Введение к работе
Актуальность темы: Современная экономическая ситуация выдвигает на первый план задачи по созданию экономически выгодного производства. В рамках этой задачи имеется ряд проблем, важность решения которых как в научном, так и в техническом плане, несмотря на постоянное решение этих вопросов, продолжает оставаться актуальной. К таковым можно отнести повышение общего уровня усталостной (циклической) прочности, износостойкости и надежности металлических материалов деталей машин и механизмов. Значимость решения этих проблем приобретает особую остроту в связи с широким внедрением в машиностроение жаропрочных и труднообрабатываемых материалов, что в конечном итоге приводит к повышению себестоимости механической обработки практически во всех отраслях машиностроения.
Проблема усталости возникла более ста лет назад и с тех пор интерес к ней все увеличивается. Это связано с тем, что многие ответственные детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются действию повторных механических нагрузок, и их ресурс целиком определяется циклической прочностью материалов, из которых они выполнены [1]. Вместе с тем, уровень циклической прочности, в общем случае, тем больше, чем выше теоретический предел прочности данного материала. Поэтому проблема повышения циклической прочности является частью более общей проблемы повышения характеристики статистической прочности и вязкости разрушения материалов в реальных условиях эксплуатации, что требует, в свою очередь, дальнейшего изучения природы усталостного разрушения.
В начале прошлого века было показано, что состояние поверхности — наличие царапин, следов обработки, а также топология и состав поверхности, определяет многие свойства твердых тел, начиная от их внешнего вида и заканчивая прочностными характеристиками. Следовательно, необходима поверхностная обработка металлических материалов с целью их упрочнения.
На сегодняшний день разработаны сотни способов обработки поверхности: термомеханические, химические и т.д. Одним из методов, активно развивающимся в последнее десятилетие, является ионно-лучевое легирование. Целенаправленно
выбирая атомы легирующей примеси и режимы облучения с помощью метода ионной имплантации можно получить широкую гамму полезных свойств поверхностных слоев материалов: повысить предел прочности, текучести, ударной вязкости, коррозионностойкости, износостойкости и трещиностойкости и т.п. [2]. Метод ионной имплантации, по сравнению с традиционными методами химико-термической обработки, позволяет в десятки раз сократить время и резко понизить температуру обработки, производить селективную обработку отдельных участков детали. Существенным преимуществом метода является отсутствие проблем адгезии между модифицированным слоем и объемом материала, характерным для способов нанесения различного рода покрытий, а также возможность автоматизации процесса.
За последние десятилетия, благодаря комплексному исследованию внутренней структуры материалов и их свойств [3], существенное развитие получили вопросы физической природы усталости: установлен механизм образования и развития микротрещин, показана решающая роль дефектов кристаллической решетки в упрочнении и разрушении металлов.
Применение различных методов обработки металлических материалов, понимание происходящих при этом внутренних процессов, а также умение управлять ими — вот основная задача науки о новых материалах. Для решения этих задач и построения теоретической базы необходимо большое количество экспериментальных данных.
Применение методов исследования поверхности в комплексе с другими методами исследования позволило существенно дополнить и расширить существующие теории.
Цель работы: Исследование влияния типа внедряемых ионов и параметров ионного облучения (доза облучения и плотность тока) на усталостную прочность углеродистой стали СтЗсп.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
Исследование влияния дозы имплантации ионов аргона, азота и марганца на усталостную прочность и микротвердость углеродистой стали Ст.Зсп.
Исследование влияния имплантации ионов азота, аргона и марганца на топографию поверхности углеродистой стали Ст.Зсп.
Исследование влияния дозы облучения ионами азота и марганца на состав поверхностных слоев углеродистой стали Ст.Зсп.
Исследование влияния плотности тока ионов марганца на усталостную прочность и микротвердость углеродистой стали Ст.Зсп.
Исследование влияния плотности тока ионов марганца на состав поверхностных слоев углеродистой стали Ст.Зсп.
Научная новизна работы.
Показано изменение механизма зарождения и развития магистральной трещины в образцах углеродистой стали Ст.Зсп, облученных ионами азота и аргона.
Показано, что при облучении образцов углеродистой стали Ст.Зсп ионами марганца происходит образование в поверхностных слоях карбидов типа (Mn.Fe^Ce и обогащение ими поверхностного слоя вследствие селективного распыления, что определяет зарождение и развитие магистральной трещины с поверхности.
Предложена физическая модель, описывающая процессы в поверхностных слоях углеродистой стали Ст.Зсп при ионной имплантации марганца.
Научная и практическая ценность работы определяется возможностью использования экспериментально полученных закономерностей повышения эксплуатационных свойств данного сорта стали для решения задач физики радиационного материаловедения и выбора оптимальных параметров ионной имплантации с целью улучшения механических свойств металлов и сплавов.
Положения, выносимые на защиту:
Изменение механических свойств (усталостная прочность и микротвердость) углеродистой стали Ст.Зсп в зависимости от дозы облучения ионами азота, аргона и марганца.
Влияние дозы имплантации ионов азота, аргона и марганца на топографию поверхности углеродистой стали Ст.Зсп.
Образование в поверхностных слоях данной стали сложных карбидов типа е-Fe2(C,N)i.x и (Мп,Ре)2зСб в случае облучения ионами азота и марганца, соответственно.
Влияние плотности тока имплантируемых ионов марганца на изменение механических свойств (усталостная прочность и микротвердость) углеродистой стали Ст.Зсп.
Немонотонное изменение шероховатости поверхности углеродистой стали Ст.Зсп в зависимости от скорости набора дозы ионов марганца. .
Физическая модель, описывающая процессы в поверхностных слоях углеродистой стали Ст.Зсп при ионной имплантации марганца.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:
Международной научной конференции «75 лет высшего образования в Удмуртии», Ижевск, 2006 г.;
Конференциях молодых ученых ФТИ УрО РАН (КОМУ-2008, 2010), Ижевск, 2008 г., 2010 г.;
2-й Всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Казань, 2008 г.;
5-й Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2009 г.;
7-м Международном Уральском семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов», Снежинск, 2009 г.;
Х-м Международном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (МНТ-Х), Обнинск, 2009 г.; XIX-M Международном совещании «Радиационная физика твердого тела», Севастополь, 2009 г.
Х1Х-м Международном совещании «Радиационная физика твердого тела», Севастополь, 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, включая 57 рисунков, 2 таблицы и списка литературы из 115 наименований.
