Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Бруяка О.О., Рудяк М.О.

АДИ при ДонГТУ

возможности получения наноструктур при действии электронов

Рассмотрено действие потоков электронов разных энергий и плотностей токов на материал и реальность прогноза получения наноструктур. Показано, что существуют физические параметры, при которых реализуются условия для получения наноструктур: требуемые температуры, необходимые скорости нарастания температур и достаточные величины температурных напряжений (давлений).

Рассматривалось действие пяти электронов А c E_eА=5×10⁵эВ, четырех электронов В с энергией E_eВ=5×10⁴эВ и четырех электронов С с энергией E_eС=3×10³эВ при их действии на деталь из стали. Изучалось распределение температур на глубине детали в зоне действия этих частиц за время столкновений.

Рис. 1. Распределение температур по глубине при действии 5 электронов А

(Е_еА = 5×10⁴ эВ), 4 электронов В (Е_еА = 10⁴ эВ), 4 электронов С (Е_еА = 3×10³ эВ), Т_maxА = 4,2×10⁴К, Т_maxВ = 1,3×10⁴К, Т_maxC = 1,83 К

Рис. 2. Распределение температур на поверхностях х=0 (Т_maxС = 990 К), х=0,9 l_С (Т_maxС = 1,8 ×10³ К), х=0,9l_В (Т_maxВ = 1,3×10⁴ К), х=0,9l_А (Т_maxА = 4,2×10⁴ К), х=1,1l_А (Т_max = 720 К)

На рис. 1 показано распределение температур по глубине от действия частиц А, В и С. Видно, что глубина проникновения наиболее высокоэнергетичных электронов составляет порядка 10^-6 м, что примерно равно. Максимум температуры реализуется на глубине и составляет 4,2×10⁴К, для частицы А максимум температуры также вблизи и равен 1,3×10⁴К, а для частицы С максимум составляет 1,8×10³К и находится и вблизи _с. Поля температур по глубине удачно дополняют друг друга и способствуют заполнению объема полем температур.

Результаты экспериментального исследования подтверждают возможность получения наноструктур. Так исследовалось одновременное действие электронов различных энергий на сталь 50:

1 – первый поток с энергией 3,2 кэВ (j = 9,1×10³ А/м²), второй – с энергией 6,9 кэВ (j = 10³ А/м²), третий – с энергией 9,9 кэВ (j = 80 А/м²);

2 – поток с энергией 6,9 кэВ (j = 10³ А/м²).

Потоки электронов подавались с чередованием f_y действия (временем действия r_a = 180 мкс,) первый, второй и третий, а далее последовательность повторяется. Плотности токов выбирались таковыми, чтобы были равны первой критической или вблизи нее, что позволяет обеспечивать максимальные по величине значения температурных напряжений (s₁ = 3,9×10⁷ Н/м²; s₂ = 5,8×10⁷ Н/м²; s₃ = 8×10⁷ Н/м²) и достаточных для образования наноструктур температур (Т_{max 1} = 970 К; Т_{max 2} = 1,2×10³ К; Т_{max 3} = 3,9×10³ К). Результаты такого исследования представлены на рис. 3. Видно, что для первого случая (кривые 1, рис. 3) реализуется аномально высокое значение микротвердости до 50 ГПа, тогда как во втором случае микротвердость составляет всего 5,7 ГПа и практически соответствует твердости закаленной стали 50. Наличие трех потоков позволяет обеспечить практически полное заполнение объема полями температур и температурных напряжений.

Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине при действии поочередно потоков ионов с энергией 3,2 кэВ (j = 9,1·10³ А/м²), с энергией 6,9 кэВ (j = 10³ А/м²) и с энергией 9,9 кэВ (j = 80 А/м²) − 1, ионов с энергией 6,9 кэВ (j = 10³ А/м²) − 2 и временем действия 180 мкс и частотой срабатывания 5 Гц.

Наличие же высокоэнергетических электронов 9,9 кэВ позволяет достичь очень высоких скоростей нарастания температур, когда скорость кристаллизации высока, что способствует образованию наноструктур малого размера до 10 нм.

Экспериментально и теоретически показана возможность термоупругого разрушения материала в результате многократного действия потоков электронов.

Список литературных источников

1. Костюк Г.И., Суккариех Мустафа Еззат, Воляк Е.А. Создание наноструктур в объеме детали при электронно-лучевой обработке // Сборник научных трудов Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов, выпуск 3 (63), 2010, с.8 - 23

2. Костюк Г.И. Монография в двух книгах. Физико-технические основы нанесения покрытий, ионной имплантации и ионного легирования, лазерной обработки и упрочнения, комбинированных технологий / Г.И. Костюк. – Х., изд-во АИНУ, 2002. – 1030 с.

3. Kostyuk G.I. Effective coating and modification hardened layers at the cutting tools. Kiev. 2012, 728 p.