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.