Исследование свойств наномодифицированных материалов

Неравновесность границ зерен вызывает возникновение высоких напряжений и искажения кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери дальнего порядка [33].

Результатом является значительное повышение микротвердости.

а) б)

Рисунок 11 - а)- Атомная модель наноструктурного материала (черным обозначены атомы зернограничной области у которых смещение превышает 10 % от межатомных расстояний) [32]; б) - Границы зерна в наноструктурной меди (просвечивающая электронная микроскопия, значками отмечены внесенные зернограничные дислокации) [33].

Важным фактором, действующим в наноматериалах является также склонность к появлению кластеров. Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, и наличие сил притяжения между ними, которые для наноматериалов больше по сравнению с традиционными материалами (рис.3.4), часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур на подложке. Этот эффект уже используют для создания упорядоченных наноструктур для оптики и электроники [11, 34-36].

Еще одну причину специфики свойств наноматериалов связывают с тем, что при процессах переноса (диффузия, пластическая деформация и т.п.) имеет место некоторая эффективная длина свободного пробега носителей этого переноса Le. [4]. При характерных размерах области протекания процессов переноса много больших Le. рассеяние носителей выражено незначительно, но при размерах меньших Le перенос начинает зависеть от размеров и формы весьма значительно. В случае наноматериалов в качестве Le. могут выступать, например, диффузионная длина и длина свободного пробега дислокаций.

Для материалов с размерами кристаллитов в нижнем нанодиапазоне D < 10 нм ряд ученых указывает на возможность проявления квантовых размерных эффектов [4,11]. Такой размер кристаллитов становится соизмеримым с длиной дебройлевской волны для электрона B (meE)-1/2 (me - эффективная масса электрона, E - энергия Ферми). Для металлов B0,1…1 нм, а для ряда полупроводников, полуметаллов и тугоплавких соединений переходных металлов B10…100 нм [11]. Для любой частицы с малой энергией (скорость v << скорости света c) длина волны Де Бройля определяется как B =h/mv, где m и v - масса и скорость частицы, а h - постоянная Планка [37]. Квантовые эффекты будут выражаться в частности в виде осциллирующего изменения электрических свойств, например проводимости.

В качестве наглядного примера можно указать некоторые области применения (или иначе «коммерциализации») наноматериалов по печатным материалам последних лет. Естественно, что данный обзор областей применения наноматериалов ни в коей мере не является цельным, однако он может дать нужное представление о перспективах использования наноматериалов.

Конструкционные материалы:

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна [6-8,38-40]. Поэтому основное направление их использование в настоящее время - это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза а пластичность - либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni3Al возрастает в 4 раза [8,33]. Композиты армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов [8].

Инструментальные материалы:

Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием [8]. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков [8].

Сварочное производство:

Благодаря применению новых технологий электрошлаковой, лазерной, диффузионной сварки появилась возможность успешно соединять материалы с особыми свойствами.

Более подробно рассмотрим применение наноструктур в сварочном производстве в пункте 3.2.

Ограничения в использовании наноматериалов:

Оказалось, что материалы с наноразмерным зерном отличаются хрупкостью. В ряде случаев, в т.ч. при использовании методов интенсивной пластической деформации, удается снизить проявление этого неприятного эффекта, например для нанокристаллических меди, титана и титановых сплавов, интерметаллида Ni3Al [8,33]. Тем не менее проблема остается достаточно актуальной. Важным ограничением для использования наноструктурных конструкционных материалов является их склонность к межкристаллитной коррозии из-за очень большой объемной доли границ зерен. В связи с этим они не могут быть рекомендованы для работы в условиях способствующих такой коррозии (диффузия с поверхности элементов внедрения и элементов диффундирующих по границам зерна, высокие температуры в сочетании с коррозионными воздействиями, радиация, состав сплава, склонный к изменениям химического состава по границам зерен и т.д.). Другим важным ограничением является нестабильность структуры наноматериалов, а следовательно, нестабильность их физико-химических и физико-механических свойств. Так при термических, радиационных, деформационных и т.п. воздействиях неизбежны рекристаллизационные, релаксационные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, а также явления распада, фазовых превращений, спекания и заплывания нанопор и нанокапилляров, аморфизации или кристаллизации [11]. Например, углеродных нановолокон, предназначенных для передачи жидкости, могут повреждаться под действием вибраций и возбуждаемой потоком жидкости структурной неустойчивости углерода [55]. При формовании изделий из нанопорошков достаточно остро встает также проблема комкования (слипания наночастиц) в агломераты, что может осложнить получение материалов с заданной структурой и распределением компонентов.

3.2 Применение наноструктур в сварке

Инженерами рассмотрено применение наноматериалов и высокотемпературной обработки никельхромовых сплавов при электрошлаковом литье и электрошлаковой сварке. При этом возможно управление микро- и макроструктурой жаропрочных никельхромовых сплавов и их физико-механическими свойствами за счет введения в расплав наночастиц карбонитрида титана в виде нанокри- сталлов, которые в свою очередь служат центрами кристаллизации.

Нанопорошки применяют также при лазерной сварке. В настоящее время это один из способов сварки, где нанопорошки находят все большее применение.

Разработана технология лазерной сварки с применением нанопорошка, позволяющая получать сварной шов с существенно улучшенными прочностными свойствами. Особенность новой технологии -- введение в сварной шов порошка тугоплавкого соединения (например карбида или нитрида титана) с наноразмерными частицами. Это позволяет управлять процессом кристаллизации металла при сварке. Введение нанопорошка в сварной шов изменяет процесс зародышеобразования, которое происходит на нано- размерных частицах на границе контакта трех фаз (наночастица--зародыш--расплав) и резко изменяет строение и размер (морфологию и дисперсность) растущего зерна. Структура шва вместо игольчато-дендритной становится квазиравноосной и мелкодисперсной. Уменьшается размер неметаллических включений, соответственно повышаются механические свойства (прочность и пластичность) металла шва, возрастает в несколько раз относительное удлинение, увеличиваются предел прочности и предел текучести.

Приведены результаты исследования процесса лазерной сварки с применением нанопорошковых инокуляторов. В качестве последних использовали тугоплавкие соединения TiN, TiC, Y203, а также их композиции, плакированные хромом. Подготовленную композицию наносили в виде суспензии на поверхность свариваемых пластин. Применение наномодификаторов позволяет повысить скорость сварки при той же мощности луча за счет увеличения коэффициента поглощения интенсивности лазерного излучения. При этом уменьшается ширина сварного шва, ЗТВ, улучшается качество соединения, измельчается структура металла сварного шва, существенно возрастают его механические характеристики. В работе [8] исследовали лазерную сварку стали с титановым сплавом. Для проведения экспериментов использовали коррозионно-стойкую сталь и титановый сплав с промежуточными вставками. Наиболее эффективной оказалась вставка на основе меди М1. При этом сварное соединение с медной вставкой обладает высокой прочностью.

Помимо сварки плавлением наноструктурируемые материалы применяют при сварке давлением. Например, в работе [9] описывается применение наноструктурных материалов при диффузионной сварке жаропрочных никелевых сплавов. Для сохранения в сварном соединении структурной и кристаллографической ориентации исходного материала рассмотрена возможность использования в качестве промежуточного слоя при диффузионной сварке отмеченных сплавов пленок из никель-алюминиевого сплава с различным структурным состоянием: наноструктурные кристаллические монолиты интерметаллидов Ni3AI и NiAI3, полученные методом сверхбыстрой кристаллизации и осаждением из паровой фазы, а также многослойные пленки, состоящие из отдельных слоев никеля и алюминия. Установлено, что использование в качестве промежуточного слоя пленок в наноструктурном состоянии позволяет активизировать процесс диффузионной сварки никелевых сплавов.

Температуру процесса соединения в твердой фазе можно снизить, если в качестве присадок применить быстрокристаллизующиеся аморфизированные гомогенные ленты или композиционные тонкопленочные материалы с нанослойной структурой. В таких материалах вследствие неравновесного состояния тонкой структуры имеет место существенное снижение температуры, при которой интенсивно протекают диффузионные процессы. В качестве присадок разработаны и используются многослойные наноструктурные пленки, которые состоят из многослойных композиций различных металлических элементов (Ti/AI, Ni/AI, Cu/AI). Эти пленки характеризуются высокими значениями сопротивления пластической деформации и упругого восстановления, а также целым рядом важных эксплуатационных характеристик: высокой твердостью, жаростойкостью, износо- и коррозионной стойкостью, устойчивостью против ударных воздействий, высокими значениями электросопротивления. Например, замена прослойки обычного алюминия (базовый вариант) на фольгу из нанослойных конденсатов позволяет снизить температуру сварки композита на 80--100 °С, обеспечить качественное формирование неразъемного соединения при меньшем сварочном давлении.

Особенности контактной сварки алюминидов титана с использованием нанослойных алюминиево-титановых, алюминиево-никелевых и алюминиево-медных фольг рассмотрены в работах [10, 11]. Исследовали диффузионную, электронно-лучевую и контактную сварку без использования наноструктурных фольг. Соединения, полученные данными способами, имели слабые прочностные характеристики и наличие трещин в шве и ЗТВ. В отличие от этих видов контактная сварка с применением нано- структурных фольг является перспективным способом соединения тугоплавких материалов. В экспериментах использовали сплав Ti--47А--1,5Cr--2Nb. При контактной сварке с использованием нано- структурных фольг наблюдается интенсивное выделение теплоты в стыке, что уменьшает время сварки, уменьшение грата и ЗТВ, температуры сварки, соединение имеет стабильную макроструктуру. Лучшие результаты достигнуты при использовании фольги толщиной 60--100 мкм, при использовании фольги толщиной более 150 мкм необходимо применить более жесткие режимы сварки [10, 11].

Получены неразъемные соединения сплавов на основе TiAl с использованием нанослойной прослойки диффузионной сваркой в вакууме. Применение традиционных способов сварки, основанных на плавлении материала в зоне сварки, показало, что качество соединения зависит от режима сварки. При отклонении режима от оптимального в ЗТВ возникают напряжения, что приводит к образованию трещин. Перспективным представляется применение диффузионной сварки в вакууме. Исследовали сплав Ti--48AI с добавками ниобия и марганца. Соединение, полученное диффузионной сваркой без нано- прослойки, имеет хрупкую прослойку, что снижает прочность, а соединение с нанопрослойкой (Ti/AI толщиной 20 мкм) имеет структуру, подобную основному металлу. Отсутствие пор и трещин в зоне шва и ЗТВ свидетельствует о высоком качестве сварного соединения.

Нанопорошки используют также при наплавке, примером тому служит индукционная наплавка. В исходную шихту добавляли нанодисперсные порошки и изучали их влияние на твердость наплавленного слоя. В качестве таких порошков применяли карбид титана и феррохром. Применение нанодисперсных порошков карбида титана, а также наплавка на сталь покрытий из шихты с добавлением феррохрома позволили получить твердость покрытий 61--62 и 65--66 HRC соответственно, т. е. достаточно высокую. Например, при поверхностной обработке износостойкого чугуна ИЧХ28Н2 с помощью С02-лазе ра с модифицированной добавкой (TiN + Сг) и скорости перемещения луча 2 м/мин происходило проплавление поверхности образца на 3,2 мм с образованием упрочненного поверхностного слоя микротвердостью 9,5 ГПа. Это более чем в 1,8 раз выше микротвердости необработанного участка того же образца.

4. Модифицирование сплавов с нанокристаллической решеткой

Мы уже убедились в положительных свойствах наноматериаллов. Теперь рассмотрим некоторые случаи их модифицирования (введение в расплавленные металлы и сплавы модификаторов, небольшие количества которых резко влияют на кристаллизацию, например вызывают формирование структурных составляющих в округлой или измельченной форме и способствуют их равномерному распределению в основной фазе) в сплавы.

4.1 Модифицирование структуры наплавленного металла

нанодисперсными карбидами вольфрама

Сварные швы, как и износостойкий наплавленный металл, имеют крупнозернистую структуру литых сплавов, что в процессе жесткого термодеформационного цикла сварки способствует образованию горячих и холодных трещин, а также вызывают снижение ударной вязкости металла, особенно при работе сварных конструкций в условиях циклического нагружения и отрицательных температур. Известные металлургические и технологические приемы измельчения структуры дают возможность повысить сварочно-технологические свойства швов. Измельчение структурных составляющих наплавленного металла может быть достигнуто, например, введением в сварочные материалы или непосредственно в сварочную ванну большого (20 масс.%) количества макро- и микрочастиц тугоплавких соединений, однако такой способ диспергирования структуры влияет на прочность, пластичность, твердость, износостойкость и другие свойства металла [1-3].

Введение в расплав стали нанодисперсных металлических и неметаллических порошков, свойства которых существенно отличаются от свойств макро- и микропорошков того же химического состава, способствует модифицированию металла и вызывает перераспределение вредных примесей между границами и объемом зерен. Размер зерен при этом уменьшается, что приводит к повышению пределов текучести и прочности, увеличению пластичности и деформируемости стали, а также к снижению коэффициента трения [4,5].

В сварочных процессах температура в зоне действия источника тепла превышает температуру плавления многих тугоплавких нанодисперсных соединений, что вызывает их диссоциацию и последующее растворение продуктов в расплаве сварочной ванны. В связи с этим, при исследовании влияния нанодисперсных добавок на свойства металлов особое внимание уделялось монокарбиду WC, обладающему превосходной термической стабильностью, высоким значением модуля упругости и более низким по сравнению с карбидами других металлов коэффициентом термического расширения [6-11]. Нестехиометрический карбид WCj с кубической кристаллической решеткой также обеспечивает стабильность карбидной фазы и тонкозернистую структуру металла, способствует повышению его твердости и износостойкости [6,7].

Исследовано влияние добавок небольшого (до 0,2 масс.%) количества нанодисперсного порошка карбида WC на структуру наплавленного металла.

В качестве нанодисперсного компонента использовали порошок карбида вольфрама WC, полученный по разработанной в ИМЕТ РАН плазмо- химической технологии при восстановлении три- оксида вольфрама в потоке водородсодержащей плазмы электродугового плазмотрона [12,13] с получением наноразмерной многокомпонентной композиции системы W-C и ее последующей термохимической обработкой [14,15]. Порошок имеет удельную поверхность 7 м2/г и состоит из частиц монокарбида вольфрама WC размером менее 0,1 мкм.

Материалом, транспортирующим нанодисперсный порошок, служил порошок никеля (99,9% Ni) с размером частиц 50-80 мкм, в который при совместной обработке в планетарной мельнице внедряли карбид вольфрама. В результате получали никелевые гранулы, в которых содержалось около 30 масс.% нанокарбидов.

Никелекарбидные гранулы вводили в порошковую проволоку, оболочку которой изготавливали из никеля марки НП-2. Смесь таких гранул со связующим калий-натриевым жидким стеклом наносили тонким слоем на покрытия электродов рутилового типа марки ОК 43.32, предназначенные для сварки низкоуглеродистых сталей (ESAB Group Ltd, UK), и основного типа UTP 67S, использующиеся для наплавки износостойкого сплава (UTP Sweissmaterial GmbH). Использование этих электродов обеспечивают получение наплавленного металла на основе железа с содержанием примесей (масс.%): С--0,07; Si--0,4; Mn--0,5 и С -- 0,5; Cr -- 9,0; Si-- 3,0; Mn -- 0,5, остальное -- примеси. Также наносили покрытие, содержащее никелекарбидные гранулы на поверхность стержней диаметром 2 мм, изготовленных из проволоки марки Св-06Х19Н9Т. Экспериментальные наплавки производились на подложки из стали 20.

Исследовались процессы дуговой наплавки электродом с покрытием с формированием однослойного валика, дуговой наплавки в гелии неплавящимся электродом с подачей порошковой проволоки и стержней с покрытием в низкотемпературную часть сварочной ванны, а также электрошлаковой наплавки с использованием флюса АНФ-6 и экспериментальной порошковой проволоки, которую применяли в виде плавящегося электрода или в качестве присадочного электронейтрального материала.

Структуру, морфологию и элементный состав наплавленного металла и неметаллических включений изучали с помощью оптической (цифровой микроскоп Axiovert 40 MAT) и растровой электронной микроскопии (JEOL JSM 6700F с приставкой для энергодисперсионного спектрометрического анализа) и сканирующего зондового микроскопа Solver Pro. Содержание и распределение легирующих элементов в структурных составляющих определяли при сканировании шлифов в локальном (1-3 мкм3) поверхностном объеме металла на глубине до 2 мкм с получением изображений во вторичных электронах. Металлографические исследования проводили на шлифах, вырезанных в продольных и поперечных направлениях.

Наплавленный металл, полученный электрошлаковой наплавкой электродной и присадочной проволокой, характеризуется крупнозернистой структурой у никелевого твердого раствора, в котором равномерно распределены оплавившиеся никелевые гранулы с размером 30-50 мкм (рис.12а). В твердом растворе имеются многочисленные дисперсные (1-2 мкм) выделения вторичных карбидов WC и W2C, а также небольшое количество карбидной эвтектики WC+W2C по границам зерен (рис.12б). Такая морфология карбидных выделений способствует формированию композитной структуры металла.

Рисунок 12 - Исходная структура металла, наплавленного ЭШН порошковой проволокой (а) -- х200, б )-- х1000) и той же проволокой, но с шихтой, содержащей нанокарбиды вольфрама (в )-- х200, г) -- х1000).

Структура металла, наплавленного покрытыми электродами марки ОК 43.32, в исходном состоянии представляет собой феррито-перлитную смесь (рис.13). Введение никеля и нанокарбидов вольфрама приводит к трансформации структуры металла в модифицированный субдисперсный твердый раствор на основе a-Fe с остаточным аустенитом, расположенным по границам зерен. Количество неметаллических включений, которые прежде имели произвольные очертания и были неравномерно распре- деленыв металле ,сократилось на 15-20%. Оставшиеся включения распределены более равномерно и имеют глобулярную форму .Такая структура металла должна способствовать повышению его пластических свойств в условиях отрицательных температур и циклического нагружения.

а) б) в)

Рисунок 13 - Исходная структура металла, наплавленного электродом ОК 43.32 (а), x1000) и тем же электродом с покрытием, содержащим нанокарбиды (б )-- х200, в) -- х1000).

Вольфрам, как и никель, распределены в металле достаточно равномерно (рис.14а). При сканировании поверхности шлифа с помощью зондового микроскопа выявлено плотное расположение наночастиц карбидов вольфрама в металле . Расстояние между ними составляет ~50-80 нм. Однако зондирование металла в локальных (1-2 мкм) поверхностных микрообъемах выявило некоторую неоднородность в распределении вольфрама и никеля (рис.14б). Такой характер гетерогенного распределения основных легирующих элементов можно объяснить большой химической и физической неоднородностью исходных гранул никеля, содержащих различное количество нанокарбидов, химический состав которых также различен. Изменение структуры и химического состава металла привело к увеличению его твердости на 23-25% , однако износостойкость в условиях изнашивания абразивом не изменилась, что, вероятно связано с наличием аустенита в структуре сплава.

а) б)

Рисунок 14 -. Распределение никеля и вольфрама, а)- в объеме и б)- в поверхностных слоях наплавленного металла; в -- участок поверхности 600x400 нм наплавленного металла на основе никеля, содержащего нанокарбиды вольфрама, наплавка электродом ОК 43.32.

В результате исследования металла, наплавленного электродом UTP 67S с легирующим покрытием, установлено, что существенных изменений его структуры и твердости не произошло(рис4.), что можно объяснить особенностями процессов диффузии углерода, протекающих в металле при наличии в нем наночастиц карбидов.

а) б)

Рисунок 15 -. Структура металла, наплавленного электродом UTP 67S, а)- в исходном состоянии и б)- с введенными в его покрытие нанокарбидами вольфрама, x1000.

Выводы: Наиболее эффективным способом введения нанодисперсных карбидов вольфрама в расплав сварочной ванны является размещение карбидов в тонком поверхностном слое покрытия сварочных электродов.

Установлено, что в процессе сварки низкоуглеродистыми электродами с рутиловым типом покрытия, нанодисперсные карбиды вольфрама, минуя высокотемпературную (до 8000°С) область реакционной зоны и не растворяясь в расплаве сварочной ванны, переходят в наплавленный металл, что приводит к его модифицированию.

Для более эффективного воздействия в процессе сварки и наплавки на структуру и свойства наплавленного металла представляет интерес использование нанопорошков различных тугоплавких соединений, а также микропорошков никеля, железа и других металлов с регламентированным содержанием наночастиц тугоплавких химических соединений.

4.2 Влияние модифицирования металла шва на сопротивляемость

замедленному разрушению сварных соединений высокопрочных

сталей

Одной из главных проблем, возникающих при сварке высокопрочных сталей, является опасность образования холодных трещин в металле ЗТВ сварных соединений (отколов). Современные представления о механизме зарождения и развития отколов позволяют рассматривать их образование как проявление процесса хрупкого разрушения, связанного с развитием межзеренного проскальзывания и внутризеренного сдвигообразования и контролируемого накоплением повреждаемости во времени по границам зерен, протекающем в условиях сложнонапряженного состояния в соответствии с видоизмененной моделью Зинера-Стро.

Основной причиной образования холодных трещин является повышение сопротивления металла околошовной зоны пластическим деформациям [4]. При этом в месте остановки полосы скольжения образуются так называемые зоны пред- разрушения -- скопления дислокаций, у вершины которых возникает зона локальных растягивающих напряжений, что и создает условия для зарождения разрушения в головной части скопления [5].

Одним из перспективных путей борьбы с образованием таких трещин может служить введение в низколегированный наплавленный металл элементов, образующих устойчивые выделения модифицирующей фазы (в частности, нитридной) в сочетании с поверхностно-активными элементами.

Целью настоящей работы являлось изучение влияния характера модифицирования на сопротивляемость отколам.

Исследовали сварные соединения с низколегированными швами типа 10ХГНМ, выполненные на термически упрочненной стали мартенситного класса ЗЗХСН2МА, весьма чувствительной к образованию трещин в металле ЗТВ. Сварку проводили опытными электродами с основным покрытием. В качестве модифицирующих добавок в наплавленный металл вводили титан, алюминий, бор, церий, кальций, ванадий и азот.

Определение механических свойств наплавленного металла выполняли в соответствии с требованиями ГОСТ 6996-66. Для испытаний на статическое кратковременное растяжение использовали образцы, вырезанные в продольном направлении из металла швов стыковых соединений толщиной 15 мм с V-образной разделкой кромок. Для испытания ударной вязкости использовали образцы, вырезанные поперек соединения, надрез выполняли по металлу шва.

Стойкость каждого варианта против холодных /трещин оценивали по результатам сварки не менее 2...3 проб Теккен. Сварку всех вариантов проб выполняли электродами диаметром 4 мм на режиме 1СВ = 160... 180 A, U;i = 22... 24 В. При этом фиксировали только трещины в металле ЗТВ и трещины смешанного типа, проходящие частично по шву. В случае получения удовлетворительной стойкости против трещин по какому-либо варианту оценивали стабильность результатов при повторных испытаниях электродов данного варианта.

Анализ полученных результатов показывает, что за счет оптимального сочетания поверхностно-активных модифицирующих добавок удается достичь вполне удовлетворительной, но недостаточно стабильной стойкости против трещин при достаточно высокой прочности метала шва.

Напротив, повышение содержания активных фазообразующих элементов (например, бора,титана,алюминия) ведет к существенному снижению стойкости против трещин-отколов.

а) б)

Рисунок 16. Микроструктура наплавленного металла, примыкающего к зоне сплавления, Х6000: а) -- с металлом шва 10ХГНМАФЧ;б)- с металлом шва 10ГНМТРЮЧ.

Полученные результаты дают основание говорить о возможности влияния модифицирования наплавленного металла на стойкость сварного соединения против образования трещин-отколов.

Выявлена заметная роль неметаллических включений в механизме образования холодных трещин на участке зоны сплавления. Металлографические исследования последней с помощью оптической и электронной микроскопии показывают, что при оптимальном модифицировании преобладают равномерно распределенные глобулярные включения. Включения располагаются в основном в теле зерна, причем наблюдается увеличение количества мелких включений (рис. 16, а). Последнее следует также из подсчета количества включений с распределением по размерам, проведенного с помощью количественного телевизионного микроскопа «Кван-тимет-720». В случае отклонения от оптимального модифицирования характер распределения включений изменяется -- заметные скопления наблюдаются по границам зерен, включения укрупняются (рис. 16, б). Последние являются, очевидно, комплексными соединениями модифицирующих добавок с кислородом, азотом, углеродом и серой. Как известно, при достаточно высокой концентрации напряжений включения могут являться очагами зернограничного проскальзывания [2], способствующего образованию зародышей холодных трещин в условиях сварочного термодеформационного цикла. Холодные трещины могут зарождаться и от горячих микронадрывов, проходящих по скоплениям включений неблагоприятной формы (рис. 17), выделяющихся из маточного раствора в процессе кристаллизации в зоне контакта жидкого и твердого металла.

Рисунок 17. Микроструктура металла в зоне сплавления стали ЗЗХСН2МА с низколегированным швом с микротрещинами, Х1500

Таким образом, полученные результаты исследований свидетельствуют о существенном влиянии модифицирования наплавленного металла на стойкость сварных соединений закаливающихся сталей с низколегированными швами против образования холодных околошовных трещин. Это позволяет реализовать найденный способ повышения сопротивляемости отколам при разработке сварочных материалов для сварки высокопрочных сталей.

4.3 Влияние нанодисперсных порошков на свойства соединения при

сварке углеродистой стали со2 - лазером

В последние годы большой интерес к ультра - и нанодисперсным тугоплавким материалам обусловлен возможностью применения их после соответствующей обработки в качестве модифицирующих добавок для повышения качества стали и сплавов.

Введение специально подготовленного нанодисперсного порошка в расплав формирует дисперсную систему, в которой ядром каждой частицы суспензии служит твердая фаза, гетерогенизирующая жидкий металл по химическому составу, вызывая концентрационное переохлаждение в объеме адсорбированного на поверхности наночастиц слоя. В результате этого каждая наночастица становится потенциальной затравкой для зарождения новой фазы (кристалла, интерметаллического или химического соединений и др.). Благодаря этому в расплаве в процессе его охлаждения формируется мелкодисперсная глобулярная структура.

Исходя из теоретического анализа, а также результатов предыдущих опытных сварок с применением нанопорошковых инокуляторов (НПИ) [1], в качестве модифицирующих соединений были выбраны:

1. Нитрид титана (TiN), оксид иттрия (Y2O3), полученные методом плазмохимического синтеза, в матрице из металлического хрома (уже опробованной ранее). Процесс плакирования осуществляли в центробежной планетарной мельнице при соотношении металл - тугоплавкая частица равным 1:2.

2. Карбонитрид (TCxNy) титана, синтезированный методом СВС в матрице из углеродистой стали. Таким способом была получена порошковая композиция TCxNy в плакирующей матрице из ? - железа при их соотношении 1:1.

Исследовалось влияние нанодисперсного порошка TiC0,5N0,5 +Cr на качество сварных соединений из листовой стали Ст.20, полученных методом СО2 - лазерной сварки. Толщина свариваемых пластин составляла 3 мм. Порошок TiC0,5N0,5 +Cr в виде суспензии наносился предварительно на поверхность кромок свариваемых пластин. Сварка осуществлялась в атмосфере гелия. Заготовки соединялись встык. Мощность СО2 - лазерного излучения составляла 3,05 кВт, скорость сварки 1,7 м/мин.

Структуру подготовленных после сварки шлифов исследовали оптическом микроскопе NEOPHON и на электронном микроскопе TESCAN. На рис.8 и 9 представлены фотографии морфологии и микроструктуры шва соответственно, полученного без инокулирующей добавки и с добавкой НПИ TiC0,5N0,5 + Fe. Применение наноинокулятора позволило изменить морфологию сварного шва измельчить литую структуру материала шва и получить мелкодисперсную микроструктуру феррито-перлитной смеси (троостита).

Для оценки качества сварных соединений были выполнены металлографические и фрактографические исследования образцов, модифицированных НПИ TiC0,5N0,5 + Cu. Проведены измерения микротвердости шва и прилегающей зоны термического влияния (далее ЗТВ), осуществлены испытания на статическое растяжение и трехточечный ударный изгиб с V-образным концентратором, нанесенным по сварному шву.

Первичное аустенитное зерно сварных швов имеет характерное для литого сплава строение: в центральной части сформированы мелкие равноосные зерна, а ближе к ЗТВ - вытянутые вдоль направления тепллотвода (длина зерн достигает 600 мкм). При добавлении инокулятора, длина вытянутых зерен кристаллов уменьшается до 300-400 мкм (рисунки 10,11).

а) б)

Рисунок 18.- Морфология сварного шва: а) - без НПИ, б) - с НПИ TiC0,5N0,5 + Fe

а) б)

Рисунок 19.- Микроструктура сварного шва: а) - без НПИ;

б) - с НПИ TiC0,5N0,5 + Fe

Измерение микротвердости сварного шва и ЗТВ показало заметное сглаживание скачков микротвердости, наблюдаемых при лазерной сварке без НПИ (рис. 11), что, очевидно, также связано с измельчением микроструктуры и повышением её однородности при добавлении инокулятора.

В 1,5 раз увеличилось относительное удлинение образцов при незначительном (3-4 %) повышении предела прочности (рис. 12, а). При испытании сварных соединений на трехточечный ударный изгиб, инокулированные сварные швы показали более низкие значения работы разрушения (рис. 12,б). Данный факт, вероятнее всего, вызван наличием пор в инокулированном сварном шве, имеющем размеры пор 200-300 мкм (рис.13). В сварном шве, полученном без применения инокуляторов, подобных пор не обнаружено.

а) б)

Рисунок 20 - Структура шва после лазерной сварки, а) - без применения инокулятора; б) - с применением инокулятора TiC0,5N0,5 + Сu

Рисунок 21. Микротвердость сварных швов без инокулятора и с добавлением порошка TiCN +Cu.

Рисунок 23. Наличие пор в инокулированном сварном шве

Среднее значение микротвердости основного металла составляет 260 HV. Модифицирование нанопорошком TiN вызывает повышение твердости сварного шва в центральной области шва в среднем с 560 до 580 HV. После модифицирования нанопорошком Y2O3 среднее значение микротвердости понижается до 517 HV. После комплексного модифицирования смесью Y2O3 и TiNi значение микротвердости составило 530 HV. Следовательно, меняя химический состав инокулятора можно воздействовать на пластические свойства металла в сварном соединении в нужном направлении.

наноструктура материал модифицирование

Заключение

Нанокристаллические металлы и сплавы являются одним из наиболее перспективных типов новых конструкционных материалов за счёт своих уникальных физических свойств и механических характеристик. Однако ещё не все свойства наноматериалов достаточно хорошо изучены, в частности, ещё практически ничего не известно о свариваемости таких материалов. И хотя к настоящему времени уже был проведён ряд экспериментов по сварке наноматериалов, пока всё же не удалось однозначно определить их свариваемость и разработать технологию сварки. Существует множество различных методов получения нанострукур в металлах и сплавах. Этими методами получают порошки из наночастиц, металлические ленты и фольги, а также массивные нанокристаллические материалы, которые представляют особый интерес для науки и промышленности, поскольку являются наиболее удобными в плане изучения их свойств и производства из них каких-либо изделий. Массивные образцы с наноструктурой изготавливают в основном методами консолидирования (компактования) из нанопорошков, управляемой рекристаллизации из аморфных сплавов или интенсивной пластической деформации образцов с крупнокристаллической структурой.

Размещено на Allbest.ru