PHASE FORMATION FEATURES AND Nb, Mo AND Ti INTERACTIONS WITH STEELS DURING PLASTIC DEFORMATION

Full Text

Импульсная сварка металлов и сплавов в конденсированном состоянии в последние годы находит всё более широкое применение в промышленности. Это связано, прежде всего, с сокращением длительности процессов обработки, и, следовательно, с существенным снижением энергетических затрат. Однако не менее важным является факт возрастания при этом скоростей взаимной диффузии атомов, который позволяет создавать «развитую» диффузионную зону [1-3]. Серьезное влияние на качество сварного соединения при указанном виде обработки оказывает формирование и изменение различных видов фаз в зоне контакта, в особенности твердых растворов и фаз внедрения [4, 5]. Цель исследования - улучшить качество сварных соединений на основе тугоплавких металлов. Задачи исследований - изучить особенности карбидообразования ниобия, молибдена и титана при взаимодействии их со сталью в условиях пластической деформации. Материалы и методы исследований. Процесс деформирования осуществлялся ударом падающего груза по двум образцам, предварительно нагретым до определенной температуры. Насыщение образцов, используемых в качестве источника углерода, проводилось в твердом карбюризаторе BaCO3, содержащем дополнительно радиоактивный углерод 14С, в течение 2 ч при температуре 1253 К. Приповерхностный слой образца толщиной порядка 10 мкм состоял из твердого раствора углерода в железе и карбида железа. Для «меченых» атомов металлов применялись гальванические покрытия, а также введение их в расплавленный металл. Проникновение атомов металлов в сталь и тугоплавкие металлы фиксировалось с помощью радиоактивных изотопов 44Ti, 55Fe, 95Nb, 63Ni. Чтобы исключить влияние исходного распределения углерода, а также его перераспределение при остывании на последующие процессы миграции под действием пластической деформации [6], эксперименты проводились на образцах, изготовленных из чистого металла, которые имели контакты с науглероженными образцами исключительно в момент деформации. Результаты исследований. Результаты проведенных экспериментов показали, что при взаимодействии малоуглеродистой стали Ст.3 с ниобием со скоростью деформации 250 с-1 в зоне контакта и на некотором расстоянии от нее образуются твердые растворы железа в ниобии, ниобия и углерода в железе, а также появляются карбиды ниобия Nb2C и в небольшом количестве NbС. Так как в ниобии до деформации углерод отсутствовал, то его источником являлся частичный распад цементита и твердого раствора углерода в железе, которые содержались в стали. Причем, «следы» твердого раствора углерода в ниобии фиксировались только в зоне контакта. Это позволило сделать вывод, что углерод, поступающий в ниобий, связывался в карбиды и практически не проникал внутрь металла. С помощью радиоактивных изотопов, находящихся перед деформацией на поверхности стали или введенных в сталь в плавке, были изучены особенности фазообразования при взаимодействии различных элементов с ниобием. Из анализа авторадиограмм (рис. 1) следует, что ниобий и углерод формировали карбиды одинаковой морфологии. При этом атомы железа частично создавали свои карбиды, а частично встраивались в карбиды ниобия. Для атомов никеля было характерно равномерное распределение в ниобии, по-видимому, в качестве твердого раствора замещения никеля в ниобии или сложного раствора железа, никеля и углерода в ниобии. По мере удаления от поверхности образца атомы углерода 14С практически не фиксировались, а атомы исследуемых металлов располагались равномерно по параллельной поверхности плоскости образца. Рис. 1. Типичные авторадиограммы распределения на поверхности ниобия: ниобия 95Nb (а), углерода 14C (б), железа 55Fe (в), х 3400 При взаимодействии стали марки Ст. 3, меченой по углероду, с молибденом при пластической деформации со скоростью 250 с-1, содержание углерода составило 1% от его содержания в карбиде молибдена. Количество углерода и железа, а также их распределение в молибдене существенно различалось. Железо находилось преимущественно в твердом растворе, хотя отмечалось присутствие и некоторой доли карбидов. По мере удаления от поверхности образца концентрация углерода резко уменьшалась, в то же время глубина проникновения железа распространялась далее на 10 мкм. Следует отметить, что в любых случаях проведения экспериментов, наличие атомов железа не оказывало влияние на взаимодействие молибдена с углеродом. Возможно, наблюдаемый эффект связан с различием в скоростях миграции атомов углерода и железа [7]. При изучении возникающих изменений фазового состава по глубине зоны массопереноса углерода и молибдена было установлено (рис. 2), что в диффузионной зоне имели место два максимума концентрации углерода. Один из них был связан с наличием в зоне контакта карбида молибдена, а другой был связан с карбидом железа и находился на некотором расстоянии, которое существенно зависело как от скорости, так и от температуры пластической деформации. Рис. 2. Перераспределение предварительно введенного углерода 14С (1) при взаимодействии железа с молибденом при 1373 К и 20 с-1 (2) Подобный результат имел место при взаимодействии стали марки Ст. 3 с титаном при пластической деформации со скоростью от 20 до 100 с-1. В зоне контакта малоуглеродистой стали и титана, которая содержала радиоактивный изотоп углерода 14С, возникал слой карбидов титана с ГЦК решеткой и нарушенной стехиометрией (рис. 3). Причем, как и в случае с молибденом, толщина слоя существенно зависела от температуры и скорости пластической деформации. С помощью рентгеноструктурного анализа было установлено, что указанные характеристики пластической деформации оказывали влияние также на содержание углерода в карбиде титана и твердом растворе титана, куда с большой скоростью вместе с углеродом мигрировали и атомы железа. Следовательно, в отличие от взаимодействия металлов, при котором наблюдалась их взаимная растворимость, атомы углерода формировали также фазы внедрения. Рис. 3. Микроструктуры неразъемного соединения сталь-титан, ×200 (а) и железо-титан, ×400 (б) В случае наличия прослойки между сталью и тугоплавким металлом в виде медной фольги толщиной 100 мкм проникновение углерода в металл не фиксировалось (рис. 4), карбиды формировались лишь в стали. Однако атомы железа регистрировались и в ниобии, и в молибдене, и в титане на глубинах до 100 мкм. При введении прослоек из железа или никеля в зону контакта между сталью и тугоплавким металлом наблюдалось замедление процесса проникновения углерода, а также уменьшение его концентрации в приповерхностных слоях молибдена и ниобия. Этот факт можно объяснить тем, что подвижность атомов углерода в металле прослойки в 4-9 раз меньше, чем у атомов железа. Рис. 4. Распределение изотопа 14С в стали и ниобии при помещении между ними медной прослойки до (а) и после (б) деформации (Т =1073 K; = 25 c-1) Следует отметить, что в зоне контакта прослойки с тугоплавким металлом карбиды не возникали, а в самой прослойке фиксировались пересыщенные твердые растворы углерода. Причем максимальная концентрация углерода в растворе соответствовала значению концентрации в приповерхностных слоях стали. Заключение. По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1) в процессе импульсной пластической деформации при сварке тугоплавких металлов со сталями за миллисекунды происходит частичный распад цементита стали и перераспределение углерода в твердом растворе; 2) в ходе импульсной пластической деформации, высвободившиеся из стали атомы углерода диффундируют в ниобий, молибден, титан и образуют карбиды металлов, которые имеют неправильную форму и отличаются своей морфологией; 3) твердые растворы углерода в металлах распределены равномерно в плоскости, параллельной поверхности, в то же время фазы внедрения располагаются вблизи межзеренных и межфазных границ, при этом концентрация растворенного углерода убывает с глубиной по экспоненциальному закону.

About the authors

T F Mironova

FSBEI HVE Samara SAA

Email: tmironova51@mail.ru
cand. of physical and mathematical sciences, associate prof. of the department «Physicist» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

T V Mironova

FSBEI HVE Samara SAA

Email: mirt_777@mail.ru
cand. of physical and mathematical sciences, associate prof. of the department «Physicist» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

References

Supplementary files