ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2014, том 50, № 1, с. 89-93
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 544.653.22:620.193.013:669
ТОПОГРАФИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИНЧАТОГО И ГЛОБУЛЯРНОГО ЦЕМЕНТИТА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО РАСТВОРЕНИЯ © 2014 г. Н. В. Тарасова, С. Н. Салтыков, Е. О. Рогожкина
Липецкий государственный технический университет e-mail: tarnv82@mail.ru, saltsn@mail.ru Поступила в редакцию 11.06.2011 г.
Уточнен характер растворения цементита пластинчатой и глобулярной формы углеродистых сталей 60 и У8. Показано, что высокая анодная поляризация стали со структурой перлита приводит к растворению границ блоков пластинчатого цементита и преимущественному выкрашиванию глобулярного цементита.
Б01: 10.7868/8004418561401015Х
ВВЕДЕНИЕ
Анодное растворение железоуглеродистого сплава включает процессы окисления феррита и цементита, продуктами которых являются Бе2+-ио-ны [1] и свободный углерод [2, 3]. Ранее было установлено [4], что растворение цементита начинается после селективного растворения фер-ритной фазы и выявления структуры, и сопровождается ростом тока на хроноамперограммах при потенциалах поляризации положительнее потенциала цементита. Однако, остается открытым вопрос о механизме растворения цементита. Использование сканирующей микроскопии позволяет детально фиксировать наноразмерные топографические характеристики поверхности, не только предоставляющие сведения о характере распределения фаз [5], но и уточняющие особенности формирования первоначальных участков растворения. Целью данной работы является изучение характера анодного растворения пластинчатого и глобулярного цементита сталей со структурой перлита в сернокислой среде.
ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на углеродистых сталях 60 и У8 с различной формой цементита в сернокислых (рН 3.1 и 4.2) растворах, микроструктура и обработка рабочей поверхности которых описаны в [4]. Для изучения растворения цементита анодную поляризацию осуществляли в по-тенциостатическом режиме при потенциале 0.0 В (ХСЭ), выбор значения которого обусловлен тем, что сравнительно не продолжительная поляризация образца при этом потенциале в течение 60 мин позволяет детально проследить измене-
ния, происходящие на поверхности. Топографию поверхности электрода после поляризации контролировали с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver P47-PRO фирмы NT-MDT. В качестве геометрических параметров топографии поверхности использовали среднее арифметическое отклонение профиля вдоль произвольной секущей (Ra) и среднее арифметическое отклонение профиля сканируемого участка поверхности (Sa).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее было показано [4], что растворение цементита углеродистых сталей начинается после селективного растворения феррита и приводит к образованию слоя черного цвета на поверхности образца. При этом на хроноамперограммах, например, стали У8, наблюдаются две области (рис. 1), соответствующие процессам растворения фаз феррита и цементита. Установлено, что поляризация стали в течение 15 мин приводит к ярко выраженному рельефу с выступающими пластинами цементита в результате селективного растворения ферритной матрицы стали У8 (рис. 2а). Увеличение времени поляризации сопровождается нарушением периодичности рельефа с увеличением шероховатости поверхности и появлением участков с разрушенными пластинами цементита (рис. 2б—г). Полученные результаты подтверждают вывод о том, что площадка тока (А? ~ 15 мин) соответствует селективному растворению феррита, а последующее возрастание тока (А? > 15 мин) — разрушению цементитных пластин с образованием слоя черного цвета.
I, мА
I А? ~ 15 II
?н ?.к ?, мин
Рис. 1. Схема хроноамперограммы с указанием областей тока, отвечающего растворению ферритной (I) и цементитной (II) фаз [4].
азрушение цементитных пластин
Рис. 2. Топография поверхности стали У8 после по-тенциостатической поляризации при потенциале 0.0 В в течение 15 (а), 30 (б), 45 (в) и 60 мин (г), размер сканируемой области 70 х 70 мкм.
Границы блоков в цементите
(б)
Растворение цементита по границам блоков со стороны ферритной пластины
Рис. 3. Строение пластины цементита (а) и растворение цементитных пластин по границам блоков (б).
Учитывая фрагментарное строение пластинчатого цементита стали У8 (рис. 3а) и присутствие в нем планарных дефектов [6—8], можно считать, что процесс его разрушения происходит на границах блоков и на дефектных плоскостях в местах выхода дислокаций на поверхность (рис. 3б). При этом растворение происходит как со стороны ферритной пластины, так и перпендикулярно плоскости поверхности цементита.
Результаты атомно-силовой микроскопии це-ментитных пластин, представленные на рис. 4, выявили периодичность рельефа цементита после поляризации в течение 30 мин (рис. 4б), соответствующей области возрастания тока (рис. 1). Профили представленных на рис. 4 участков поверхности показаны на рис. 5. Секущие выбраны таким образом, чтобы они проходили вдоль пластин цементита, обозначенных на рис. 4 номерами 1—4. Профили вдоль указанных линий представляют собой кривую с периодом не более 100 нм. При этом глубина колебания рельефа пластины цементита (ДА) в ходе его растворения (рис. 4б) увеличивается до 30 нм после поляризации в течение 30 мин и до 50 нм — в течение 60 мин, в то время как для неразрушенной пластины 1 (рис. 4а) эта величина не превышает 5 нм. Следует отметить, что для пластины 2, не подверженной растворению, величина ДА также не превышает 5 нм, тогда как для пластины 3, расположенной рядом с пластиной 2, но подверженной растворению (рис. 4б), величина А достигает 30 нм (рис. 5).
Таким образом, можно считать, что нарушение периодичности рельефа стали У8 в ходе потенци-остатической поляризации (рис. 2) обусловлено процессом разрушения цементитных пластин по дефектным плоскостям. При этом в первую очередь растворению подвергаются цементитные пластины с определенным кристаллографическим расположением.
Изучение процесса растворения цементита стали 60 с различной формой цементита показало, что на хроноамперограммах, аналогично стали У8, присутствуют две области (рис. 6), соответствующие растворению фаз феррита и цементита. Визуализация топографии поверхности стали также выявила формирование рельефа с выступающими пластинами или глобулами цементита в результате селективного растворения ферритной матрицы после поляризации в течение 15 мин (рис. 7а—в). Увеличение времени поляризации до 30 мин приводит к нарушению периодичности рельефа и появлению участков с разрушенными пластинами цементита (рис. 7г—е).
Изменение шероховатости поверхности (5а) стали 60 после поляризации в течение 15 и 30 мин, соответствующей I и II области на хроноамперограм-ме (рис. 6), представлено на рис. 8. Статистическая обработка полученных результатов показала, что
пл
I, тА 1.05
к, нм
440 420 400 380 360 340 280
260 -
240
220
1, К„ = 1.7 нм
3, Ка = 7.6 нм
0.45
Рис. 4. Топография поверхности стали У8 после по-тенциостатической поляризации при 0.0 В в течение 15 (а), 30 (б) и 60 мин (в), размер сканируемой области 5 х 5 мкм.
изменение величины после поляризации образца в течение 15 мин не является статистически значимым (таблица), что связано с растворением только фазы феррита, количество которой не зависит от формы цементита и составляет 90.8% при данном содержании углерода в стали. Тогда как поляризация стали в течение 30 мин приводит
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ?, мин
Рис. 6. Хроноамперограммы стали 60 с пластинчатым (1), смешанным (2) и глобулярным (3) цементитом при потенциале поляризации 0.0 В с указанием областей тока, отвечающего растворению ферритной (I) и цементитной (II) фаз.
к статистически значимому отличию величины Ба для образцов с пластинчатым и глобулярным, пластинчатым и смешанным цементитом, но отличие величины 8а для образцов со смешанным и глобулярным цементитом остается статистически
(б) (д)
(в)
^ А
(е)
200 400 600 800 I, нм
Рис. 5. Профили пластин цементита стали У8 после потенциостатической поляризации при 0.0 В в течение 15 (1), 30 (2, 3) и 60 мин (4) с указанием величины шероховатости.
Рис. 7. Топография поверхности стали 60 с цементитом пластинчатой (а, г), смешанной (б, д) и глобулярной (в, е) формами после поляризации при потенциале 0.0 В в течение 15 (а—в) и 30 (г—е) мин, размер сканируемой области 5 х 5 мкм.
0
Sa, нм
300 200 100 0
(а) Цементит
1 , ' Г
Пластинчатый Смешанный Глобулярный цементит цементит цементит
Рис. 8. Шероховатость поверхности стали 60 с различной формой цементита после анодной поляризации при потенциале 0.0 В в течение 15 (1) и 30 мин (2).
гш-п
Исходная поверхность (б)
Поляризация в течение Поляризация в течение
15 мин
30 мин
Цементит
Феррит
о - О
о о О о
не значимым (таблица). Следует отметить, что увеличение коэффициента (4ксп), характеризующего значимость отличия шероховатости поверхности, возрастает при увеличении степени сферо-идизации цементита, т.е. при переходе от стали с пластинчатым цементитом к стали со смешанным цементитом (?эксп = 2.89), а затем — к стали с глобулярным цементитом (?эксп = 4.62).
Полученные результаты обусловлены различным процессом растворения пластинчатого и смешанного цементита стали 60. Растворение пластинчатого цементита происходит по границам блоков, а в случае глобулярного цементита в связи с большей скоростью анодного растворения ферритной матрицы происходит его выкрашивание с поверхности образца (рис. 9). Это приводит к статистически незначимому отличию глубины растворения ферритной матрицы зернистого перлита или, другими словами, шероховатости поверхности при
Исходная поверхность Поляризация в течение Поляризация в течение
15 мин 30 мин
Рис. 9. Модель растворения пластинчатого (а) и зернистого (б) цементита углеродистой стали.
увеличении времени поляризации образца с глобулярным цементитом (рис. 8).
ВЫВОДЫ
1. Уточнен характер растворения пластинчатого и глобулярного цементита углеродистых сталей 60 и У8 и выявлена периодичность рельефа растворяющейся пластины це
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.