Влияние импульсного облучения ионами хрома на механические свойства углеродистой стали Ст3 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 537.534:539.422.24

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ ХРОМА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Ст3

© В.Л. Воробьев, П.В. Быков, В.Я. Баянкин, С.Г. Быстров

Ключевые слова: ионная имплантация; состав и структура поверхностных слоев; микротвердость; циклическая долговечность; шероховатость поверхности.

Исследовано изменение циклической долговечности, микротвердости, состава и структуры поверхностных слоев, а также морфологии поверхности углеродистой стали Ст3 в зависимости от дозы импульсного облучения ионами хрома.

Эксплуатационные характеристики металлов и сплавов, к числу которых относится усталостная прочность, износостойкость, коррозионная и эрозионная стойкость, трещиностойкость в условиях коррозионной усталости и ряд других свойств, определяются структурно-фазовым состоянием поверхностных слоев. Соответственно, эти свойства можно значительно улучшить посредством модификации поверхностных слоев металлов и сплавов. Представляется перспективным использование в качестве метода поверхностной обработки метод обработки поверхности материалов ионными пучками [1-2]. Несмотря на многочисленные исследования в этом направлении, многие фундаментальные, а также технические вопросы, относящиеся к практическим приложениям метода, остаются неразработанными ввиду многообразия факторов, влияющих на изменение структуры и свойств материалов при их обработке пучками ионов. В связи с этим целью данной работы являлось исследование влияния импульсного облучения ионами хрома с различными дозами облучения на изменение морфологии поверхности, состава и структуры поверхностных слоев, циклической долговечности и микротвердости углеродистой стали Ст3.

Образцы Ст3 состава Fe - основа, C - 0,2 %, Мп -0,4 %, и Si - 0,15 % подвергались механической полировке с использованием полирующих паст, очистке в органических растворителях и последующему отжигу в вакууме ~10-4 Па при температуре 650 °С в течение 30 мин. •Па. Облучение ионами Сг+ проводилось в импульсно-периодическом режиме с параметрами: ускоряющее напряжение ионов 30 кэВ, плотность тока в импульсе 0,8 мА/см2, длительность и частота следования импульса 0,4 мс и 25 Гц, соответственно. Доза облучения варьировалась от 1016 до 5-1017 ион/см2. Средняя зарядность ионов 3,7. Начальная температура образцов перед облучением составляла 20 °С и не превышала во время ионного облучения 300 °С.

Как показали РФЭС исследования, увеличение дозы облучения ионами хрома приводит к постепенному накоплению атомов хрома в приповерхностном слое ~40 нм от 1-2 ат. % при меньших дозах 1016 и 5-1016 ион/см2 до 18-20 ат. % при наибольшей из выбранных доз облучения - 5-1017 ион/см2 (рис. 1).

С, ат.% -*-о=ю16 ион/см2

0 10 20 30 40

И, нм

Рис. 1. Профили распределения хрома по глубине в поверхностных слоях образцов, облученных ионами хрома с дозами 1016, 5-1017, 1017 и 5-1017 ион/см2

Углерод в поверхностных слоях образцов, облученных с наибольшей дозой 5-1017 ион/см2, преимущественно находится в состоянии, соответствующем карбиду Сг3С2, что соответствует энергетическому пику в спектре С1з с Есв = 283,2 эВ [3] (рис. 2). В то время как после облучения образцов с меньшими дозами (1016, 5-1016 и 1017 ион/см2), хотя на спектрах углерода и присутствует компонента, отвечающая за карбид Сг3С2, однако преимущественно углерод находится в состоянии, соответствующем графиту с Есв = 285 эВ (рис. 3). Это может быть вклад от углерода, адсорбированного в тонкие поверхностные слои стали [3]. Исследования атомной структуры поверхностных слоев образцов с глубиной анализа примерно три микрона выявили постепенное уменьшение параметра решетки с увеличением дозы облучения ионами хрома от 2,8716 ± 0,0002 А для исходного образца до 2,8687 ± 0,0002 А после облучения с Б = 5-1017 ион/см2 (рис. 4). Постимплантаци-онный отжиг образца, облученного с наибольшей дозой (5-1017 ион/см2) при Т = 500 °С в течение 30 мин., приводит к дальнейшему уменьшению параметра решетки до значения 2,8681 ± 0,0002 А.

1761

Рис. 2. Рентгеноэлектронный спектр углерода С^ на глубине ~10 нм от поверхности образца после облучения ионами хрома с дозой 5-1017 ион/см2

Рис. 3. Рентгеноэлектронный спектр углерода С^ на глубине ~10 нм от поверхности образца после облучения ионами хрома с дозой 5-1016 ион/см2

Рис. 4. Изменение микротвердости и параметра решетки образцов углеродистой стали Ст3 в зависимости от дозы импульсного облучения ионами хрома

По-видимому, времени предварительного термического отжига (30 мин. при 650 °С) образцов было не-

достаточно для процессов рекристаллизации стали, и в образцах сохранились различного рода дефекты (дислокации, полосы скольжения, деформированные неравновесные зерна и т. д.), унаследованные прокаткой [4]. При облучении вследствие процессов радиационно-динамической природы [5] и возрастания температуры образцов в процессе облучения до 300 °С происходит отжиг «остаточных» дефектов в стали, и, как следствие, значение параметра решетки уменьшается. Отжиг дефектов приводит к снижению прочностных характеристик стали. С увеличением дозы облучения происходит постепенное уменьшение значения микротвердости от ~65 кГс/мм2 для исходного образца до ~50 кГс/мм2 после облучения с наибольшей дозой. Кроме того, результаты циклических испытаний выявили уменьшение циклической долговечности образцов во всем исследованном диапазоне доз облучения ионами хрома по сравнению с циклической долговечностью образцов в исходном состоянии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шулов В.А., Ночовная Н.А., Рябчиков А.И., Пайкин А.Г. Усталостная прочность металлов и сплавов, подвергнутых ионно-лучевой обработке // Физика и химия обработки материалов. 2004. № 4. С. 17-26.

2. 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.

3. Нефедов В.И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений: справочник. М.: Химия, 1984. 256 с.

4. ГуляевА.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. 648 с.

5. Овчинников В.В. Радиационно-динамические эффекты. Возможности формирования уникальных структурных состояний и свойств конденсированных сред // УФН. 2008. Т. 178. № 9. С. 992-1001.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Программ Президиума РАН (№12-П-2-1040 и №12-П-2-1013) и гранта РФФИ (№11-0800559).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Vorobyov V.L., Bykov P.V., Bayankin V.Ya. Bystrov S.G. INFLUENCE OF PULSE IRRADIATION WITH CHROMIUM IONS ON MECHANICAL PROPERTIES OF CARBON STEEL St3

The change in the cycle life, micro-hardness and the composition and structure of the surface layers and the surface morphology of carbon steel St3 depending on the dose of pulse irradiation with chromium ions are studied.

Key words: ion implantation; composition and structure of surface layers; microhardness; cyclic life; surface roughness.

1762