Закономерности формирования структуры и свойств поверхностного слоя стали 45, модифицированной методами электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки

• Автор: Филимонов, Семен Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 203 с. : ил.

Раздел 1. Модификация поверхности металлов и сплавов концентрированными потоками энергии
1.1. Металлические, металлокерамические и керамические покрытия
1.2. Методы нанесения покрытий
1.3. Методы модификации покрытий
Постановка задачи
Раздел 2. Методы обработки, материал, методы и методики исследования
2.1. Материал исследования
2.2. Методы формирования поверхностного слоя
2.3. Система Ст. 45-А1
2.4. Система Ст. 45-Си
2.5. Методики исследования
Раздел 3. Структура и свойства углеродистой стали, подвергнутой электровзрывному алитированию и последующей электронно-пучковой обработке
3.1. Структура стали 45 в исходном состоянии
3.2. Структура поверхности стали 45 после электровзрывного легирования алюминием
3.3. Анализ структуры и профиля микротвердости стали 45, подвергнутой поверхностной обработке
3.4. Структура поверхности стали 45, подвергнутой комбинированной (электровзрывное легирование алюминием и последующее облучение электронным пучком) обработке
3.5. Изменение структуры стали 45 в зависимости от расстояния до поверхности, подвергнутой комбинированной обработке
3.6. Выводы по разделу
Раздел 4. Структура и свойства стали 45, подвергнутой электровзрывному легированию медью и последующей электронно-пучковой обработке
4.1. Структура поверхности стали 45 после электровзрывного легирования медью
4.2. Анализ структуры и профиля микротвердости стали 45, подвергнутой поверхностной обработке
4.3. Структура поверхности стали 45, подвергнутой комбинированной (электровзрывное легирование медью и последующее облучение электронным пучком) обработке
4.4. Изменение структуры стали 45, подвергнутой комбинированной обработке в зависимости от расстояния до поверхности
4.5. Выводы по разделу
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Список использованной литературы

Актуальность исследования. Воздействие на металлы плазменных струй, получаемых при электрическом взрыве проводников, применяется для поверхностного легирования, основная идея которого состоит в оплавлении поверхностных слоев и насыщении их продуктами взрыва с последующей самозакалкой путем отвода тепла в глубь металла и в окружающую среду. Особенностью формируемых в методе электровзрывного легирования(ЭВЛ) плазменных струй, воздействующих на поверхность, является неоднородность их строения и структуры, это является причиной формирования неоднородностей и неровностей поверхности, что существенно ограничивает возможность применения этого метода для упрочнения.
Обработка материалов и изделий концентрированными потоками энергии с целью кардинальной модификации структуры, физических и прочностных свойств их поверхностных слоев, является одним из самых эффективных направлений современного материаловедения для особо сложных условий эксплуатации. К указанной обработке относятся такие методы, как высокочастотный, плазменный, лазерный, ионно- и электронно-пучковый методы. Такая обработка позволяет не только избавиться от недостатков метода электровзрывного легирования, но и улучшить прочностные свойства обрабатываемой поверхности.
Тема диссертации соответствует направлению «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов» перечня критических технологий РФ. Исследования проводились в соответствии с Программой СО РАН «Наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение», Проекты П.7.4.1. «Научные основы разработки электронно-ионно-плазменного оборудования для создания наноструктурных слоев и покрытий» и П.7.4.2. «Исследование закономерностей и механизмов электронно-ионно-плазменного формирования наноструктурных слоев и покрытий», Программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Основы фундаментальных

исследований нанотехнологий и наноматериалов», Проект «Физические основы электронно-пучковой наноструктуризации металлов и сплавов» и поддержаны грантами РФФИ (№08-02-00024-а, 08-02-12012-офи), и грантом «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Цель и задачи исследования. Работа посвящена выявлению и анализу закономерностей формирования фазового состава, дефектной субструктуры и свойств поверхностных слоев стали 45 в условиях комбинированной обработки, сочетающей электровзрывное легирование алюминием и медью и обработку высокоинтенсивным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Осуществить комбинированную обработку стали 45, заключающуюся в легировании поверхности образца продуктами электрического взрыва алюминиевой или медной фольги и последующей обработке высокоинтенсивным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия.
2. Провести анализ эволюции элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры поверхностного слоя стали 45, подвергнутой комбинированной обработке
- в зависимости от параметров облучения электронным пучком,
- в зависимости от расстояния до поверхности комбинированной обработки.
3. Выполнить сравнительный анализ и выявить особенности и закономерности формирования структурно-фазового состояния и элементного состава стали 45, подвергнутой электровзрывному легированию алюминием или медью и последующей электроннопучковой обработке.
4. Провести исследования прочностных -свойств путем определения микротвёрдости и износостойкости поверхностного слоя стали 45, подвергнутой комбинированной обработке.
5. На основании совокупности полученных результатов выявить оптимальные режимы комбинированной обработки стали 45.
6. Основываясь на результатах качественного и количественного анализа фазового и элементного состава, состояния дефектной субструктуры, выявить механизмы упрочнения стали 45, подвергнутой комбинированной обработке.

3. Давление на межфазной границе во фронте соударения должно значительно превышать предел текучести материала для обеспечения пластической деформации.
Метод взрывного плакирования применим для обработки больших масс металла, однако в принципе может быть применен для любых композиций металла с металлом достаточной длины, если они не очень хрупки, имеют простую форму (листы, трубы), и не содержат компонентов с малыми радиусами углублений и выпуклостей (например, тигли).
Данный метод также оказался весьма полезным для соединения обычно плохо совместимых сплавов в двух-, трех- и четырехслойных структурах.
1.3.4. Электронно-пучковая обработка
Успехи в области физики генерации высоких плотностей энергии привели к разработке электронно-пучковых технологий, обладающих большими (по сравнению с лазерной) возможностями для контроля количества подводимой энергии, возможностью создания большей площади воздействия концентрированного потока энергии на обрабатываемый материал, меньшими коэффициентами отражения энергии, более высокой концентрацией энергии в единице объема материала, а соответственно, и большими возможностями перевода материала в высоконеравновесное состояние [23-25]. По сравнению с мощными ионными пучками (МИП), которые также могут использоваться для модификации поверхности материалов, низкоэнергетические (<30 кэВ) плотные электронные пучки генерируются с существенно более высоким коэффициентом полезного действия (<90%) в частотно—импульсном (~10 Гц) режиме при меньших (на порядок величины) ускоряющих напряжениях и не требуют создания специальной радиационной защиты, т.к. сопутствующее рентгеновское излучение экранируется стенками рабочей вакуумной камеры. Высокая энергетическая эффективность, более высокая однородность плотности энергии по сечению потока, хорошая воспроизводимость импульсов