Сміян Олег Дмитрович. Перерозподіл домішкових та легувальних елементів під час термічного, деформаційного оброблення та його вплив на зародження й розвиток тріщин в металах

brief description

Сміян Олег Дмитрович. Перерозподіл домішкових та легувальних елементів під час термічного, деформаційного оброблення та його вплив на зародження й розвиток тріщин в металах: дис... д-ра техн. наук: 05.16.01 / НАН України ; Інститут металофізики ім. Г.В.Курдюмова. - К., 2004

Сміян О.Д.Перерозподіл домішкових та легувальних елементів під час термічного, дефор-маційного оброблення та його вплив на зародження й розвиток тріщин в металах. Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук. Спеціальність 05.16.01. Інститут металофізики ім.Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2004.
Виявлено:а)існування аномальних твердих розчинів клатратного типу двох різновидів:б)нові механізми транспорту хімічних елементів в твердому тілі;в)перерозподіл елементів в металі між зерном та його межами, яке починається одразу після прикладання статичного навантаження вже за Т=300 К.г)3 нових фізичних явища та низку ефектів; На атомному рівні розроблено механізм та вивчено перебіг початкових стадій формування:а)зародків рівноважних зерен під час рекристалізації;б)зародків кристалів в надрах аморфної речовини (до зникнення галло);в)плівок-конденсатів бінарних сплавів в умовах невагомості. Запропоновано концептуальну гіпотезу моделі поверхні тафеноменологичнутеоріювиявленого явища поатомного розщеплення металом молек-ул середовища, в якому він деформується. Виявлено існування специфічних утворень з квазійонів нематричних елементів. Це рухомі утворення, які можуть фіксуватись на дефектах та міжфазних поверхнях, формуючи стаціонарні передвиділення, кластери,а згодом й зародки нової фази. Вста-новлено, що водень в металі може існувати у вигляді квазійонів Н-та Н+, які мають різну природу, різні властивості та різну поведінку в металі. Запропоновано 3 додаткових параметри до критеріїв достатності зародження та росту тріщин, механізм процесу руйнування металів за різних темпе-ратур та швидкостей деформування. На базі виявлених явищ розроблено нові технології: твердо-фазного рафінування, нанесення покриттів тощо.

1.Проведено теоретичне та експериментальне дослідження впливу термічної та деформацій-ної обробки на перерозподіл домішкових та легувальних елементів і початкової стадії формування хімічної неоднорідності в металевих матеріалах. Останнє веде до зміни локального хімічного скла-ду сплавів, їх локальних механічних властивостей, сприяє зародженню тріщин, впливає на служ-бові характеристики матеріалів, готових виробів та конструкцій.
2. Вперше в матеріалознавстві запропоновано та реалізовано моделювання фізичних процесів на атомному рівні з використанням маркерних нерадіоактивних елементів-домішок газів в тому числі й інертних, для вивчення процесів кристалізації в рідкий та твердій фазах; атомних процесів рекристалізації; перебудови та утворення кристалічних гратниць; процесів масообміну між середо-вищем та стінками порожнини тріщин; локального розподілу полей напружень тощо. Завдяки цьо-му вперше в прямому експерименті виявлено атомний механізм початкового процесу зародкоутво-рення нового зерна під час рекристалізації сталі.
3. Виявлено існування специфічних твердих розчинів домішок в металах аномальних роз-чинів клатратного типу (АРК), який відрізняється від твердих розчинів проникненння та заміщен-ня стеричними параметрами, способом утворення, характером міжатомних сил зв’язку, набутими механічними властивостями, впливом на структурний та фазовий склад металу. Виявлено два різ-новидиАРК- з металами (І) та з газами (ІІ), та обов’язкові умови їх утворення.
4. Виявлено існування специфічних новоутворень домішкових та легувальних елементів, які виступають як дво- та тримірні солітони, мають квантові властивості, їх рух в об’ємі описується періодичними закономірностями. Ці утворення формуються в окіллі меж зерен, фаз, поверхонь площинних та об’ємних дефектів,що ускладнює вільне переміщення дислокацій під час дефор-мації. Поява спреціфічних утвореньпередує формуванню скупчень домішкових та легувальних елементів та кластерів, які є стаціонарними утвореннями.
5. В прямому експерименті показано, що перерозподіл хімічних елементів в зерні, на його межі і в прилеглому металі відбувається не тільки в результаті термічної обробки, але й вже через кілька хвилин після накладання статичного або динамічного навантаження. В результаті на межі утворюється прошарок металу з іншим хімічним складом та іншими механічними властивостями, ніж у матричного металу.
6. Експериментально встановлено і доведено факт одночасного існування в металах квазійо-нів водню Н+та Н-. Показано, що в металі Н-то є дифузійно-рухливий водень, а Н+- залишковий. Характерною ознакою квазійону Н-є йогонадвисока рухливість в металі(на 3-5 порядків вища за Н+). Встановлено, що у квазійонів Н-та Н+докорінно відрізняються: швидкість та механізм масо-перенесення в тому ж металі; чутливість до дії зовнішніх чинників (тиск, склад середовища, тем-пература); місце розташування в кристалічній гратниці; характер розподілу в твердому тілі побли-зу площинних та об’ємних дефектів (в тому числі й тріщин), меж зерен, фаз та поверхонь. Експе-риментально визначено температуру фазового переходу Н-Н+ 603±2 К (328оС).Н-стабільно існує за Т<603 К і лише в межах твердого тіла. Висловлено припущення про квантовий характер негативних квазійонів водню,які мають властивості бозонів, але тільки в межах твердого тіла; ква-зійони Н+має властивості ферміону. Це пояснює наведені вище відмінності згаданих квазійонів.
7. Виявлено та вперше описано фізичні явища:
*аномальна зустрічно-зворотня міграція хімічних елементів під час термоциклу (АЗМ);
*поатомне розщеплення речовини середовища дислокаціями, які утворюються під час деформації металу (ПРСД)
*різке (на порядки) зростання швидкості електрохімічних процесів та корозійного руйнування металу під час контакту його поверхні зі складноструктурованою рідиною (КОС)
Дано теоретичне обгрунтування виявлених явищ та отримане експериментальне їх підтверд-ження. На підставі явищаАЗМрозроблено принципово нову технологію твердофазного рафіну-вання, яка дозволила майже на порядок підвищити пластичність готових напівфабрикатів з туго-плавких металів (W,Mo).
8.Виявлено та описано нові ефекти:
* впливу гравітації на механізм, характер, швидкість термічного випаровування бінарних сплавів;
* отримання термічного конденсату, адекватного за хімічним складом бінарному сплаву, який ви-паровувався в космосі;
* десорбції водню і перерозподіл домішкових та легувальних елементів в зоні релаксації напру-жень при розкритті деформаційних тріщин
9.Виявлено та описано нові механізми :
* окрихчення після гартування феритних, перлітних сталей та мартенсито-бейнітних сталей;
* транспортування хімічних елементів під час термічного та деформаційного оброблення:
під час циклічних процесів
поодиноких солітонів водню під час імпульсного оброблення металів
* поатомного переходу хімічних елементів з молекул середовища в тверде тіло, яке деформується;
* формування на атомному рівні зародків нових зерен під час рекристалізації;
* окрихчення металу труб пароводяного тракту ТЕС за Т<530К та за 600<850K;
* сорбції та масоперенесення домішкових та легувальних елементів під час зварювання вибухом
* зносу та руйнування сопел плазмових пальників та камер згоряння реактивних двигунів;
* руйнування окремих зварних вузлів літаків з високоміцної сталі (корпус двигуна, бензобак, шасі тощо) під час експлоатації та збереження винищувачів в сховищах;
*пористості, яка виникає в металі під час зварювання броньового захисту окремих вузлів літака з холоднокатаної корозійно- та теплостійкої сталі;
* узагальнений руйнування металів та сплавів за різних температур при циклічних, періодичних та звичайних навантаженнях та руйнуванні;
10.Запропоновано та реалізовано нові методи:
* визначення локальних коефіцієнтів дифузії газів в металах:
за швидкістю переміщення межі підвищеної концентрації домішки, яка переходить в метал під час термічного розчинення неметалевого вкраплення;
за просторовим перміщенням за відомий відрізок часу хвильового концентраційного піку- солітону домішки в металі
*ранньої діагностики початку процесу кристалізації аморфної речовини за зростанням йонних піків окремих компонентів данної речовини під час її нагрівання;
* твердофазного рафінування тугоплавких металів на підставі явищаАЗМ;
* запобігання виникненню та швидкої зупинки тріщини, яка росте з катастрофічною швидкістю;
11.В прямому експерименті вперше проведено вимірювання:
* локальної концентрації водню та кисню в зоні передруйнування, в окіллі вістря та берегами тріщин різного походження, на підставі чого вперше побудовано дво- та тримірні мапи розподілу водню в окіллі деформаційних та деформаційно-корозійних тріщин;
* коефіцієнтів дифузії водню в зоні передруйнування, в стінки тріщини по всій її довжині та через оксидний шар різної товщини;
* коефіцієнтів дифузії кисню та енергії активації цього процесу в інтервалі температур 293-1823 К; виявлено 7 характерних температурних зон, з переходом через які він змінюється стрибками і які співпадають з температурами фазових, структурних, магнітних перетворень, потрійною точкою, температурою переходу від об’ємної до реактивної дифузії та від атомарної до об’ємної тощо;
* дольової частки сорбції водню металом на окремих стадіях його деформування (пружна, плас-тична деформація, плинність).
12.Вперше встановлено, що під час окислення багатокомпонентного сплаву максимального значення ступінь окислення компонентів сплаву досягає не на поверхні (як очікувалось), а на дея-кій відстані від неї, яка збільшується при підвищенні температури, досягає максимуму за Т=823 К, але зменшується зі зростанням тривалості витримки за Т=const. Встановлено, що за Т 823К в цих сталях оксиди титану та марганцю взаємно виштовхують один одного з поверхні розділу фаз і лише в присутності SiO2між ними можливий перебіг обмінних реакцій.
13. Запропоновано новий тип діаграм - діаграми масоперенесення,- які дозволяють визнача-ти зміну концентрації окремих хімічних елементів на міжзеренних та міжфазних поверхнях конкретних металевих сплавів під час їх нагрівання
14. Вперше встановлено, що рівень вмісту окремих хімічних елементів в металі зони, прилег-лої до поверхні руйнування, змінюється і стабілізується на відстані, зворотно пропорційній роз-мірам атомів компонентів сплаву. В лопатці турбіни зі сталі 08Х13 після руйнування в результаті експлуатації парового котла закритичного тиску ТЕС ці відстані складають відповідно дляН3500мкм, дляО 400...1000 мкм, дляС 100 мкм, дляS 70 мкм, дляCr 20 мкм.
15.Отримано нові експериментальні підтвердження існування хвильового масоперенесення, виявленого раніше. Встановлено, що амплітуда та період дифузійних (концентраційних) хвиль від контактної поверхні в глибину металу при насичені останнього домішками з газової, рідинно-ме-талевої, рідинношлакової фаз та з плазми різного складу залежить від потужності джерела дифузії, співвідношення стеричних параметрів дифузантів та матричного металу, температури процесу, наявності та характеру напружень в напрямку масоперенесення, постійності величини перетину зразка металу в цьому ж напрямку тощо.
16. Запропоновано враховувати додаткові параметри для оцінки здатності матеріалу до трі-щиностійкості при використанні силового, деформаційного та енергетичного критеріїв руйнуван-ня, а самехімічний(сегрегаційний), динамічний, електронний. Для оцінки схильності матеріалу до крихкого руйнування без проведення механічних випробовувань пропонується використову-ватикут крихкостіна графіку залежності C=(L): чим гостріше цей кут, тим більш в’язким є руйнування твердого тіла; за крихкого руйнуванні 90о.