Пластификация изделий бомбардировкой низкоэнергетическими ионами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.017:621.73

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-986-988

ПЛАСТИФИКАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ БОМБАРДИРОВКОЙ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ИОНАМИ

© С.С. Дьяченко, И.В. Пономаренко

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, г. Харьков, Украина,

e-mail: ss_djachenko@mail.ru

Показано, что бомбардировка низкоэнергетическими ионами (1-3 кэВ) может как существенно повышать конструктивную прочность изделий, так и очень сильно увеличивать их пластичность в зависимости от вклада поверхностного модифицированного слоя (А). Он определяется как отношение длины окружности (для цилиндрических изделий) или периметра (для плоских) к площади сечения (1/мм). Если A < 1, происходит упрочнение, при A > 1 реализуется пластификация. Обнаруженный эффект объяснен уменьшением концентраторов напряжений на поверхности и ее наноструктурированием, что меняет механизм деформации на недислокационный. Ключевые слова: наноструктурирование; ионная бомбардировка; низкоэнергетические ионы; недислокационный механизм пластической деформации.

В работе [1] было показано, что ионная бомбардировка (ИБ) низкоэнергетическими ионами (1-3 кэВ) приводит к уникальному росту прочности изделий, особенно имеющих конструктивные концентраторы, без снижения пластичности. Так, для шатунных болтов после ИБ (сталь 40ХН, улучшение) временное сопротивление ав увеличилось с 574 до 970 МПа, условный предел текучести а0>2 - с 443 до 815 МПа без охрупчи-вания. При этом указанное повышение прочности изделия не связано с изменением свойств самого материала, а является результатом изменения поведения тела макроскопических размеров (сечением до 15 мм) под влиянием поверхностного модифицированного слоя, толщина которого не превосходит 1 мкм.

Дальнейшие исследования строения этого слоя и его влияния на изделия разной конфигурации обнаружили неожиданно высокое пластифицирование плоских объектов, не сопровождающееся разупрочнением. Изложению полученных результатов и обсуждению причин, их вызвавших, посвящена данная работа.

Исследование выполнено на цилиндрических (диаметр 5, 6 и 10 мм) и плоских (толщина 1,2 мм, ширина 12,5 мм) образцах отожженной стали 20. ИБ выполняли низкоэнергетическими ионами Ti (1-3 кэВ) в среде аргона на установке ННВ-66 И1 «Булат». Главным условием выбора режима ИБ было исключение разогрева образца для предотвращения разупрочнения металла. Цилиндрические образцы во время ИБ вращали вокруг своей оси, плоские бомбардировали сверху и снизу поочередно. Общее время бомбардировки не превышало 2 мин. Кривые растяжения приведены на рис. 1.

Видно, что кривые имеют совершенно разный вид. В цилиндрических образцах происходит упрочнение при сохранении удлинения на исходном уровне, в плоских же очень резко возрастает пластичность. Вид этих образцов после разрушения наглядно демонстрирует их пластифицирование (рис. 2).

Эксперименты показали, что ИБ сильно снизила шероховатость образцов обоих видов: Ra уменьшилось

с 1,6 до 0,21 мкм. Это явление известно. Уменьшение Ка происходит за счет распыления металла на высту-

Р.Н

10000

8000 6000 4000 2000

/ ^

// v 1

//

10 Д1. ММ

б)

Рис. 1. Кривые растяжения цилиндрических (а) и плоских (б) образцов отожженной стали 20; 1 - без ИБ; 2 - после ИБ

2016. Т. 21, вып. 3. Физика

Таблица 1

Механические свойства цилиндрических и плоских образцов без и после ИБ; сталь 20, отжиг

Вид образца Обработка ав, МПа а0 2, МПа Бю МПа 5, % 5р, % V, %

Цилиндри- без ИБ 445 230 910 31 — 58

ческий после ИБ 515(+16) 290(+26) 1010(+11) 31 — 60

Плоский без ИБ 390 220 690 13 11 15

после ИБ 425 (+9) 250(+14) 900(+30) 24 (в 1,8 раза) 20 (в 1,8 раза) 39 (в 2,6 раза)

Рис. 4. Вид плоских образцов после разрушения: 1 2 - после ИБ; сталь 20, отжиг

без ИБ;

пах сглаживания поверхности и снижения остроты впадин. В литературе, посвященной ИПО, оно получило название «залечивание дефектов». Однако при одинаковой шероховатости поведение цилиндрических и плоских образцов под нагрузкой совершенно разное.

Свойства плоских образцов приведены в табл. 1. В скобках указан их прирост в процентах.

Следует сделать одно важное замечание. Несмотря на меньший рост ав и а0,2 плоского образца по сравнению с цилиндрическим, за счет очень высокой пластичности и уменьшения сечения шейки после ИБ истинное значение прочности £к увеличилось на 30 %.

Поскольку при ИБ цилиндрических и плоских образцов из стали одной марки режим был одинаков, глубина модифицированного слоя не менялась. Поэтому логично связать столь резкое изменение свойств образцов при неизменности свойств сердцевины с вкладом поверхностного модифицированного слоя.

В соответствии с данными работы [1] примем толщину слоя равной 1 • 10—3 мм и оценим этот вклад. Из-за малой его толщины средний радиус образовавшегося модифицированного кольца г отличается от радиуса образца Я всего на 5Т0-4 мм, а площадь кольца (0,028 мм2) составляет ~ 0,07 % исходной площади образца диаметром 6 мм (28,26 мм2). Это позволяет пренебречь малым отличием г от Я и при подсчетах оценивать вклад слоя для цилиндрических образцов отношением длины окружности образца Ь к его исходной площади Б0 для плоских — отношением периметра Р к исходной площади. Обозначим это отношение буквой А. Поскольку длина делится на площадь, А имеет размерность (мм—1), т. е. вклад слоя на единицу толщины образца. В табл. 2 приведены значения А для разных образцов.

С уменьшением толщины образца вклад модифицированного слоя А возрастает. Установлено, что кардинальное изменение поведения образцов при растяжении происходит при А = 1, т. е. когда численное значение площади сечения образца становится равным длине его окружности или периметру. Для цилиндрического образца это происходит при d0 = 4 мм, для плоского при Д = 2,5 мм. Таким образом, повышение пластичности наблюдается при А > 1. Если же А < 1, реализуется упрочнение. Напомним еще раз, что свойства самого металла при этом не меняются.

Исследования нанотвердости и структуры в сканирующем и атомно-силовом микроскопах показали, что в процессе ИБ на поверхности одновременно протекают два процесса: уменьшение числа концентраторов напряжений (залечивание дефектов) и образование наноструктурированного слоя глубиной 20—40 нм. Залечивание снижает вероятность начала сосредоточенной деформации и продлевает упруго-пластическую стадию при растяжении тела. Наноструктурированный слой имеет значительно большую подвижность по сравнению с основным металлом за счет зерногранич-ного проскальзывания и ротационных мод, свойственных нанокристаллическим структурам.

Изделие после ИБ следует рассматривать как композиционное тело — сердцевина со свойствами, сформировавшимися перед ИБ, и модифицированный слой [2]. В связи с разной степенью деформации на границе возникают напряжения, которые могут привести к появлению надрывов и охрупчиванию. Однако вследствие проскальзывания и поворота зерен в нанострукту-рированном слое несоответствие удлинений ликвидируется, и тело продолжает пластическое течение [3]. Таким образом, ИБ не только уменьшает количество исходных зародышей трещин, но и удаляет новые концентраторы напряжений, возникающие во время деформации. Еще в работах А.Ф. Иоффе было показано, что эффект снижения охрупчивания реализуется при условии не только залечивания концентраторов напряжений в исходном состоянии, но и удалении новых очагов, возникающих в процессе деформации. В нашем случае это происходит благодаря особому поведению наноструктурированного слоя.

В зависимости от А эффекты пластификации и упрочнения конкурируют. Чем больше А, тем сильнее проявляется рост пластичности. При малом же А (< 1) превалирует упрочнение.

Таблица 2

Значения вклада модифицированного слоя для разных образцов

Вид образцов do (Д), мм ^0, мм2 Ь (Р), мм А, мм—1

Цилиндрические 10 78,50 31,40 0,4

6 28,26 18,84 0,7

5 19,62 15,70 0,8

4 12,56 12,56 1,0

3 7,06 9,42 1,3

Плоские 2,5 31,0 30,0 1,0

2 25,0 29,0 1,1

1,5 18,75 28,0 1,5

1,2 15,0 27,4 1,8

0,5 6,25 26,0 4,2

Эффект пластификации использован для повышения эффективности штампового производства. Применение ИБ повысило способность к вытяжке заготовок малоуглеродистой холоднокатаной листовой стали 08кп, широко используемой в промышленности, на 2022 % [4].

4. Д'яченко С.С., Дощечкта 1.В., Пономаренко 1.В. та in. Патент Укра!ни на винахщ UA № 109380, МПК С 21D. 1/04, С 21D. 1/09, С 23С 14/48. Cnoci6 оброблення холоднокатано! тонколистовой стал1, призначено! для холодного штампування. Харювський нащональний автомобшьно-дорожнш ушверситет. Заявка № а2014 10882; заявл. 06.10.14; опубл. 10.08.15, Бюл. № 15.

2. Панин В.Е. Поверхностные слои как синергетический активатор пластического течения нагруженного твердого тела // МиТОМ.

3. Юркова А.И., Белоцкий А.Б., Бякова А.Б., Мильман Ю.В. Механические свойства наноструктур железа, полученных интенсивной пластической деформацией трения // Наносистеми, наноматерiали, нанотехнологп. 2009. Т. 7. № 2. С. 610-632.

2005. № 7. C. 62-68.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дьяченко С.С., Пономаренко И.В., Дуб С.Н. Роль состояния поверхностного слоя стальных изделий в их поведении при деформировании // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 5. С. 3-11.

Поступила в редакцию 7 апреля 2016 г.

UDC 669.017:621.73

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-986-988

PLASTICIZATION OF ITEMS WITH BOMBARDMENT BY LOW-ENERGY IONS

© S.S. Dyachenko, I.V. Ponomarenko

Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, Ukraine, e-mail: s.s._djachenko@mail.ru

This work shows that the bombardment by low-energy ions (1-3 keV) gives a possibility to obtain either exclusively high strengthening combining with high ductility or very high plasticization with higher strength retained, depending on the surface layer contribution (A). The value of A is calculated as a circumference length to section area ratio for cylindrical specimens and as a perimeter to section area ratio for flat ones (1/mm). If A is < 1, the strengthening takes place, if A is > 1, plasticization realizes. Discovered effect is a result of two processes: decreasing strain surface concentrators and surface nanostructuring what changes the mechanism of plastic deformation on nondislocation one.

Key words: nanostructuring; ion bombardment; low-energy ions; nondislocation mechanism of plastic deformation.

1. D'yachenko S.S., Ponomarenko I.V., Dub S.N. Rol' sostoyaniya poverkhnostnogo sloya stal'nykh izdeliy v ikh povedenii pri deformiro-vanii. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov — Metal Science and Heat Treatment, 2015, no. 5, pp. 3-11.

2. Panin V.E. Poverkhnostnye sloi kak sinergeticheskiy aktivator plasticheskogo techeniya nagruzhennogo tverdogo tela. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov—Metal Science and Heat Treatment, 2005, no. 7, pp. 62-68.

3. Yurkova A.I., Belotskiy A.B., Byakova A.B., Mil'man Yu.V. Mekhanicheskie svoystva nanostruktur zheleza, poluchennykh intensivnoy plasticheskoy deformatsiey treniya. Наносистеми, HaHOMamepia^u, нанотехнологп, 2009, vol. 7, no. 2, pp. 610-632. (In Ukranian)

4. Д'яченко С.С., Дощечкша 1.В., Пономаренко 1.В. та ш. Патент Украши на винахщ UA № 109380, МПК С 21D. 1/04, С 21D. 1/09, С 23С 14/48. Споаб оброблення холоднокатаног тонколистовог cmaMi, призначеног для холодного штампування. Харгавський нащональний автомобшьно-дорожнш ушверситет. Заявка N° а2014 10882; заявл. 06.10.14; опубл. 10.08.15, Бюл. № 15. (In Ukranian)

Received 7 April 2016

Дьяченко Светлана Степановна, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, г. Харьков, Украина, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии машиностроения и ремонта машин, e-mail: ss_djachenko@mail.ru

Dyachenko Svetlana Stepanovna, Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, Ukraine, Doctor of Technics, Professor, Professor of Technology of Machine Building and Cars Repair Department, e-mail: ss_djachenko@mail.ru

Пономаренко Игорь Владимирович, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, г. Харьков, Украина, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии машиностроения и ремонта машин, e-mail: iv_ponomarenko@mail.ru

Ponomarenko Igor Vladimirovich, Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, Ukraine, Candidate of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Technology of Machine Building and Cars Repair Department, e-mail: iv_ponomarenko@mail.ru

REFERENCES