Вплив процесів деформування на поверхневий шар металів (стр. 2 из 6)

Була розроблена експериментальна установка, призначена для вимірів РВЕ з можливістю одночасного проведення іспитів металевих зразків на втому, установка містить малогабаритний п'єзоелектричний вібростенд і комплекс вимірювальної апаратури. Величина РВЕ вимірювалася методом динамічного конденсатора Кельвіна. Випробування зразків на втому виконувались методом дискретного навантаження. Була вдосконалена методика вимірів КРП на основі аналізу залежності КРП від напруги компенсації з одночасною комп'ютерною обробкою результатів вимірів.

Виконані дослідження впливу зовнішнього середовища на РВЕ. Встановлено, що рівномірне ультрафіолетове опромінення поверхні металевого зразка викликає зміщення кривих розподілу РВЕ як цілого, без зміни їхньої геометрії. Створення більш високих поверхневих енергетичних рівнів зменшує вплив адсорбційних процесів на РВЕ, що підвищує точність і відтворюваність результатів вимірів. Застосування ультрафіолетового опромінення у процесі вимірів дозволяє вивчати залежність РВЕ саме від деформаційних процесів. Похибка вимірів РВЕ не перевищувала 1 меВ.

Дослідження внутрішніх напружень і параметрів кристалічної структури здійснювались за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН-3М. Було досягнуто збільшення граничного можливого подвійного кута Вульфа-Брегга до 177,60 за рахунок зміни положення детектора розсіяного випромінювання і застосування нової колімуючої системи. Похибка виміру макроскопічних напружень, яка була розрахована для робочих значень кутів досліджуваних об'єктів при використанні монохроматичного Kb випромінювання, зменшилася приблизно в 10 разів. Для визначення мікроскопічних напружень і розміру блоків кристалічної мозаїки був використаний метод гармонічного аналізу форми рентгенівських ліній. Оскільки для розрахунку залишкових макронапружень необхідні дані про пружні константи, був розроблений рентгенодифрактометричний метод визначення модуля Юнга і коефіцієнта Пуассона приповерхневої області металів, оснований на вимірюванні деформації при іспитах зразків прямокутного перерізу на трьохточковий згин. Розроблені і виготовлені установки для електроімпульсної (ЕІО) і магнітно-абразивної (МАО) обробки зразків і деталей. Для одержання достовірних даних при побудові графіків, використовувалася статистична обробка результатів вимірів.

Об'єктом досліджень у даній роботі були матеріали, які відносяться до трьох різних класів: алюміній (99,99 %); сплави на основі титана марок ВТ3-1, ВТ8 і ВТ9; жароміцні сталі марок ЕП866 (15Х16К5Н2МВФАБ), ЕП499 (15Х16Н2АМ), ЕІ698 ХН73БТЮ), жароміцний ливарний сплав на нікелевій основі марки ЖС6К (ХН67ДО5В5М4ЗЮ6). Вибір алюмінію обумовлений значною величиною КРП, що зменшувало відносну похибку вимірів і давало можливість порівнювати одержані результати з літературними даними. При вивченні контактних деформацій і зносу використовувалися зразки міді і сплави системи Fe-C-B.

2. Зміни РВЕ на поверхні металів при деформуванні

Використання методу сканування по всій поверхні зразка при механічних випробуваннях дозволило одержати обґрунтовану інформацію про механізми зарядової перебудови поверхні. Методика дослідження полягала в одновісному деформуванні зразків з полікристалічного алюмінію з постійною швидкістю з одночасним виміром РВЕ в контрольованих точках поверхні. Перехід до стадії пластичного деформування викликає характерне зменшення РВЕ. При цьому більшому ступеню деформації в робочій області зразка відповідає більша зміна РВЕ. На різних стадіях деформування навантаження припинялося і вимірювався розподіл РВЕ уздовж обраних ліній робочої поверхні зразків.

Характерна крива зміни напруження σ із підвищенням ступеня деформації і відповідні значення роботи виходу Ф представлено на рис.2. Видно, що плавному зростанню розтягуючого напруження, відповідає падіння РВЕ. Навпаки, релаксація напружень приводить до зростання РВЕ. В області пластичного деформування було виявлено зміну РВЕ, викликану релаксаційними процесами (відпочинок зразка) при вимиканні розтягуючого пристрою.

На основі експериментальних даних встановлено, що має місце як швидка релаксація РВЕ порядку 0,02 еВ між послідовними навантаженнями, так і повільна релаксація порядку 0,1 еВ, реалізована протягом 12¸15 годин без зняття навантаження. Важливо відзначити існування граничного значення РВЕ. Починаючи з деякої деформації e = 0,05, величина РВЕ істотно не зменшується, рис.3.

У процесі відпочинку “енергетичний деформаційний рельєф” частково згладжується. При повторних вимірах РВЕ після відносно великих проміжків часу, спостерігався характерний зсув кривої розподілу як цілого. Як показали додаткові дослідження, за зміну геометрії кривих розподілу РВЕ по поверхні відповідають структурні процеси, а зсув кривих обумовлений адсорбційними перебудовами під впливом зовнішнього середовища.

Результати дослідження закономірностей зміни роботи виходу Φ по поверхні пластично деформованих металів дозволили одержати такий вираз для зміни РВЕ:

, (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.