Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали

Представлены результаты экспериментальных исследований изменения поверхностной энергии стальных изделий после импульсной лазерной обработки. Проведен анализ термодинамического состояния поверхности после локального теплового воздействия, сопровождающегося фазовыми превращениями, и показано, что фазо...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Мурга, В.В., Антропов, И.И., Жихарев, И.В., Омеман, Дж.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2011
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111430
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали / В.В. Мурга, И.И. Антропов, И.В. Жихарев, Дж. Омеман // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 4. — С. 136-139. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111430
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1114302025-02-09T13:02:06Z Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали Вплив фазового складу поверхні на корозійні властивості сталі Influence of phase composition of surface on corrosive properties of steel Мурга, В.В. Антропов, И.И. Жихарев, И.В. Омеман, Дж. Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Представлены результаты экспериментальных исследований изменения поверхностной энергии стальных изделий после импульсной лазерной обработки. Проведен анализ термодинамического состояния поверхности после локального теплового воздействия, сопровождающегося фазовыми превращениями, и показано, что фазовая перестройка неизбежно приводит к изменению реактивной способности обработанной поверхности. Оценка реактивной способности поверхности проводилась как теоретически, так и экспериментально по интенсивности коррозии. Показана взаимосвязь энергетического состояния поверхности и реактивной способности поверхностного слоя. Представлені результати експериментальних досліджень зміни енергії поверхні сталевих виробів після імпульсної лазерної обробки. Проведено аналіз термодинамічного стану поверхні після локального теплового впливу, що супроводжується фазовими перетвореннями, і показано, що фазова перебудова неминуче призводить до зміни реактивної здатності обробленої поверхні. Оцінка реактивної здатності поверхні проводилася як теоретично, так і експериментально за інтенсивністю корозії. Показано взаємозв'язок енергетичного стану поверхні та реактивної здатності поверхневого шару. Results of experimental researches of the energy change of metal surface after pulse laser treatment are presented. The analysis of the thermodynamics state of surface after local thermal influence is provided, attended with phase transformations. It’s shown that phase alteration causes a change of reactive ability of the treated surface inevitably. The estimation of reactive ability of surface was conducted both in theory and experimentally by intensity of corrosion. The intercommunication of the power state of surface and reactive ability of superficial layer was determined. 2011 Article Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали / В.В. Мурга, И.И. Антропов, И.В. Жихарев, Дж. Омеман // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 4. — С. 136-139. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111430 669:621.03.539 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей
spellingShingle	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Мурга, В.В. Антропов, И.И. Жихарев, И.В. Омеман, Дж. Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали Вопросы атомной науки и техники
description	Представлены результаты экспериментальных исследований изменения поверхностной энергии стальных изделий после импульсной лазерной обработки. Проведен анализ термодинамического состояния поверхности после локального теплового воздействия, сопровождающегося фазовыми превращениями, и показано, что фазовая перестройка неизбежно приводит к изменению реактивной способности обработанной поверхности. Оценка реактивной способности поверхности проводилась как теоретически, так и экспериментально по интенсивности коррозии. Показана взаимосвязь энергетического состояния поверхности и реактивной способности поверхностного слоя.
format	Article
author	Мурга, В.В. Антропов, И.И. Жихарев, И.В. Омеман, Дж.
author_facet	Мурга, В.В. Антропов, И.И. Жихарев, И.В. Омеман, Дж.
author_sort	Мурга, В.В.
title	Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали
title_short	Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали
title_full	Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали
title_fullStr	Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали
title_full_unstemmed	Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали
title_sort	влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111430
citation_txt	Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали / В.В. Мурга, И.И. Антропов, И.В. Жихарев, Дж. Омеман // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 4. — С. 136-139. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT murgavv vliâniefazovogosostavapoverhnostinakorrozionnyesvojstvastali AT antropovii vliâniefazovogosostavapoverhnostinakorrozionnyesvojstvastali AT žihareviv vliâniefazovogosostavapoverhnostinakorrozionnyesvojstvastali AT omemandž vliâniefazovogosostavapoverhnostinakorrozionnyesvojstvastali AT murgavv vplivfazovogoskladupoverhnínakorozíjnívlastivostístalí AT antropovii vplivfazovogoskladupoverhnínakorozíjnívlastivostístalí AT žihareviv vplivfazovogoskladupoverhnínakorozíjnívlastivostístalí AT omemandž vplivfazovogoskladupoverhnínakorozíjnívlastivostístalí AT murgavv influenceofphasecompositionofsurfaceoncorrosivepropertiesofsteel AT antropovii influenceofphasecompositionofsurfaceoncorrosivepropertiesofsteel AT žihareviv influenceofphasecompositionofsurfaceoncorrosivepropertiesofsteel AT omemandž influenceofphasecompositionofsurfaceoncorrosivepropertiesofsteel
first_indexed	2025-11-26T01:39:11Z
last_indexed	2025-11-26T01:39:11Z
_version_	1849815103786975232
fulltext	УДК 669:621.03.539 ВЛИЯНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ НА КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА СТАЛИ В.В. Мурга, И.И. Антропов, И.В. Жихарев, Дж. Омеман Донбасский государственный технический университет, Алчевск, Украина E-mail: murga@ukr.net; тел. +38(06442)235-22, факс +38(06442)268-87 Представлены результаты экспериментальных исследований изменения поверхностной энергии сталь- ных изделий после импульсной лазерной обработки. Проведен анализ термодинамического состояния по- верхности после локального теплового воздействия, сопровождающегося фазовыми превращениями, и пока- зано, что фазовая перестройка неизбежно приводит к изменению реактивной способности обработанной поверхности. Оценка реактивной способности поверхности проводилась как теоретически, так и экспери- ментально по интенсивности коррозии. Показана взаимосвязь энергетического состояния поверхности и реактивной способности поверхностного слоя. При всех видах поверхностной обработки основ- ным критерием, по которому производится выбор режима обработки, является увеличение твердости поверхности за счет измельчения структуры. Одна- ко наряду с поверхностными фазовыми переходами возникает ряд побочных эффектов, которые в ком- плексе могут как повышать, так и снижать срок службы обработанной детали. Изменение фазового состава неизбежно влечет изменение активности, которая однозначно связана с энергетическим со- стоянием поверхностного слоя. Кроме того, после обработки в поверхностном слое возникают быстро сменяющие друг друга растягивающие и сжимаю- щие напряжения. В работе представлены результаты эксперимен- тальных исследований изменения поверхностной энергии стальных изделий после импульсной лазер- ной обработки. Также проведен анализ термодинамического со- стояния поверхности после локального теплового воздействия, сопровождающегося фазовыми пре- вращениями, и показано, что фазовая перестройка неизбежно приводит к изменению реактивной спо- собности обработанной поверхности. В данном слу- чае рассматривается изменение реактивной способ- ности поверхности, которая однозначно связана с энергетическим состоянием поверхности. Термодинамическое состояние поверхности на- прямую зависит от неоднородности структуры, ко- торая, в свою очередь, определяется режимом теп- лового воздействия эффективного теплового источ- ника. Пирометрический анализ теплового отклика поверхностных слоев показывает, что длительность действия эффективного источника превышает время воздействия реального источника, и зависит от ве- личины теплоемкости и теплопроводности обраба- тываемого материала. Оценивая механизмы разрушения поверхностно- го слоя, было установлено, что помимо механиче- ского износа достаточно большие потери связаны с коррозионным разрушением поверхности. В случае углеродистых и низколегированных сталей коррозия главным образом протекает по электрохимическому механизму. Направление и скорость химической реакции определяются изменением свободной энер- гии Гиббса. Следовательно, химическая активность структурно неоднородных участков поверхностного слоя будет определяться характером распределения изобарно-изотермического потенциала вдоль по- верхности. Лазерный нагрев представляет собой нестацио- нарный процесс, однако, принимая определенные допущения [1], для описания процесса взаимодейст- вия лазерного излучения с поверхностью обрабаты- ваемого материала можно воспользоваться уравне- нием теплопроводности. Приняв лазерное излучение в качестве локального поверхностного теплового источника с гауссовым распределением плотности мощности, тепловую задачу можно представить в виде ( ) ( ) ( ) ( ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ 2 2 2 2 ,,,,1,,,, z tzrU r tzrU rr tzrUa t tzrU с начальными и граничными условиями: ( ) ( ) ( ) ( ).,,,· ;0,,;00,, 0 0 ttzyxq z UtUzrU z τϕ λ = = ∂ ∂ −=∞∞= = (1) Решение уравнения теплопроводности имеет вид: ( ) ( ) 2 2 0 *0 , , 2 при 0 , 2 2 2 2 при . kr kr U r z t q e at z t T at q e a z zt t T at a t T t T λ λ − − = ⎧ ⎛ ⎞Φ ≤ ≤⎪ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎪ ⎪ ⎛ ⎞⎛ ⎞⎛ ⎞⎪ ⎜ ⎟⎜ ⎟Φ − − Φ⎨ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎪ >⎪ ⎪ ⎩ (2) Обработанная поверхность, которая была под- вержена нестационарному нагреву, претерпевает фазовую перестройку. Причем, такая перестройка в сильной степени отображает неоднородность нагре- ва с характерным распределением микроструктуры по пятну нагрева и достаточно узким переходным слоем между модифицированной областью и основ- ным материалом. 136 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2011. №4. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (98), с. 136-139. mailto:murga@ukr.net При перекрытии пятен происходит повторное нагревание, которое сопровождается повторным изменением фазового состава, вызывая увеличение неоднородности свойств поверхности. Безусловно, такое неравновесное состояние приводит к неодно- родному распределению энергии поверхностных атомов и, как следствие, к изменению реактивной способности поверхности. В процессе резкого охлаждения поверхностный слой характеризуется размерами зерна значительно меньшими, чем до обработки (рис. 1–3). На сним- ках, сделанных на электронном микроскопе при увеличении ×1000, хорошо видно, что в кратере (центральная часть зоны термического воздействия) структура более мелкозернистая. В результате по- следующих рентгеноструктурных исследований были получены рентгенограммы с несимметричным откликом (рефлексом), соответствующим метаста- бильной фазе, т.е. мартенситу. Рис. 1. Изменение состояния поверхности после лазерной обработки Степень преобразования структуры в мартенсит определяется уравнением: , (3) где – доля мартенсита; T'αV q – температура, до ко- торой охлаждается образец; . 1011.0 −−≈ Kβ Данные (см. рис. 2 и 3) иллюстрируют изменение размеров зерен при лазерной обработке. Их сравне- ние позволяет сделать вывод об увеличении площа- ди границ зерен, что влечет за собой увеличение свободной энергии поверхности. Рис. 2. Поверхность стали до обработки Рис. 3. Поверхность стали после обработки, центр ЗТВ Неравномерность увеличения площади границ помимо неравномерности распределения структур- ных образований приводит к образованию остаточ- ных напряжений, изменению химической свободной энергии: , (4) γα ggg −=Δ ' росту энергии взаимодействия между матрицей и новыми структурными образованиями. Изменение свободной энергии внутри зоны термического воз- действия (ЗТВ) относительно равновесной структу- ры можно представить в виде σπππ 222 3 4 3 4 3 4 rArcgcrG ++Δ=Δ , (5) где А характеризует упругую деформацию; σ – сво- бодная энергия на единицу площади соприкоснове- ния γ/α; r, c – линейные размеры зерен мартенсита. На рис. 4 и 5 приведены результаты измерения величины остаточных напряжений после наложения двух пятен обработки без оплавления поверхности на стали AISI 4140 (0.40%С, 0.85%Mn, 1.00%Cr, 0.25%Mo) и качественная картина распределения остаточных напряжений в глубь материала. Из при- веденных зависимостей следует, что всю область обработки можно разбить на три условных участка: - центральная часть пятна с равномерно распре- деленными сжимающими напряжениями; - переходный участок со знакопеременными на- пряжениями, вызванными наличием сжимающих напряжений из-за тетрагональности решетки в об- ласти с завершенным мартенситным преобразовани- ем и релаксационных напряжений в области с не- полным преобразованием. Причем напряжения ме- няются на 200…300 МПа на расстоянии около 0,1 диаметра пятна обработки, соответствующем вели- чине переходного слоя; - область перекрытия с еще более значительным изменением остаточных напряжений. При наложе- нии первого пятна обработки в центральной части ЗТВ возникают такие же по величине, как и во вто- ром пятне, сжимающие напряжения ~200…250 МПа. Однако повторный нагрев приво- дит не только к отпуску в узком переходном участке со снижением твердости [2], но и к значительному градиенту напряжений (порядка 200 МПа/мм), кото- рый с обеих сторон направлен к пограничным уча- сткам ЗТВ. ( )( )qs T−= MV− βα exp1 ' 137 Таким образом, в результате вклада релаксаци- онных механических напряжений внутри и на пери- ферии ЗТВ будет также несколько завышаться зна- чение свободной энергии. На периферии возраста- ние изобарно-изотермического потенциала относи- тельно равновесного состояния изменяется более значительно из-за одновременно действующих про- тивоположно направленных растягивающих напря- жений. Градиент напряжений будет тем больше, чем меньше диаметр пятна обработки, а следовательно, и величина переходного слоя. Комплексное действие указанных эффектов, со- провождающих импульсную лазерную поверхност- ную обработку, приведет к увеличению свободной энергии в ЗТВ, причем на периферии значение по- тенциала Гиббса будет завышено в большей степени вследствие большей неоднородности структуры, скопления примесей и дефектов, действия сущест- венных знакопеременных остаточных напряжений. Рис. 4. Распределение остаточных напряжений при перекрытии зон лазерного упрочнения [2] Поскольку кинетика коррозионных процессов является функцией изменения свободной энергии, то на начальных стадиях разрушения в процесс окисления будут вовлекаться периферийные участ- ки ЗТВ, затем центральные области и только после их пассивации или разрушения – основной матери- ал. Распределение поверхностных токов в пятне обработки исследовалось косвенным электрохими- ческим методом [3, 4] (рис. 6). Рис. 5. Характер распределения напряжений в глубь материала при частичном расплавлении поверхности Рис. 6. Плотность поверхностных токов по пятну ЗТВ Приведенное распределение токов позволяет сде- лать вывод о действительном снижении поляриза- ционного тока, а следовательно, и химической ак- тивности в центральной области по сравнению с периферией пятна обработки. Таким образом, ЗТВ качественно изменяют распределение поверхност- ных коррозионных токов и способны выступать в роли протекторов для основного материала. На основании проведенных исследований были выделены режимы лазерной обработки поверхности, при которых наблюдались наименьшие потери для образцов из углеродистых сталей. Оценка проводи- лась для образцов, имеющих наибольший ресурс. Отмечено, что наилучшие результаты характерны для режимов обработки без перекрытия ЗТВ или с наименьшим перекрытием. Для проведения испытаний коррозионной стой- кости использовались цилиндрические образцы диаметром 30 мм, обработанные импульсным ла- зерным излучением диаметром пятна 1 мм с пере- крытием и без перекрытия зон обработки. Обрабо- танная площадь составляла около 15 % общей пло- щади торца заготовки. На поверхность было нанесе- но порядка 130 пятен обработки для образцов без перекрытия зон обработки и 280 пятен обработки для образцов с перекрытием. Рис. 7. Удельная потеря массы при коррозии образцов из стали 40Х Обработанные образцы обезжиривались и поме- щались в подготовленную агрессивную среду так, чтобы исключить их взаимное воздействие. В каче- стве коррозионной среды использовался атмосфер- ный воздух с влажностью 100 % при температуре 138 ВЫВОДЫ (30±2) °С. После выдержки в коррозионной среде образцы извлекались и высушивались на воздухе, затем взвешивались вместе с продуктами коррозии. Лазерная обработка увеличивает значение энер- гии активации и приводит к уменьшению макси- мальных коррозионных потерь до 30…37 %. Коррозионные потери образцов после Снижение коррозионной активности поверхно- сти происходит благодаря перераспределению по- верхностной свободной энергии. лазерной обработки Вид обработки образца Удельное изменение массы, г/см2 Энергия активации, Дж Необрабо- танный Величина свободной энергии зависит от площа- ди границы фазовых составляющих и возникающих в обработанной области механических напряжений, особенно ярко это выражается на периферии ЗТВ. )( tem 410·89,31042,0 −−−≈Δ 220 Без зон перекрытия ( )tem 410·46,51029,0 −−−≈Δ 226 С зонами перекрытия Неравномерность распределения ΔG сказывается на повышении реактивной способности периферии ЗТВ по отношению к центральным областям обра- ботки и необработанному материалу. Результатом этого является способность зон термообработки вы- ступать в роли протекторов для основного материа- ла. )( tem 410·675,61026,0 −−−≈Δ 231 Удельное изменение массы образцов определя- лось по формуле: S mmmуд 0− =Δ , ЛИТЕРАТУРА 1. И.И. Антропов. Динамика фазовых превращений при лазерной обработке поверхности сталей // Сборник научных трудов Донбасского государ- ственного технического университета. Алчевск: ДонДТУ, 2011, №33, c. 396-401. где m – и m0 – массы образца после выдержки в коррозионной среде и до начала испытаний соответ- ственно; S – площадь обработанного торца образца. Получены графические зависимости изменения массы образцов с течением времени (рис. 7, табли- ца), которые хорошо подчиняются экспоненциаль- ной зависимости вида 2. G.P. Mor. Residual stresses measurements by means of X-ray diffraction on electron beam welded joints and laser hardened surfaces // Proceedings of the 2nd International Conference on Residual Stresses “ICRS2” / G. Beck, S. Denis, A. Simon. Eds. El- sevier Applied Science: Nancy, London, 1988, р. 696-702. ( )tk уд сemm ·1 − ∞ −Δ=Δ . (6) Коэффициенты, входящие в эту формулу, имеют следующий физический смысл: – максималь- ная удельная потеря массы, соответствующая ∞Δm ∞→t ; kc – коэффициент скорости коррозии, имеющий размерность ч-1. Константа скорости kс связана с энергией активации и температурой Т выражением Аррениуса: cU0 3. H. Saitoh, T. Ohnishi. Application of imaging plate to visualize hydrogen location in metals // Journal of Materials Science Letters. 2000, v. 19, N 9, р. 751- 753. 4. И.И. Антропов, В.В. Мурга. Микроструктура поверхности и коррозионная стойкость легиро- ванных сталей после лазерной обработки // Вестник Восточноукраинского национального университета им. В. Даля. Луганск: ВНУ им. Даля, 2009, №8 [138], ч. 2, с. 105–106. ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = Tk U kk B c0 0 exp , (7) где с2 0 10−≈k -1 [5], – постоянная Больцмана. Bk 5. H.H. Ulig, R.W. Revie. Corrosion and Corrosion Control / An introduction to Corrosion Science and Engineering. N.Y.: J. Wiley & Sons, 1985, 456 p. Статья поступила в редакцию 15.06.2011 г. ВПЛИВ ФАЗОВОГО СКЛАДУ ПОВЕРХНІ НА КОРОЗІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ В.В. Мурга, І.І. Антропов, І.В. Жихарєв, Дж. Омеман Представлені результати експериментальних досліджень зміни енергії поверхні сталевих виробів після імпульсної лазерної обробки. Проведено аналіз термодинамічного стану поверхні після локального теплового впливу, що супрово- джується фазовими перетвореннями, і показано, що фазова перебудова неминуче призводить до зміни реактивної здат- ності обробленої поверхні. Оцінка реактивної здатності поверхні проводилася як теоретично, так і експериментально за інтенсивністю корозії. Показано взаємозв'язок енергетичного стану поверхні та реактивної здатності поверхневого шару. INFLUENCE OF PHASE COMPOSITION OF SURFACE ON CORROSIVE PROPERTIES OF STEEL V.V. Murga, I.I. Antropov, I.V. Gikharev, J. Omeman Results of experimental researches of the energy change of metal surface after pulse laser treatment are presented. The analysis of the thermodynamics state of surface after local thermal influence is provided, attended with phase transformations. It’s shown that phase alteration causes a change of reactive ability of the treated surface inevitably. The estimation of reactive ability of surface was conducted both in theory and experimentally by intensity of corrosion. The intercommunication of the power state of surface and reactive ability of superficial layer was determined. 139 http://springerlink.com/content/100129/?p=8132c042dcb84df99415f2a405d3b071&pi=0 http://springerlink.com/content/100129/?p=8132c042dcb84df99415f2a405d3b071&pi=0

Влияние фазового состава поверхности на коррозионные свойства стали

Репозитарії

Схожі ресурси