150178 (Вплив процесів деформування на поверхневий шар металів), страница 2

, (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)

Тут Ф0 - складова РВЕ в моделі “желе”; Ф1 - псевдопотенціальний внесок у РВЕ з урахуванням релаксації гратки. У розглянутій моделі вплив деформації на РВЕ враховувався зміною об`єму елементарної комірки та параметром псевдопотенціалу.

Загальною особливістю кривих є збільшення РВЕ з ростом пружної деформації, що погоджується з результатами експериментальних досліджень. Аналіз деформаційної залежності РВЕ для різних кристалографічних площин алюмінію свідчить про те, що зростання РВЕ визначається зміною як об'ємної складової РВЕ, так і поверхневої. Як видно із рис.4, нехтування гратковою релаксацією, приводить до істотно іншої деформаційної залежності РВЕ, але зберігається основна тенденція зростання РВЕ. Насамперед, це проявляється в нелінійності кривих, одержаних із врахуванням релаксації.

Розрахунки також показали, що пружне деформування кристалічних ґраток приводить до більш повільного зменшення електронної густини за межею металу. При цьому діелектричне середовище додатково знижує цю величину. Вплив середовища полягає у “витягуванні” електронів з металу, а відповідно до приведених розрахунків, у результаті деформування ще більша кількість електронів переходить з металу в діелектричне середовище. Те, що поверхня при цьому стає більш негативно зарядженою, прямо свідчить про збільшення РВЕ.

Робота виходу є чутливим індикатором структурної перебудови на поверхні металу. Оскільки експериментально розподіл РВЕ вимірюється для реальних металевих поверхонь, то в теоретичних моделях необхідно враховувати мікроскопічні поверхневі дефекти на атомному рівні. Зміни РВЕ, викликані структурними неоднорідностями на металевій поверхні, найбільш просто і правильно описує модель взаємозв'язку РВЕ із електровід`ємністю атомів [2]. На основі уявлень про нейтральну орбітальну електровід`ємність (НОЕ), пропонується новий метод розрахунку РВЕ в залежності від параметрів пружно-пластичного деформування. Об'ємна частина РВЕ залежить від енергії Фермі даного металу і дуже слабо змінюється при деформуванні. Поверхнева складова РВЕ може зазнавати значних змін при деформаціях, тому що вона визначається локальними поверхневими стрибками потенціалів, варіації яких залежать від мікрогеометрії і координації поверхневих атомів. Визначення мікрогеометрії деформуємої поверхні і координації поверхневих атомів стало можливим на основі останніх досягнень скануючої тунельної мікроскопії [3]. Виявлено, що деформаційні процеси на поверхні визначаються формуванням і еволюцією нанодефектів. Ці нанометричні дефекти мають форму призм різних розмірів, стінки яких утворюються за рахунок виходу на поверхню дислокацій по площинам легкого ковзання. Утворення дислокаційних сходинок на поверхні змінює електростатичний поверхневий бар'єр і, відповідно, РВЕ.

Для моделювання задавалися значення відносної деформації. При цьому різні кристалографічні площини відрізняються кількістю розірваних зв'язків для найближчих і наступних сусідів. З урахуванням перерозподілу заряду при пружному деформуванні подвійного електричного шару, було отримано вираз для розрахунку РВЕ:

. (6)

Тут ; (Vn- i) і (Vnn - j) являють собою кількість зв'язків зовнішнього атома з найближчими і наступними сусідами відповідно; na і nb – число електронів, що приймають участь у зв'язку атома з найближчими і наступними сусідами; ra - атомний радіус даного елемента; R1, R2 – відстані до найближчих і наступних сусідів. Таким чином, задаючи значення розірваних зв'язків з найближчими сусідами i та наступними сусідами j, можна розрахувати РВЕ для різних кристалографічних площин за формулою (6). Експериментальна залежність РВЕ в області пружного деформування була отримана для полікристалічних зразків алюмінію чистотою 99,99 % на повітрі методом КРП. Із рис. 5 видно, що найбільш щільно упакована площина (111) дає найбільше зростання РВЕ. Розрахунок для міді дає аналогічні результати (при деформації 5 % збільшення РВЕ складає (78) меВ), що відповідає нашим експериментам і літературним даним.

З метою оцінки можливостей розробленої фізичної моделі був виконаний розрахунок залежності РВЕ від часу випробування на одномірне розтягування міді при трьох різних швидкостях деформування, рис.5. Розрахунок проведено з урахуванням кінетики формування ансамблів нанодефектів в процесі пластичного деформування. У програму обчислень була закладена часова осциляція концентрації нанодефектів.

Було виявлено, що падіння РВЕ при пластичному деформуванні в основному визначається формуванням поверхневих дефектів першого рангу [3]. Осцилюючий характер еволюції поверхневих дефектів і вихід на плато змін РВЕ, що експериментально спостерігається, при граничних пластичних деформаціях викликає необхідність врахування впливу дефектів 2, 3 і 4 рангів. Вплив останніх на РВЕ виявляється в компенсації приросту РВЕ, викликаного зменшенням кількості дефектів 1 рангу. Порівняння розрахункових значень із експериментальними даними показало гарну відповідність.

3. Дослідження структурних змін і зарядового рельєфу поверхні при втомі металевих матеріалів

Проведені виміри значень РВЕ в осьових напрямках зразків, що випробовувалися знакозмінними напруженнями по консольному типу. Дослідження процесу втоми дозволило вперше зробити висновок про існування двох основних стадій структурних змін в кристалічних ґратках поверхневого шару металів: початкова стадія зворотних структурних перебудов, коли величина РВЕ для даної точки поверхні періодично зменшується і збільшується, коливаючись поблизу деякого середнього значення; друга стадія незворотних структурних змін в поверхневому шарі, коли РВЕ в даній точці монотонно зменшується аж до руйнування зразка. Таким чином, на початкових стадіях впливу знакозмінних механічних напружень РВЕ осцилює поблизу деякого значення, що свідчить про зворотність до певного часу процесу накопичення дефектів кристалічної ґратки і про чергування процесів зміцнення - релаксації на цій стадії. В процесі циклічних деформацій на формування енергетичного рельєфу основний вплив має зміна структури металу. Розглядаючи тільки кристалографічні фактори, можна вважати, що до зменшення РВЕ приводить утворення на поверхні заряджених атомних сходинок. Відомо, що при циклічному навантаженні металів активізується вакансійний механізм деформування. Тому на початковій стадії ще можливе згладжування атомарної шорсткості за рахунок притоку вакансій з поверхні. Якщо джерелом цих вакансій будуть підвалини атомарних сходинок, то такий процес, у кінцевому рахунку, еквівалентний поверхневій дифузії. Це приводить до заповнення поверхневих впадин матеріалом поверхневих виступів. Тоді за зростання (відновлення значень) РВЕ в період обернених перебудов відповідає поверхнева дифузія, стимульована циклічними напруженнями.

РВЕ зменшується в тих областях, де прикладені найбільші механічні напруження. З ростом числа циклів виділяються дві характерні ділянки на кривих розподілу РВЕ по поверхні. Перша пов'язана із пластичним деформуванням матеріалу поверхневого шару в зоні максимальних напружень. Важливими особливостями цієї ділянки є локалізованість падіння РВЕ і насичення РВЕ при визначеному наробітку (при певної кількості циклів). Друга ділянка безпосередньо прилягає до першої і відповідає росту РВЕ.

Досліджено вплив проміжної відновлюючої термічної обробки на довговічність жароміцних сталей. Отримано, що проведення відбудовного відпуску після іспитів, що складають 20 - 30 % середньої довговічності, є перспективним способом, який дозволяє істотно збільшити довговічність.

Методом дифракційної електронної мікроскопії досліджені зразки зі сталі ЕП479 після випробуваня на богатоциклову втому при температурі 20 і 500 С. Структура стали ЕП479 після загартування і відпалу являє собою мартенсит, що складається з пакетів рівнобіжних пластин з високою густиною дислокацій. По границі та усередині первинних зерен аустеніту спостерігали виділення карбідної фази. Аналіз дифракційних картин і темнопольного зображення показав, що це частки типу МеC , розміром 0,2 - 0,5 мкм. Спостерігалася фрагментація мартенситних пластин. Виявлено, що під дією циклічного навантаження відбувається взаємодія дислокацій з утворенням субзернистої структури. Напружений стан поблизу границь збільшується скупченням дислокацій. Підгорнуті до границь дислокації створюють локальну концентрацію напруг, що може бути провісником утворення субмікротріщин. Перешкодою для переміщення дислокацій є частки фаз, які присутні у сталі. Якщо усередині зерна виділення цих часток відіграють позитивну роль - затримують рух дислокацій до границь, то виділення карбідної фази по границях зерен підсилюють напруженість границь, що сприяє появі субмікротріщин. Не тільки частки фаз перешкоджають переміщенню дислокацій, але й утворення субзеренної структури приводить до більш рівномірного розподілу дислокацій. Знайдено, що під дією циклічного навантаження спостерігається фрагментація мартенситних пластин у структурі сталей, взаємодія дислокацій, їх часткова анігіляція і утворення субзернистої структури. Більшій міцності втоми сталей відповідає відносно однорідна дрібна субструктура.

Якщо металевий зразок зазнає циклічних напружень, то, як відомо, відбувається генерування дислокацій. Цей процес починається при напруженнях, які перевищують певне граничне напруження τs:

, (7)

де μs - модуль зсуву; b - вектор Бюргерса; n - кількість дислокацій у скупченні; ρ0 - початкова густина дислокацій. Народжені дислокації під впливом зовнішніх змінних напружень рухаються в перетинаючих системах ковзання. Частина з них виходить на поверхню. У результаті виходу дислокацій на поверхню утворюються поверхневі сходинки. Ці сходинки несуть електричний заряд і, отже, утворюють електричні диполі. Внесок дислокаційних диполів приводить до зменшення РВЕ. Отримано наступне рівняння для зміни густини дислокацій в процесі випробувань матеріалу на втому:

(8)