Помощь студентам в учебе
Структурообразование при фазовых превращениях в условиях пластической деформации
|
ВВЕДЕНИЕ 5
I. Литературный обзор 8
1.1 Структурообразование различных видов пластической деформации... 10
1.2 Мартенситное превращение 21
1.3 Фазовые превращение веществ 25
1.4 Формирование субструктур с различной кривизной решетки 28
1.4.1 Перераспределение компонентов сплава при формировании
трещины в условиях кривизны кристаллической решетки 37
1.5 Роль кривизны кристаллической решетки при формировании новых
фаз со скоростью близкой к скорости звука (мартенситные фазы) 40
1.5.1 Структурно-фазовые превращения при высокоэнергетических
воздействиях 43
II. Материалы и методики, применяемые в исследовании 44
2.1 Исследуемые образцы 44
2.1.1 Сталь 50ХГА 44
2.1.2 Исследуемый материал СтЗсп 45
2.1.3 Исследуемый образец медная проволока марки М1 сечением 0,25 мм2. 46
2.1.4 Исследуемый образец Ti 51,5 Ni 48,5 47
2.2 Методы исследования 48
2.2.1 Микроскоп JSM-6390LV с системой энергодисперсионного 48
микроанализа INCA Energy Penta FET X3
2.2.2 Микроскоп Neophot-2 49
2.2.3 Пресс лабораторный испытательный П- 50 50
2.2.4 Прибор Hitachi FB -2100 51
2.2.5 Препарирование образцов для электронно-микроскопического анализ 52
2.2.6 Методы измерения магнитных характеристик 54
Ш. Возникновение цветов побежалости на поверхности изломов стальных изделий 56
3.1 Фазовое превращение многоуровневого автоволнового процесса
окисления 56
3.2 Исследование поверхности изломов стальных изделий 58
3.3 Вывод к главе 3 62
IV Возникновение и распространение волн горения в зонах локализации пластической деформации 63
4.1 Медь и технология производства проводников 63
4.2 Механизм разрушения проводника под действием тока 64
4.3 Вывод к главе 4 71
V. Феромагнитная фаза в NiTi в зоне кривизны кристаллической решетки 72
5.1 Сплавы на основе TiNi: особенности структуры и мартенситные
превращения 72
5.2 Процесс структурообразование в массивных и пленочных образцах
сплава NI TI 77
51 49
5.3 Кластерная модель фазы Ni51Ti49 84
5.4 Вывод к главе 5 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
I. Литературный обзор 8
1.1 Структурообразование различных видов пластической деформации... 10
1.2 Мартенситное превращение 21
1.3 Фазовые превращение веществ 25
1.4 Формирование субструктур с различной кривизной решетки 28
1.4.1 Перераспределение компонентов сплава при формировании
трещины в условиях кривизны кристаллической решетки 37
1.5 Роль кривизны кристаллической решетки при формировании новых
фаз со скоростью близкой к скорости звука (мартенситные фазы) 40
1.5.1 Структурно-фазовые превращения при высокоэнергетических
воздействиях 43
II. Материалы и методики, применяемые в исследовании 44
2.1 Исследуемые образцы 44
2.1.1 Сталь 50ХГА 44
2.1.2 Исследуемый материал СтЗсп 45
2.1.3 Исследуемый образец медная проволока марки М1 сечением 0,25 мм2. 46
2.1.4 Исследуемый образец Ti 51,5 Ni 48,5 47
2.2 Методы исследования 48
2.2.1 Микроскоп JSM-6390LV с системой энергодисперсионного 48
микроанализа INCA Energy Penta FET X3
2.2.2 Микроскоп Neophot-2 49
2.2.3 Пресс лабораторный испытательный П- 50 50
2.2.4 Прибор Hitachi FB -2100 51
2.2.5 Препарирование образцов для электронно-микроскопического анализ 52
2.2.6 Методы измерения магнитных характеристик 54
Ш. Возникновение цветов побежалости на поверхности изломов стальных изделий 56
3.1 Фазовое превращение многоуровневого автоволнового процесса
окисления 56
3.2 Исследование поверхности изломов стальных изделий 58
3.3 Вывод к главе 3 62
IV Возникновение и распространение волн горения в зонах локализации пластической деформации 63
4.1 Медь и технология производства проводников 63
4.2 Механизм разрушения проводника под действием тока 64
4.3 Вывод к главе 4 71
V. Феромагнитная фаза в NiTi в зоне кривизны кристаллической решетки 72
5.1 Сплавы на основе TiNi: особенности структуры и мартенситные
превращения 72
5.2 Процесс структурообразование в массивных и пленочных образцах
сплава NI TI 77
51 49
5.3 Кластерная модель фазы Ni51Ti49 84
5.4 Вывод к главе 5 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
В последнее время проявляется повышенный интерес к изучению неравновесных процессов и состояний в металлах и сплавах в связи с задачами, которые ставят возрастающие требования к изделиям различные отрасли промышленности. Изучая свойства металлов и сплавов в неравновесных состояниях можно выявить дополнительные ресурсы для повышения их эксплуатационных свойств. Одним из таких неравновесных процессов является пластическая деформация, которая широко применяется для получения различных деталей, а так же может возникать при их эксплуатации.
Металл, подвергаемый пластической деформации, с точки зрения термодинамики является открытой системой, в которой возможно протекание процесса структурной самоорганизации, т.е. самопроизвольного формирования структуры и фазообразования.
При структурообразовании важнейшую роль играют диффузионные процессы. Образование любой новой фазы требует перемещения атомов, следствием чего будет являться локальное изменение химического состава сплава. Особую роль в структурной самоорганизации играют мартенситные превращения, при которых атомы смещаются на дистанции, не превышающие межатомных расстояний. В этом случае существенного изменения химического состава не происходит, а структурирование материала обусловлено изменением длины межатомных связей и углов между ними (А.Н. Тюменцев, В. Г. Пушин, J. Gilman и др.).
В последнее время показано, что при механических воздействиях процесс локального изменения химического состава может осуществляться в режиме волнового распространения В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, Л.С. Васильев и другие. В результате в металлах и сплавах независимо от температуры нагрева могут протекать агрегатные превращения, представляющие собой процессы локального плавления и даже сублимации (Л.С. Васильев). В.Е. Паниным предложен механизм структурообразования в волнах пластической деформации. Им показана фундаментальная роль кривизны кристаллической решетки при пластической деформации твердых тел, которая прогрессивно развивается, обусловливая ротационные моды пластической деформации и разрушения. В зонах кривизны кристаллической решетки возникают новые структурные состоянии, которые обусловливают смещение атомов в локализованном сдвиге из узлов решетки в междоузлия. Возникающие при этом вакантные узлы решетки способствуют направленному массопереносу и фазоообразованию, а так же формируют микропористость, которую ротационные моды трансформирует в развитие трещин и разрушение материала. Само согласование трансляционных и ротационных мод деформации в иерархии структурно-масштабных уровней осуществляется развитием нелинейных волн пластической деформации и разрушения. В условиях вязкого разрушения нелинейные волны формируют динамические ротации, которые в литературе связывают с ямочным изломом. Своими работами В.Е. Панин обобщил значительный материал посвященный исследованиям процесса деформации на различных структурно-масштабных уровнях, накопленный за последние десятилетия широким кругом исследователей (Дж. М. Т. Томпсон, Я.Е. Бейгельзимер, K.T. Ramesh, A. Lemaitre и др.).
Современные подходы к структурообразованию и эволюции свойств вещества базируются, в том числе и на кластерных представлениях (Б. Пирсон, Н.А. Бульенков, В.С. Крапошин и др.). Кластерные представления позволили описать формирование кристаллических фаз с различными структурами, в том числе с икосаэдрической симметрией типа структур Франка-Каспера. Формирование кластеров с икосаэдрической симметрией характерно для аморфизированных, наноструктурированных и жидкоподобных состояний металлов, т.е. для состояний далеких от равновесия.
Сталь, содержащая 1,1 % С и 13 % Mn нашла широкое применение под названием стали Гадфильда (марка 110Г13Л). Сталь Гадфильда имеющая в термически обработанном состоянии аустенитную структуру известна своими уникальными механическими свойствами, выражающимися в первую очередь способностью этой стали при сравнительно невысокой твердости в условиях трения с большими удельными давлениями (когда отсутствует чисто абразивный износ) демонстрировать высочайшую износостойкость. Несмотря на многочисленные исследования, природа самоупрочнения стали Гадфильда при пластической деформации изучена недостаточно.
Материалы с памятью формы характеризуются наличием в их структуре термоупругого мартенсита, определяющего лидирующий механизм деформации - деформацию превращением. Одним из самых известных и широко исследуемых материалов обладающих памятью формы является никелид титана. Структурным превращениям в сплавах на основе никелида титана посвящено достаточно много работ и обзоров, однако полученные в них результаты носят противоречивых характер. Происходящие при мартенситных переходах процессы, на практике, оказываются более сложными, чем это представлено в существующих ориентационных схемах мартенситных превращений и требует привлечения других концепций (например, кластерных моделей структурообразования). Поэтому исследование процессов структурной самоорганизации, происходящих в микро и мезоструктуре материалов испытывающих мартенситные превращения при пластической деформации, которые могут быть обобщены с точки зрения аномально быстрого массопереноса и кластерного структурообразования, на основе принципов самоорганизации структуры в волнах пластической деформации, когда металл или сплав находится в возбужденном состоянии на сегодняшний день являются актуальными.
Металл, подвергаемый пластической деформации, с точки зрения термодинамики является открытой системой, в которой возможно протекание процесса структурной самоорганизации, т.е. самопроизвольного формирования структуры и фазообразования.
При структурообразовании важнейшую роль играют диффузионные процессы. Образование любой новой фазы требует перемещения атомов, следствием чего будет являться локальное изменение химического состава сплава. Особую роль в структурной самоорганизации играют мартенситные превращения, при которых атомы смещаются на дистанции, не превышающие межатомных расстояний. В этом случае существенного изменения химического состава не происходит, а структурирование материала обусловлено изменением длины межатомных связей и углов между ними (А.Н. Тюменцев, В. Г. Пушин, J. Gilman и др.).
В последнее время показано, что при механических воздействиях процесс локального изменения химического состава может осуществляться в режиме волнового распространения В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, Л.С. Васильев и другие. В результате в металлах и сплавах независимо от температуры нагрева могут протекать агрегатные превращения, представляющие собой процессы локального плавления и даже сублимации (Л.С. Васильев). В.Е. Паниным предложен механизм структурообразования в волнах пластической деформации. Им показана фундаментальная роль кривизны кристаллической решетки при пластической деформации твердых тел, которая прогрессивно развивается, обусловливая ротационные моды пластической деформации и разрушения. В зонах кривизны кристаллической решетки возникают новые структурные состоянии, которые обусловливают смещение атомов в локализованном сдвиге из узлов решетки в междоузлия. Возникающие при этом вакантные узлы решетки способствуют направленному массопереносу и фазоообразованию, а так же формируют микропористость, которую ротационные моды трансформирует в развитие трещин и разрушение материала. Само согласование трансляционных и ротационных мод деформации в иерархии структурно-масштабных уровней осуществляется развитием нелинейных волн пластической деформации и разрушения. В условиях вязкого разрушения нелинейные волны формируют динамические ротации, которые в литературе связывают с ямочным изломом. Своими работами В.Е. Панин обобщил значительный материал посвященный исследованиям процесса деформации на различных структурно-масштабных уровнях, накопленный за последние десятилетия широким кругом исследователей (Дж. М. Т. Томпсон, Я.Е. Бейгельзимер, K.T. Ramesh, A. Lemaitre и др.).
Современные подходы к структурообразованию и эволюции свойств вещества базируются, в том числе и на кластерных представлениях (Б. Пирсон, Н.А. Бульенков, В.С. Крапошин и др.). Кластерные представления позволили описать формирование кристаллических фаз с различными структурами, в том числе с икосаэдрической симметрией типа структур Франка-Каспера. Формирование кластеров с икосаэдрической симметрией характерно для аморфизированных, наноструктурированных и жидкоподобных состояний металлов, т.е. для состояний далеких от равновесия.
Сталь, содержащая 1,1 % С и 13 % Mn нашла широкое применение под названием стали Гадфильда (марка 110Г13Л). Сталь Гадфильда имеющая в термически обработанном состоянии аустенитную структуру известна своими уникальными механическими свойствами, выражающимися в первую очередь способностью этой стали при сравнительно невысокой твердости в условиях трения с большими удельными давлениями (когда отсутствует чисто абразивный износ) демонстрировать высочайшую износостойкость. Несмотря на многочисленные исследования, природа самоупрочнения стали Гадфильда при пластической деформации изучена недостаточно.
Материалы с памятью формы характеризуются наличием в их структуре термоупругого мартенсита, определяющего лидирующий механизм деформации - деформацию превращением. Одним из самых известных и широко исследуемых материалов обладающих памятью формы является никелид титана. Структурным превращениям в сплавах на основе никелида титана посвящено достаточно много работ и обзоров, однако полученные в них результаты носят противоречивых характер. Происходящие при мартенситных переходах процессы, на практике, оказываются более сложными, чем это представлено в существующих ориентационных схемах мартенситных превращений и требует привлечения других концепций (например, кластерных моделей структурообразования). Поэтому исследование процессов структурной самоорганизации, происходящих в микро и мезоструктуре материалов испытывающих мартенситные превращения при пластической деформации, которые могут быть обобщены с точки зрения аномально быстрого массопереноса и кластерного структурообразования, на основе принципов самоорганизации структуры в волнах пластической деформации, когда металл или сплав находится в возбужденном состоянии на сегодняшний день являются актуальными.
В результате исследования особенностей процессов структурообразования в зоне контакта разнородных металлов и их сплавов при пластических деформациях, сделаны следующие выводы:
1. Экспериментально обнаружено прохождение волн горения при пластической деформации и разрушении стальных образцов;
2. Характер цветов побежалости на изломах стальных образцов разных составов, подвергнутых разрушению под нагрузкой, свидетельствует о нагрузках, вдвое превышающих предел прочности;
3. Под действием электрического тока и пластической деформации в медных проводниках обнаружены локальное плавление и трещинообразование, идущие изнутри проводника к его поверхности.
4. Наблюдаемые эффекты наиболее значительно выражены на изогнутых участках проволоки и могут быть объяснены с позиции теории В.Е. Панина, определяющей фундаментальную роль кривизны кристаллической решетки при пластической деформации и зарождении трещин.
5. Экспериментально обнаружена феромагнитная фаза в пластически деформированных образцах NiTi магнитометрическим методом
6. Структурно-фазовые превращения при высокоэнергетических воздействиях возможны в зоне кривизны кристаллической решетки и могут быть объяснены с помощью кластерного подхода к образованию нано частиц фазы Ni Ti с магнитным упорядочением.
1. Экспериментально обнаружено прохождение волн горения при пластической деформации и разрушении стальных образцов;
2. Характер цветов побежалости на изломах стальных образцов разных составов, подвергнутых разрушению под нагрузкой, свидетельствует о нагрузках, вдвое превышающих предел прочности;
3. Под действием электрического тока и пластической деформации в медных проводниках обнаружены локальное плавление и трещинообразование, идущие изнутри проводника к его поверхности.
4. Наблюдаемые эффекты наиболее значительно выражены на изогнутых участках проволоки и могут быть объяснены с позиции теории В.Е. Панина, определяющей фундаментальную роль кривизны кристаллической решетки при пластической деформации и зарождении трещин.
5. Экспериментально обнаружена феромагнитная фаза в пластически деформированных образцах NiTi магнитометрическим методом
6. Структурно-фазовые превращения при высокоэнергетических воздействиях возможны в зоне кривизны кристаллической решетки и могут быть объяснены с помощью кластерного подхода к образованию нано частиц фазы Ni Ti с магнитным упорядочением.