СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО СПЛАВА Т 15 К 6, ОБЛУЧЕННОГО СИЛЬНОТОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ Научный руководитель профессор. - презентация

1 СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО СПЛАВА Т15К6, ОБЛУЧЕННОГО СИЛЬНОТОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ Научный руководитель профессор Углов Владимир Васильевич Белорусский государственный университет Кафедра физики твердого тела Магистерская диссертация Солдатенко Евгении Александровны 2010 год

2 Содержание Основные области применения твердых сплавов Цели и задачи исследования Обработка образцов и методы исследования Фазовый состав Расчет температурных полей Расчет термоупругих напряжений Элементный состав поверхности Структура поверхности Микроструктура поперечного сечения образцов Микротвердость поверхностных слоев Трибологические испытания Научная новизна Положения, выносимые на защиту 2

3 Основные области применения твердых сплавов оснащение измерительного инструмента деревообрабатывающее оборудование горнодобывающее и рудо обрабатывающее оборудование обработка резанием конструкционных материалов Постановка цели исследования В настоящее время много внимания уделяется проблеме упрочнения и повышения долговечности инструментов из твердых сплавов. На примере твердого сплава Т15К6 показана возможность использования сильноточных электронных пучков с целью повышения его эксплуатационных характеристик. Цель исследования : изучение влияния плотности энергии и длительности импульсов воздействия сильноточными электронными пучками (СЭП) на фазовый и элементный состав, а также механические свойства приповерхностных слоев твердого сплава Т15К6 (WC- 15 вес. % TiC - 6 вес. % Co). 3

4 Задачи исследования Обработать образцы твердого сплава Т15К6 импульсами электронных пучков длительностью 100,150,200 мкс с плотностями энергии Дж/см 2. Провести теоретический расчет пространственного распределения полей температур и термоупругих напряжений в результате воздействия СЭП. Определить фазовое состояние модифицированных слоев на основе рентгеноструктурного анализа. Методом рентгеноспектрального микроанализа выявить изменения элементного состава по поверхности и глубине образцов вследствие облучения электронными пучками. Методом растровой электронной микроскопии изучить морфологию поверхности и поперечные сечения образцов. Исследовать механические свойства (микротвердость и коэффициент трения) поверхностных слоев. Выявить взаимосвязь между структурно-фазовым состоянием модифицированных слоев и их механическими свойствами. 4

5 Обработка СЭП ИСЭ СО РАН г. Томск Параметры воздействия: количество импульсов – 5 частота следования импульсов – 0,3 Гц длительность импульса – 100, 150, 200 мкс плотность энергии за импульс – 10 – 80 Дж/см 2 Методы исследования: рентгеноструктурный анализ (ДРОН-4, медный анод) рентгеноспектральный микроанализ (микроскоп LEO 1455 VP) механические испытания (твердомер ПМТ-3, трибометр ТАУ-1М ) 5

6 Фазовый состав формирование пересыщенного вольфрамом твердого раствора (Ti, W)C превращение WC W 2 C выделение в поверхностном слое графита, фаз двойного (Со 2 Ti, Co 2 C) и тройного (Co 3 W 9 C 4 ) состава 6

7 Параметры кристаллической решетки твердого раствора (Ti, W)C Режим воздействия Параметр решетки, (±0,0002) нм необлученный 0, Дж/см 2, 100 мкс 0, Дж/см 2, 100 мкс 0, Дж/см 2, 100 мкс 0, Дж/см 2, 150 мкс 0, Дж/см 2, 150 мкс 0, Дж/см 2, 200 мкс 0, Дж/см 2, 200 мкс 0,4311 7

8 Расчет температурных полей Решение уравнения теплопроводности: Начальное и граничное условия: Учет фазовых переходов: 8

9 Пространственное распределение полей температур Пространственное распределение температуры Максимальная температура на поверхности образца температура в поверхностном слое превышает температуру плавления компонентов системы. 9

10 Пространственное распределение термоупругих напряжений термоупругие напряжения сжимающие и достигают на поверхности значения (по модулю) ~ 3 ГПа 10

11 Элементный состав поверхности 11 Режим воздействия Концентрация W, (±2) ат.% Концентрация Ti, (±2) ат.% Концентрация Co, (±1) ат.% необлученный Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 200 мкс Дж/см 2, 200 мкс Концентрация вольфрама, титана и кобальта на поверхности твердого сплава Т15К6 после воздействия СЭП

12 Структура поверхности необлученный 10 Дж/см 2, 100 мкс 30 Дж/см 2, 100 мкс 60 Дж/см 2, 150 мкс 70 Дж/см 2, 150 мкс 60 Дж/см 2, 200 мкс 50 Дж/см 2, 100 мкс 80 Дж/см 2, 200 мкс в зависимости от режима облучения формируется ячеистая, типичная для «взрывной» кристаллизации или дендритная структура поверхности 12

13 Микроструктура поперечного сечения образцов Сформировавшаяся в результате воздействия СЭП слоистая структура состоит из : 1. переплавленного слоя, обогащенного вольфрамом; 2. переплавленного слоя с ячеистой структурой в направлении роста (поперечный размер 0,3 мкм); 3. переплавленного слоя с ячеистой структурой в направлении роста (поперечный размер 1 мкм); 4. слоя контактного плавления зерен карбидов; 5. слоя со структурой исходного твердого сплава. 13

14 Микротвердость поверхностных слоев WC W 2 C 2. твердорастворное упрочнение 3. деформационное упрочнение 4. зернограничное упрочнение 5. дисперсное упрочнение Режим воздействия Микротвердость, ГПа необлученный Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 200 мкс Дж/см 2, 200 мкс 27 3

15 Трибологические испытания Дж/см 2, 200 мкс ~ 0,2 Коэффициент трения для поверхностных слоев твердого сплава до обработки - ~ 0,7 50 Дж/см 2, 100 мкс ~ 0,35 60 и 70 Дж/см 2, 150 мкс ~ 0,25

16 Научная новизна Научная новизна полученных результатов заключается в создании слоистой структуры твердого сплава, состоящей из глубоких модифицированных слоев и характеризующейся повышенной в 1,5-3 раза твердостью и сниженным в 3,5 раза коэффициентом трения. Указанные изменения, главным образом, обусловлены формированием пересыщенного по вольфраму твердого раствора (Ti, W)C, превращением WC W 2 C, выделением дисперсных частиц вторых фаз, а также формированием развитого рельефа поверхности. 16

17 Положения, выносимые на защиту: Воздействие импульсами низкоэнергетических сильноточных электронных пучков различной длительности (100, 150, 200 мкс) и плотности энергии (10-80 Дж/см 2 ) на твердый сплав Т15К6: приводит к формированию пересыщенного по вольфраму твердого раствора (Ti, W)C при кристаллизации; вызывает превращение WC W 2 C; инициирует сегрегацию графита и образование фаз двойного и тройного состава в поверхностном слое; приводит к образованию ячеистой, типичной для «взрывной» кристаллизации или дендритной структура поверхности; вызывает формирование многозонной структуры твердого сплава; обеспечивает повышение микротвердости и понижение коэффициента трения приповерхностных слоев сплава в среднем в 3 и 3,5 раза соответственно

18 Спасибо за внимание!