамики электронным пучком будет сопровождаться ростом величины и0 и, соответственно, прочностных характеристик материала.
Упрочнение частицами вторых фаз. Разделяют упрочнение материала когерентными и некогерентными выделениями второй фазы (частицы карбидов, нитридов, интерметаллидов и т. д.). При наличие в материале зон предвыделений и/или частиц когерентной фазы (фазы, кристаллическая решетка которой плавно переходит в кристаллическую решетку матрицы, внося в материал упругие искажения) упрочнение оценивают по механизму, предложенному Моттом и Набарро [12], учитывая возможное формирование дислокаций несоответствия и дополнительных поверхностей раздела частица-матрица, появляющихся при перерезании когерентных частиц движущимися дислокациями [13]: ^
и = 2в е2(г /' Ь-1)0'5,
к.ч. т V кч.^кч. т / >
где От - модуль сдвига матрицы; гкч - радиус когерентной частицы; /кл . - объемная доля когерентных частиц; Ьт - вектор Бюргерса скользящей в матри-
це дислокации; s =
3K5
[3K + 2E(1 + v)]
5= 2
- параметр несоответствия, ат и ач - параметры решеток матрицы и выделения, соответственно, К -объемный модуль упругости выделений, Е - модуль упругости матрицы, V - коэффициент Пуассона матрицы.
Для учета упрочнения материала некогерентными частицами (частицами, обособленными от матрицы межфазной границей раздела) в первом приближении используют модель, предложенную Е. Орованом, учитывающую огибание частиц движущимися дислокациями [14]:
ст., = М
m G b
2п(| 1- D\)
Ф ln
1-D
4b
где Б - средний размер частиц; т - ориентацион-ный множитель; Ф=1 для винтовой и Ф=(1-^-1 -для краевой дислокации; Я - расстояние между частицами, Ь - вектор Бюргерса скользящей в матрице дислокации; М - параметр, учитывающий неравномерность распределения частиц в матрице и равный 0,81...0,85 [15].
Представленные в [1-8] результаты электронно-микроскопического фазового анализа поверхностного слоя металлокерамики однозначно свидетельствуют о дисперсионном твердении связки в результате выделения частиц второй фазы - карбида титана ТЮ и алюминида титана состава А12Т Следовательно, выделение наноразмерных (60...75 нм) частиц карбида и алюминида титана будет способствовать повышению прочностных свойств металлокерамики, обработанной электронным пучком.
Упрочнение дислокациями. Сопротивление движению дислокаций, обусловленное неподвижными дислокациями, присутствующими в материале
и лежащими в плоскостях, пересекаемых скользящей дислокацией и упругими взаимодействиями с дислокациями, лежащими в плоскостях, параллельных плоскостям скольжения, оценивают сле-
дующим образом [16]:
= maGb^p,
где <р> - скалярная плотность дислокаций; т -ориентационный множитель; О - модуль сдвига; а - безразмерный коэффициент, равный 0,1...0,51 [11]. Высокоскоростное охлаждение металлокерамики, подвергнутой обработке электронным пучком, сопровождается формированием упругопла-стический полей напряжений, частичная релаксация которых приводит к деформационному наклепу, т. е. созданию субструктуры. Как было показано в [1-8], наблюдается формирование ячеистой и ячеисто-сетчатой дислокационной субструктуры (<р>=4,5.1010 см-2). Следовательно, увеличение прочностных характеристик металлокерамики, обработанной электронным пучком, будет достигаться и за счет формирования в связующем материале субструктуры.
Твердорастворное упрочнение. Твердорастворное упрочнение - упрочнение атомами легирующих элементов, присутствующими в кристаллической решетки матрицы и возникающее в результате взаимодействия дислокации с атомами примеси. Взаимодействия дислокации с атомами примеси делят на три типа [17]: к первому отнесем взаимодействие, приводящее к возникновению трения при движении дислокаций; ко второму - способствующее закреплению (блокированию) дислокаций; к третьему - приводящее к связи движущихся дислокаций с подвижными атомами примеси. Считается, что при расчете прочностных характеристик основными являются первые два фактора. Упрочнение первого типа обусловлено действием нескольких механизмов:
а) связанным с несоответствием размеров атомов примеси и матрицы, которое определяется параметром 8а:
5„ =
1 da a dc
где йа/йе - изменение параметра решетки твердого раствора а в зависимости от атомной концентрации растворенного элемента е;
б) обусловленным несоответствием упругих модулей атомов примеси и матрицы, которое определяется параметром 3Е:
8 = 1—
Е Е dc
По Флейшеру и Хиббарду [18], упрочнение, обусловленное размерным и упругим несоответствием, может быть рассчитано из соотношения:
ст =1ESS
те.р. p S
3/2cn,
где р=760; 55=|5£|+а0|5а| - параметр несоответствия; а0=3 для краевой и а0=16 для винтовой дислокации; и=1; 0,5; 0,3 [19].
Ранее было показано, что обработка электронным пучком металлокерамики приводит к частичному или полному растворению кристаллитов карбида титана и насыщению кристаллической решетки связующего материала атомами титана и углерода, т. е. к формированию твердого раствора титана и углерода в кристаллической решетке на основе связующего сплава №(Сг, А1). Следовательно, и в этом случае должно наблюдаться увеличение прочностных характеристик металлокерамики.
Таким образом, в настоящей работе выполнен анализ физической природы повышения прочностных характеристик металлокерамики, под-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н., Овчаренко В.Е. Электронно-пучковая модификация твердого сплава TiC-NiCr. Рельеф поверхности обработки // Известия вузов. Черная металлургия. -2007. - № 12. - С. 59-60.
2. Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н., Овчаренко В.Е. Структурно-фазовое состояние и служебные характеристики твердосплавного инструмента, обработанного низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком субмиллисекундной длительности // Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: Матер. XIII Междунар. научной школы-семинара. - Николаев, 2007. - С. 47-50.
3. Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н. Низкоэнергетические электронные пучки субмиллисекундной длительности: получение и некоторые аспекты применения в области материаловедения -Гл. 13 в кн.: Структура и свойства перспективных металлических материалов. - С. 345-382 / Под общ. ред. А.И. Потекаева.
- Томск: Изд-во НТЛ, 2007. - 580 с.
4. Овчаренко В.Е., Иванов Ю.Ф., Баохай Юй. Наноструктурное упрочнение инструментального металлокерамического сплава при электронно-пучковом облучении его поверхности // Перспективные материалы. Спец. выпуск. - 2007. - Сентябрь.
- С. 450-455.
5. Grigoriev S.V., Ivanov Yu.F., Koval N.N., Devyatkov V.E., Ovcha-renko V.E., Psakhie S.G., Chudinov V.A. Pulse electron beam modification of TiC-NiCr hard alloy // Известия вузов. Физика. Приложение. - 2006. - Т. 49. - № 8. - С. 307-310.
6. Иванов Ю.Ф., Колубаева Ю.А., Григорьев С.В., Овчарен-ко В.Е., Коваль Н.Н. Наноструктуризация поверхности твердого сплава TiC-NiCrAl методами электронно-пучковой обработки // Известия Томского политехнического университета.
- 2008. - Т. 313. - № 2. - С. 110-113.
7. Овчаренко В.Е., Иванов Ю.Ф. Трибологические свойства нано-структурированной поверхности металлокерамического сплава на основе карбида титана // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 313. - № 2. - С. 114-118.
вергнутой обработке электронным пучком, основанный на экспериментально выявленных количественных параметрах структуры (средних размеров и морфологии фаз, скалярной плотности дислокаций, концентрации элементов в твердом растворе связующего) [1-8]. Выявлено многообразие механизмов (твердорастворное, зернограничное, решеточное, деформационное упрочнение, упрочнение частицами вторых фаз), принимающих участие в данном процессе и могущих оказывать влияние на служебные характеристики материала. Вклад каждого механизма в упрочнение металлокерамики является регулируемой величиной и существенным образом зависит от параметров обработки материала электронным пучком.
Работы выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ (проект №08-08-99076-р_офи).
8. Овчаренко В.Е., Иванов Ю.Ф. Закономерности нагрева, нано-структурной модификации и упрочнения поверхностного слоя металлокерамического сплава при импульсном электронно-пучковом облучении // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 313. - № 3. - С. 88-92.
9. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. - М.: Мир, 1972. - 408 с.
10. Трефилов В.И., Фирстов С.А., Мильман Ю.В. Физические основы прочности тугоплавких металлов. - Киев: Наукова думка, 1975. - 315 с.
11. Мак Лин Дж. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1965. - 431 с.
12. Гольдштейн М.И., Фарбер Б.М. Дисперсионное упрочнение стали. - М.: Металлургия, 1979. - 208 с.
13. Эшби И.Ф. О напряжении Орована // Физика прочности и пластичности. - М.: Металлургия, 1972. - С. 88-107.
14. Хирш П.Б., Хэмпфри Ф.Дж. Пластическая деформация двухфазных сплавов, содержащих малые недеформируемые частицы // Физика прочности и пластичности. - М.: Металлургия, 1972. - С. 158-186.
15. Foreman A.J.E., Maki M.I. Dislocation movement through random arrays of obstacles // Phil. Mag. - 1966. - V. 14. - № 9. -Р. 911-924.
16. Фридель Ж. Дислокации. - М.: Мир, 1967. - 643 с.
17. Хаазен П. Механические свойства твердых растворов и интерметаллических соединений // Физическое металловедение. -М.: Мир, 1968. - С. 248-326.
18. Фляйшер Р., Хиббард У. Упрочнение при образовании твердых растворов // Структура и механические свойства металлов. -М.: Металлургия, 1967. - С. 85-111.
19. Winchell P.G., Cohen M. Solid Solution Strengthening of martensite by carbon // Electron microscopy and strength of crystals. -N.Y.-London, 1963. - P. 995-1006.
Поступила 23.04.2008г.
