ROLE OF PREVAILING PHASE IN FORMATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF ALLOYS OF COMPLEX CHEMICAL COMPOSITION

Баранов М.А.¹, Щербаков В.М.²

¹Доктор физико-математических наук, профессор, Алтайский государственный технический университет; ² старший преподаватель, Алтайский государственный технический университет;

РОЛЬ ПРЕВАЛИРУЮЩЕЙ ФАЗЫ В ФОРМИРОВАНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ СЛОЖНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

Аннотация                                                                                                                                                                                                           С целью повышения эффективности прогнозирования показателей механических свойств (ПМС) сплавов сложного химического состава разработан метод, основанный на сопоставлении имеющихся экспериментальных данных о ПМС с вычисляемыми параметрами состояния их наиболее податливой, связующей и превалирующей фазы. Применение метода перспективно для предвидения свойств металлических покрытий, получаемых ионной имплантацией, напылением, наплавкой.

Ключевые слова: механические свойства, корреляция, химический состав.

Baranov M. A.¹, Shcherbakov V, M.²

¹PhD in Physics and mathematics, professor, the Altay State Technical University; ² senior teacher, the Altay State Technical

University;

ROLE OF PREVAILING PHASE IN FORMATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF ALLOYS OF COMPLEX CHEMICAL COMPOSITION

Abstract                                                                                                                                                                                                        With the purpose of increasing of forecasting efficienсy of mechanical properties indicators (MPI) of alloys of complex chemical composition the method based on comparison of available experimental data about MPI with calculating state parameters of their most soft, binding and prevailing phase is worked out. Application of the method is perspective for prevision of properties of the metal coverings received by ionic implantation, deposition, fusion.

Key words: mechanical properties, correlation, chemical composition.

Понимая механические свойства (МС) материала как его отклик в виде пластической деформации на внешние механические воздействия, легко прийти к выводу, что показатели механических свойств (ПМС) невозможно измерить при испытаниях, допускающих лишь упругие деформации. Эти показатели не поддаются и прямому вычислению методом, например, атомно- дискретного моделирования. Однако применение этих методов для определения величин, коррелирующих с ПМС, вполне возможно и оказывается весьма эффективным инструментом создания материалов с заданным набором свойств. Очевидно, что при приложении нагрузки к материалу пластическая деформация реализуется в его «самом слабом звене»– фазе, наиболее склонной к пластической деформации. Как правило, такая фаза представлена плотноупакованной кристаллической решёткой с большим числом систем скольжения. В большинстве промышленно выпускаемых сталей и сплавов это α или γ фаза – многокомпонентный неупорядоченный твёрдый раствор на основе ОЦК или ГЦК решётки. Именно она связывает в единый конгломерат более твёрдые составляющие материала – карбиды, нитриды, бориды, интерметаллиды. Высокая податливость, связующая функция, а зачастую и превалирующая доля этой фазы позволяют рассматривать её в качестве основной. Упрочнению основной фазы (ОФ) неупорядоченных сплавов и сталей способствует не только наклёп, ультрадисперсные включения и границы зёрен, но и такой специфический фактор как искажения решётки, обусловленные несимметричным локальным окружением каждого из атомов. Важнейшим свойством подобного рода искажений является то, что они не исчезают при нагреве ОФ вплоть до температуры её распада. Под микросостоянием ОФ понималось равновесное взаиморасположение атомов различных сортов. Оно воссоздавалось методом атомно-дискретного моделирования [1, 2] исходя из химического состава ОФ, который, в свою очередь, определялся составом сплава и режимом термообработки. В качестве макроскопических параметров состояния ОФ рассматривалась величина энергии связи Е_св в расчёте на атом и среднее смещение атомов S_m относительно узлов геометрически правильной решётки. Эти параметры определялись в процессе усреднения микросостояния. Поскольку ПМС правомерно рассматривать в качестве параметров состояния материала в целом то между ними и параметрами состояния ОФ должна существовать хотя бы корреляционная взаимосвязь. Данное утверждение принималось в качестве рабочей гипотезы. Для её проверки нами были воссозданы микросостояния γ фазы 26 промышленно выпускаемых конструкционных и инструментальных сталей и сплавов аустенитного класса [3] после закалки. Последнее обстоятельство позволило считать химический состав ОФ эквивалентным составу сплава, который, в свою очередь, мог содержать до 18 элементов. Проекция одного из микросостояний приведена на рисунке 1, где векторы смещений атомов относительно узлов идеальной решётки для наглядности увеличены в 25 раз. ПМС аппроксимировались достаточно простой, но адаптивной функцией вида  

МС(Sm, ЕСВ ) = p0 + p1ЕСВSm + p2ЕСВ + p3Sm (1)  

Значения коэффициентов p₀, р₁, р₂, p₃ для рассматриваемого класса материалов подбирались из условия максимальной близости рассчитываемого по формуле (1) набора значений определённого МС к соответствующему экспериментальному набору. Полученные корреляционные функции для четырёх МС представлены на рисунке 2 в виде линий постоянных значений в одинаковом масштабе переменных S_m и Е_св.

Рис. 1. Микросостояние γ фазы стали 45Х14Н14В2М

Среднее относительное отклонение ПМС на приведённых на рисунке 2 номограммах от соответствующих экспериментальных данных составляет ~ 8%. Данное обстоятельство подтверждает справедливость выдвинутой гипотезы и тем самым открывает возможность решения т.н. прямой и обратной задач. Прямая задача заключается в предсказании ПМС материала в зависимости от исходного состава сплава и режима последующей термообработки. Некорректно поставленная обратная задача заключается в определении состава ОФ или состава сплава в целом и режима его последующей термообработки в зависимости от требуемого набора показателей МС. Оба типа задач решаются посредством атомно-дискретного моделирования микросостояния ОФ.

 а)

б)

 

в)

 г)

Рис. 2. Зависимость корреляционных функций, описывающих ПМС закалённых сталей аустенитного класса от параметров состояния γ фазы; а) – предел текучести σ₀₂; б) – предел прочности σ_В; в) – относительное удлинение δ; г) – твердость НВ.

Наиболее значимым результатом настоящего исследования следует считать то, что корреляции между ПМС и состоянием ОФ наблюдаются одновременно для всех четырёх свойств. Это позволяет надеяться на существование подобных корреляционных зависимостей как для других классов материалов так и для других МС. В частности, развитый подход перспективен, например, для предвидения твердости металлических покрытий, созданных различными методами – СВС, плазменной, индукционной и дуговой наплавкой, ионной бомбардировкой и др.

Литература

1. Баранов М.А. Сферическая симметрия электронных оболочек атомов и стабильность кристаллов // Электронный физико- технический журнал. – – Т.1. в.1. – С 34-48. http://eftj.secna.ru /0501/06013r.pdf.
2. Баранов М.А., Дубов Е.А. Поля атомных смещений в кристаллах неупорядоченных сплавов ХН35ВТ И ХН35ВТЮ// Физика металлов и металловедение. – – Т. 104, № 3. – С. 314-318.
3. Марочник сталей и сплавов. [под ред. А.С. Зубченко]. М.: Машиностроение, – 783 с.