Курсовая работа: Вплив процесів деформування на поверхневий шар металів

3. На основі уявлень про взаємозв'язок РВЕ і електровід’ємності атомів, а також даних скануючої тунельної мікроскопії, запропоновано нову фізичну модель і спосіб розрахунку РВЕ в залежності від параметрів пружно-пластичного деформування. Обчислення, проведені для алюмінію і міді, показали задовільне узгодження з експериментальними даними.

4. Вперше встановлено закономірності зміни РВЕ при знакозмінному деформуванні металів і сплавів. Виявлено, що зародження мікротріщин втоми відбувається на ділянці поверхні з максимальною попередньою зміною РВЕ. На основі встановленого фізичного механізму запропоновано кількісну модель кінетики структурних перетворень на поверхні металів, що включає рух дислокацій під впливом знакозмінних навантажень, вихід дислокацій на поверхню і появу заряджених сходинок, наслідком чого є зміна РВЕ. Метод вимірювання розподілу РВЕ по поверхні дає можливість прогнозувати зародження мікротріщин втоми вже на ранніх стадіях випробувань.

5. Досліджено вплив електроімпульсної обробки металів на квазістаціонарний деформований стан приповерхневих шарів. Вплив обробки імпульсним струмом проявляється в зниженні рівня макронапружень у приповерхневому шарі, збільшенні мікроскопічних напружень і в зменшенні розміру блоків кристалічної мозаїки. Показана можливість помітного збільшення опору втомі сплавів на основі титана у результаті електроімпульсної обробки за рахунок “прицільного” відпалу дефектів кристалічних ґраток і створення більш рівноважної структури біля поверхні.

6. У рамках молекулярно-динамічного моделювання термічної дії електроімпульсної обробки показано, що термічний пік навіть з не дуже високою максимальною температурою (~1000 0С) може приводити до “залікування” області кристала, яка містить дефекти типу вакансія-міжвузельний атом. Знайдено, що термічні коливання атомів активізують процес рекомбінації дефектів, направлено-орієнтуючий вплив забезпечується пружними полями дефектів..

Електроімпульсна обробка сплавів титана забезпечує підвищення міцності втоми на 25¸50 %. Розроблений на рівні винаходу новий спосіб магнітно-абразивної обробки, поліпшує якість обробки поверхні, значно збільшує довговічність деталей.

1. Процес формування верхнього шару металу в умовах пружної і пластичної деформації

Проведений літературний аналіз уявлень про залежність РВЕ від параметрів пружно-пластичного стану металів показує що у навантаженому кристалі енергія може запасатися не тільки в кристалічних ґратках, але і в електронній підсистемі. У зв'язку з цим актуальними є дослідження структури і фізичних властивостей приповерхневої області металів, обумовлених прикладеними силами, що приводять до пружних і пластичних деформацій. Зроблено висновок, що створення фізичної картини деформування металів потребує експериментальних досліджень взаємозв'язку іонної і електронної підсистем деформованих металів і розробку теорії розвитку специфічних процесів, що відбуваються у приповерхневих шарах металів і сплавів.

Розробка експериментальної техніки і методики досліджень. Для систематичного дослідження фізичних процесів, що відбуваються у відносно тонких приповерхневих шарах металевих матеріалів, необхідно було створити і використовувати адекватну експериментальну техніку. Прагнення до коректності висновків про взаємодію двох підсистем у металі при деформації вимагало комплексного методичного підходу до досліджуваних явищ. У більшості випадків для забезпечення надійних результатів необхідно було також забезпечити удосконалення цих методів з метою суттєвого підвищення точності, локальності і продуктивності вимірів.

Була розроблена експериментальна установка, призначена для вимірів РВЕ з можливістю одночасного проведення іспитів металевих зразків на втому, установка містить малогабаритний п'єзоелектричний вібростенд і комплекс вимірювальної апаратури. Величина РВЕ вимірювалася методом динамічного конденсатора Кельвіна. Випробування зразків на втому виконувались методом дискретного навантаження. Була вдосконалена методика вимірів КРП на основі аналізу залежності КРП від напруги компенсації з одночасною комп'ютерною обробкою результатів вимірів.

Виконані дослідження впливу зовнішнього середовища на РВЕ. Встановлено, що рівномірне ультрафіолетове опромінення поверхні металевого зразка викликає зміщення кривих розподілу РВЕ як цілого, без зміни їхньої геометрії. Створення більш високих поверхневих енергетичних рівнів зменшує вплив адсорбційних процесів на РВЕ, що підвищує точність і відтворюваність результатів вимірів. Застосування ультрафіолетового опромінення у процесі вимірів дозволяє вивчати залежність РВЕ саме від деформаційних процесів. Похибка вимірів РВЕ не перевищувала 1 меВ.

Дослідження внутрішніх напружень і параметрів кристалічної структури здійснювались за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН-3М. Було досягнуто збільшення граничного можливого подвійного кута Вульфа-Брегга до 177,60 за рахунок зміни положення детектора розсіяного випромінювання і застосування нової колімуючої системи. Похибка виміру макроскопічних напружень, яка була розрахована для робочих значень кутів досліджуваних об'єктів при використанні монохроматичного Kb випромінювання, зменшилася приблизно в 10 разів. Для визначення мікроскопічних напружень і розміру блоків кристалічної мозаїки був використаний метод гармонічного аналізу форми рентгенівських ліній. Оскільки для розрахунку залишкових макронапружень необхідні дані про пружні константи, був розроблений рентгенодифрактометричний метод визначення модуля Юнга і коефіцієнта Пуассона приповерхневої області металів, оснований на вимірюванні деформації при іспитах зразків прямокутного перерізу на трьохточковий згин. Розроблені і виготовлені установки для електроімпульсної (ЕІО) і магнітно-абразивної (МАО) обробки зразків і деталей. Для одержання достовірних даних при побудові графіків, використовувалася статистична обробка результатів вимірів.

Об'єктом досліджень у даній роботі були матеріали, які відносяться до трьох різних класів: алюміній (99,99 %); сплави на основі титана марок ВТ3-1, ВТ8 і ВТ9; жароміцні сталі марок ЕП866 (15Х16К5Н2МВФАБ), ЕП499 (15Х16Н2АМ), ЕІ698 ХН73БТЮ), жароміцний ливарний сплав на нікелевій основі марки ЖС6К (ХН67ДО5В5М4ЗЮ6). Вибір алюмінію обумовлений значною величиною КРП, що зменшувало відносну похибку вимірів і давало можливість порівнювати одержані результати з літературними даними. При вивченні контактних деформацій і зносу використовувалися зразки міді і сплави системи Fe-C-B.

2. Зміни РВЕ на поверхні металів при деформуванні

Використання методу сканування по всій поверхні зразка при механічних випробуваннях дозволило одержати обґрунтовану інформацію про механізми зарядової перебудови поверхні. Методика дослідження полягала в одновісному деформуванні зразків з полікристалічного алюмінію з постійною швидкістю з одночасним виміром РВЕ в контрольованих точках поверхні. Перехід до стадії пластичного деформування викликає характерне зменшення РВЕ. При цьому більшому ступеню деформації в робочій області зразка відповідає більша зміна РВЕ. На різних стадіях деформування навантаження припинялося і вимірювався розподіл РВЕ уздовж обраних ліній робочої поверхні зразків.

Характерна крива зміни напруження σ із підвищенням ступеня деформації і відповідні значення роботи виходу Ф представлено на рис.2. Видно, що плавному зростанню розтягуючого напруження, відповідає падіння РВЕ. Навпаки, релаксація напружень приводить до зростання РВЕ. В області пластичного деформування було виявлено зміну РВЕ, викликану релаксаційними процесами (відпочинок зразка) при вимиканні розтягуючого пристрою.

На основі експериментальних даних встановлено, що має місце як швидка релаксація РВЕ порядку 0,02 еВ між послідовними навантаженнями, так і повільна релаксація порядку 0,1 еВ, реалізована протягом 12¸15 годин без зняття навантаження. Важливо відзначити існування граничного значення РВЕ. Починаючи з деякої деформації e = 0,05, величина РВЕ істотно не зменшується, рис.3.

У процесі відпочинку “енергетичний деформаційний рельєф” частково згладжується. При повторних вимірах РВЕ після відносно великих проміжків часу, спостерігався характерний зсув кривої розподілу як цілого. Як показали додаткові дослідження, за зміну геометрії кривих розподілу РВЕ по поверхні відповідають структурні процеси, а зсув кривих обумовлений адсорбційними перебудовами під впливом зовнішнього середовища.

Результати дослідження закономірностей зміни роботи виходу Φ по поверхні пластично деформованих металів дозволили одержати такий вираз для зміни РВЕ:

, (1)

де α - безрозмірний параметр деформування; e - відносна деформація; e0 - відносна деформація, що відповідає початку пластичної течії матеріалу.

Елементарний акт пластичної деформації, як відомо, пов'язаний з виходом на вільну поверхню дислокаційної моноатомної сходинки. Вже в об`ємі кристалу перерозподіл електронів навколо дислокації приводить до утворення електричного дипольного моменту. Таким чином, можна говорити про перенос дислокаційних диполів на вільну поверхню при деформуванні. При виході на поверхню дислокація не тільки зберігає свій дипольний момент, але і збільшує його за рахунок зниження ефекту екранування електронів провідності. З іншого боку, відома залежність РВЕ від густини моноатомних сходинок на поверхні кристала [1]:

, (2)

де P - дипольний момент на одиницю довжини поверхневої сходинки; n - густина сходинок; q - заряд електрона; ε0 - електрична стала. Результати розрахунку за формулами (1) і (2) лінійної густини диполів в залежності від деформації збігаються за величиною з густиною тонких слідів ковзання для деформованого алюмінію за даними електронної мікроскопії. При дослідженні деформаційних процесів методом РВЕ важливим моментом є те, що фіксується кінетика виходу дислокацій на вільну поверхню металу. Початкова ділянка зміни РВЕ при пластичній деформації визначається формуванням смуг ковзання. Коли ж в основному смуги ковзання визначені і локалізовані, пластичне деформування визначається рухом дислокацій по вже сформованим лініям ковзання і утворення нових дислокаційних диполів практично не відбувається. В результаті, РВЕ виходить на насичення і при подальшому деформуванні не змінюється.

У цьому ж розділі дисертації на основі методу функціонала електронної густини розглянуті теоретичні уявлення про залежність РВЕ від деформації металів. Автором запропонована нова самоузгоджена розрахункова схема. При її розробці в модель “желе” були введені поправки. Ці поправки пов'язані з дискретністю розподілу позитивного заряду та враховують вплив релаксації іонних площин поблизу поверхні кристала на електронний розподіл на границі металу, а також вплив діелектричного середовища, що граничить з поверхнею металу. Задача розв`язувалась визначенням мінімуму поверхневої енергії σ як функціонала двох варіаційних параметрів β і λ:

, (3)

де 1/β - являє собою характерну товщину поверхневого шару поблизу границі металу, на якій різко змінюється електронна густина; λ - зсув поверхневої густини іонів відносно об'ємного положення. При розрахунку були використані пробні функції розподілу електронної густини на границі металу у вигляді:

(4)

Значення релаксаційних параметрів β і λ, що відповідають мінімуму поверхневої енергії, надалі використовувались для розрахунку роботи виходу:

. (5)