научная статья по теме СТРУКТУРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОЩНЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОЩНЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 3, с. 48-51

УДК 539.24:538.911

СТРУКТУРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОЩНЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ © 2014 г. Т. В. Панова, В. С. Ковивчак, К. А. Докучаев, К. А. Михайлов, Г. А. Вершинин

Омский государственный университет, Омск, Россия Поступила в редакцию 17.07.2013 г.

С помощью методов рентгеновской дифрактометрии и растровой электронной микроскопии исследованы структурно-фазовые изменения, происходящие под действием мощного ионного пучка в меди и ее сплавах — латуни и бронзе. Обнаружено, что фазовая перестройка в латуни связана с частичным удалением цинка с поверхности и диффузией его к поверхности из более глубоких приповерхностных слоев. В меди и бронзе происходят только структурные превращения, вызванные возрастанием напряжений I, II и III рода и увеличением плотности дислокаций.

БО1: 10.7868/80207352814030196

ВВЕДЕНИЕ

Одним из способов поверхностного упрочнения металлов и сплавов является модифицирование поверхности мощным ионным пучком (МИП). Несмотря на то что в последнее время появляются все новые данные о поведении металлов и сплавов различных классов при облучении МИП, их использование для создания современной высокоресурсной технологии поверхностного упрочнения сдерживается, главным образом, из-за недостатка статистических данных по изменению фазового состава и микроструктуры облученных материалов, недостаточно развитого теоретического описания процессов, протекающих в поверхностных слоях при воздействии МИП. В связи с этим одной из наиболее важных задач в разработке радиационных технологий является прогноз изменения структурно-фазового состояния облученной поверхности. Это состояние зависит как от теплофизических характеристик вещества, так и от режимов облучения. В настоящей работе с помощью методов рентгеновской дифрактометрии, растровой электронной микроскопии исследованы структурно-фазовые изменения, происходящие под действием МИП в таких цветных металлах, как медь, и ее сплавах латуни и бронзе.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объектов исследования использовали поликристаллические образцы меди, двухфазную латунь ЛС59-1 (37.35-42.2% гп, 0.8-1.9% РЬ, примесей не более 0.75%, ГОСТ 1019-47) и однофазную алюминиевую бронзу БрАЖ9-4 (810% А1, 2-4% Бе, примесей не более 1.7%, ГОСТ 18175-78). Температура плавления Тпл меди со-

ставляет 1083°С, латуни — 900°С, а бронзы — 1024°С.

Образцы механически шлифовали, полировали и подвергали воздействию мощным ионным пучком. Облучение МИП проводили на ускорителе "Темп" ионным пучком со следующими параметрами: состав пучка Н+ (30%), С"+ (70%); энергия частиц ~0.3 МэВ; средняя плотность ионного тока на мишени (40—150) А/см2; длительность импульса 60 нс. Облученные образцы исследовали с помощью рентгеновского дифрак-тометра ДРОН-3М, растрового электронного микроскопа Philips Sem-515 и микротвердомера ПМТ-3.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Действие МИП можно рассматривать как быстрый термический нагрев приповерхностной области по всей глубине пробега ионов при практически холодной подложке [1]. Для такого нагрева характерны большие градиенты температур и высокая скорость охлаждения (~106—108 К/с). Были проведены оценочные расчеты температурных полей для медной мишени и ее сплавов ЛС59-1 и БрАЖ9-4. В общем случае расчет температурных полей сводится к численному решению краевой задачи с движущимися границами для неоднородного нелинейного уравнения теплопроводности [2]. В нашей модели было сделано несколько допущений, призванных упростить решение задачи определения пространственно-временной зависимости температуры: 1) пучок является моноэнергетическим и падает нормально к поверхности; 2) теплофизические характеристики вещества мишени не зависят от температуры; 3) выполняются условия применения одномерного приближения; 4) вся поглощенная энергия об-

Таблица 1. Результаты моделирования воздействия МИП на медь и ее сплавы

J, А/см2 50 100 150

Параметр Lmax Lmax t0 Lmax t0

Медь - — 1630 19.45 2490 9.85

Латунь 1090 16.4 1870 5.5 2270 3

Бронза 1400 9.2 2000 3.35 2320 1.95

Таблица 2. Изменение параметра кристаллической решетки, величины микроискажений, размеров областей когерентного рассеяния и плотности дислокаций в меди и ее сплавах при облучении МИП

№ п/п Режимы облучения МИП Параметр решетки а ± 0.001, Ä Величина микроискажений б = Ád/d, 10—3 Размер ОКР D, нм Плотность дислокаций р, см—2

1 Исходный, медь 3.623 — — 1.00 х 108

2 J = 50 A/см2, n = 3 3.620 0.07 90.75 0.90 х 1011

3 J = 100 A/см2, n = 3 3.619 1.32 98.68 10.70 х 1011

4 J = 150 A/см2, n = 3 3.618 0.58 82.18 2.97 х 1011

5 Исходный, ЛС59-1 3.725 — — —

6 J = 50 A/см2, n = 3 3.696 7.81 44.70 1.50 х 1012

7 J = 100 A/см2, n = 3 3.694 7.46 54.10 1.02 х 1011

8 J = 150 A/см2, n = 3 3.690 5.49 93.60 3.42 х 1010

9 Исходный, БрАЖ9-4 3.63 — — —

10 J = 50 A/см2, n = 3 3.63 36.5 29 3.50 х 1011

11 J = 100 A/см2, n = 3 3.63 3.29 29.6 3.30 х 1011

12 J = 150 A/см2, n = 3 3.63 3.3 29.6 3.30 х 1011

ращается в тепло; 5) потерями энергии в результате излучения через свободную поверхность пренебрегаем; 6) функцию источника тепловыделения в объеме вещества на глубине х в момент времени I представим в виде I) = (а/Х)(е/Я)(1/^)1, где а — коэффициент температуропроводности, X — коэффициент теплопроводности, J — плотность тока пучка, е, Z и Я — начальная энергия, заряд и пробег ионов в веществе [3]. Последнее предполагает равномерное распределение поглощенной дозы вдоль пробега частицы и аддитивности вкладов частиц пучка в разогрев материала. В рамках указанных предположений для температуры Т(х, I) получается аналитическое выражение, содержащее обобщенный интеграл ошибок. В результате моделирования облучения образцов из меди, латуни ЛС59-1 и бронзы БрАЖ9-4 МИП с плотностями тока 50, 100, 150 А/см2 были получены результаты, представленные в табл. 1, где Ьтзк — максимальная толщина расплавленного слоя (нм); — время после начала облучения, когда была достигнута температура плавления (нс).

В [4, 5] было показано, что в медных образцах после облучения МИП изменений в фазовом составе не происходит. Однако при этом существен-

но увеличиваются напряжения I, II и III рода и плотность дислокаций возрастает на три—четыре порядка. Содержание оксидных фаз CuO и Cu2O в поверхностном слое необлученных образцов после облучения МИП существенно сократилось вследствие их испарения при облучении. Согласно проведенным оценкам температуры и толщины проплавленного слоя при облучении с плотностью ионного тока 50 А/см2 температура плавления в меди не достигается, но достигается температура рекристаллизации. В результате крупнозернистая исходная микроструктура меди сильно измельчается уже при облучении с плотностью тока 50 А/см2 (рис. 1). Образуется рекристаллизованная структура с характерным для деформированного состояния двойниковым строением. Дальнейшее повышение плотности ионного тока приводит к еще более интенсивному образованию двойников деформации, и, несмотря на расплавление поверхностного слоя и увеличения глубины проплавле-ния (табл. 1), укрупнение зеренной структуры не наблюдается. Формируется сильно деформированный слой с высокой плотностью дислокаций, которая максимальна для образцов, облученных с плотностью тока 100 А/см2 (табл. 2).

50

ПАНОВА и др.

Рис. 1. Микроструктура меди до (а) и после (б-г) облучения МИП с различной плотностью тока: б - 50, в - 100 и г -150 А/см2.

В латуни ЛС59-1, изначально состоящей из двух фаз (а + в), после облучения МИП произошли существенные фазовые превращения. При облучении с плотностью тока 50 и 100 А/см2 практически исчезла в-фаза, а при плотности тока 150 А/см2 она вновь появилась. Такая перестройка структуры связана, по-видимому, с расплавлением поверхностного слоя при всех режимах облучения (табл. 1), используемых в эксперименте, и с усилением диффузионных процессов, способствующих удалению цинка из решетки а-фазы, вызванных частичным удалением цинка с поверхности и диффузией его к поверхности из более глубоких приповерхностных слоев. Об этом свидетельствует изменение параметра кристаллической решетки (табл. 2) и приближение его к параметру меди. Однако толщина расплавленного слоя в образцах, облученных МИП с плотностью тока 150 А/см2, согласно расчетам (табл. 1), существенно выше, чем при остальных режимах облучения, что, по-видимому, способствовало образованию небольшого количества в-фазы из-за перехода обедненной ре-

шетки а-фазы в твердый раствор на основе химического соединения Сигп.

В бронзе в исходном состоянии помимо а-фазы была обнаружена фаза А105Ре05. После облучения МИП изменений в фазовом составе не произошло. Незначительное уширение дифракционных пиков в бронзе наблюдается только при облучении с плотностью тока 50 А/см2. Такое поведение, по-видимому, связано с отжигом дефектов при повышенных плотностях ионного тока и с релаксацией микроискажений, поскольку в бронзе толщина расплавленного слоя больше, чем в меди и латуни, и температура этого слоя выше, что способствует нивелированию структурных изменений при повышенных плотностях тока.

Исследование микротвердости показало, что в образцах меди значение микротвердости в зерне с увеличением плотности тока пучка уменьшается, однако резко увеличивается микротвердость границы зерна (рис. 2). Это связано со стоком дислокаций к границам. В латуни характер зависимости микротвердости в зерне и на границе одинаков, и

Рис. 2. Изменение микротвердости в зерне (1) и на границе зерна (2) в образцах меди, облученных МИП.

у, А/см2

Рис. 3. Изменение микротвердости в зерне (1) и на границе зерна (2) в образцах латуни ЛС59-1, облученных МИП.

максимум приходится на плотность тока 50 А/см2 (рис. 3), что соответствует максимуму плотности дислокаций. В бронзе величина микротвердости при облучении изменяется слабо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали, что фазовая перестройка при облучении мощным ионным пучком меди, латуни ЛС59-1 и бронзы БрАЖ9-4 происходит в основном в латуни, исчезновение Р-фазы при облучении с плотностью

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком