Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве
Изучено влияние предварительной статической и ударно-волновой пластической деформации на диффузию бора в среднелегированной стали. Показано, что ускорение диффузионных процессов зависит от интенсивности предварительного деформационного воздействия. Вивчено вплив статичної та ударно-хвильової пластич...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2010
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69267 |
| 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 деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве / Н.Ю. Филоненко, Л.И. Федоренкова, И.М. Спиридонова // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 1. — С. 102-108. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859725670278496256 |
|---|---|
| author | Филоненко, Н.Ю. Федоренкова, Л.И. Спиридонова, И.М. |
| author_facet | Филоненко, Н.Ю. Федоренкова, Л.И. Спиридонова, И.М. |
| citation_txt | Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве / Н.Ю. Филоненко, Л.И. Федоренкова, И.М. Спиридонова // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 1. — С. 102-108. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Изучено влияние предварительной статической и ударно-волновой пластической деформации на диффузию бора в среднелегированной стали. Показано, что ускорение диффузионных процессов зависит от интенсивности предварительного деформационного воздействия.
Вивчено вплив статичної та ударно-хвильової пластичної деформації на дифузію бора в середньолегованій сталі. Показано, що прискорення дифузійних процесів залежить від інтенсивної попередньої деформаційної дії.
Effect of preliminary static and shock-wave plastic deformation on boron diffusion in medium-carbon steel is investigated. It is shown that diffusion acceleration depends on intensity of deformation.
|
| first_indexed | 2025-12-01T11:19:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 1
© Н.Ю. Филоненко, Л.И. Федоренкова, И.М. Спиридонова, 2010
PACS: 62.20.F, 63.30.–h
Н.Ю. Филоненко, Л.И. Федоренкова, И.М. Спиридонова
ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДИФФУЗИЮ
БОРА В СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОМ СПЛАВЕ
Днепропетровский национальный университет
ул. Гагарина, 72, г. Днепропетровск, 49050, Украина
E-mail: lubaf@dars.dp.ua
Статья поступила в редакцию 11 ноября 2009 года
Изучено влияние предварительной статической и ударно-волновой пластической
деформации на диффузию бора в среднелегированной стали. Показано, что уско-
рение диффузионных процессов зависит от интенсивности предварительного де-
формационного воздействия.
Ключевые слова: предварительная статическая деформация, ударно-волно-
вая пластическая деформация, диффузия бора, среднелегированная сталь,
зернограничная диффузия, объемная диффузия
В последние годы особый интерес вызывают работы, связанные с исследова-
нием влияния деформационного воздействия [1–4], в частности высокоскорост-
ной деформации на диффузионные процессы [5]. В одних из них указывается на
уменьшение диффузионной подвижности насыщающего элемента после предва-
рительной холодной деформации [1,2], в других – показывается ускоряющее
действие деформации на формирование диффузионного слоя [3,4]. В обоих слу-
чаях бесспорным является то, что предварительная обработка металла влияет на
параметры насыщения, ускоряя или замедляя их в зависимости от условий де-
формационного воздействия. Представляет интерес, каким образом условия де-
формации влияют на процесс диффузии некоторых элементов. В данной работе
изучали влияние предварительной статической и ударно-волновой пластической
деформации на диффузию бора в среднелегированной стали.
Исследование проводили на образцах из стали 45, которые предварительно:
1) отжигали при температуре 1173 K в течение 5 h;
2) подвергали деформации сжатия при температуре 298 K со степенями
деформации 20 и 40%;
3) обрабатывали взрывом при скорости взрывной волны 353 m/s, времени
прохождения ударной волны 6.6·106 s, давлении при взрыве 7.7 GPa.
Обработанные указанными способами образцы насыщали бором в твердом
карбюризаторе с добавкой карбида бора в течение 4 h при температуре 1223 K.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 1
103
а б
Рис. 1. Микроструктура поверхности стали 45: а – отожженной, б – после высоко-
скоростной деформации, ×100
Исследование структуры и свойств поверхности обработанных образцов
проводили методами металлографического, послойного спектрального [6],
дюраметрического и рентгеноструктурного анализов, а также с помощью
электронного растрового микроанализатора РЭММА 102-02.
Как видно на рис. 1,а, микроструктура стали в отожженном состоянии
представляет перлитно-ферритную смесь. После высокоскоростной обра-
ботки (рис. 1,б) микроструктура стали на глубине до 500–550 μm от поверх-
ности характеризуется дроблением зерен, разнозернистостью, утонением
цементитной сетки по границам зерен, увеличением в микроструктуре фер-
ритной составляющей. Кроме этого, на указанной глубине наблюдается из-
менение микротвердости от 450 до 285 MPa.
Предварительная холодная пластическая деформация приводит к измельче-
нию зерна в поверхностной зоне и увеличению микротвердости. На рис. 2 по-
казано изменение содержания бора и микротвердости по глубине диффузион-
ной зоны при насыщении поверхности бором. Из графиков видно, что дефор-
мационное воздействие на сталь 45 увеличивает глубину диффузионного слоя
и микротвердость, что положительно сказывается на прочностных свойствах
стали. Причем при высокоскоростной деформации показатели по глубине и
микротвердости больше, чем при холодной пластической деформации. То есть
высокоскоростная деформация оказывает более интенсивное воздействие на
поверхность металла, стимулируя ускорение диффузионных процессов за счет
увеличения дефектов, напряжений в структуре, развития пластических сдвигов в
микрообъемах. По данным работ [7,8], при воздействии высокоскоростной де-
формации происходит увеличение плотности дислокаций до 1012–1013 cm–2.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 1
104
0 200 400 600 800
0.5
1.0
1.5
2.0
H
m
, G
Pa
h, μm
а б
Рис. 2. Изменение по глубине диффузионной зоны: а – содержания бора, б – мик-
ротвердости для борированных образцов из стали 45, предварительно подвергну-
тых: ▲ – отжигу, ■ – холодной пластической деформации, ♦ – обработке взрывом
(прямое действие ударной волны)
Результаты влияния условий предварительной обработки на глубину
диффузионной зоны приведены в табл. 1. Из таблицы видно, что чем интен-
сивнее деформационное воздействие на сталь, тем больше глубина диффу-
зионного слоя после борирования. Причем этот факт характерен как для вы-
сокоскоростной деформации, так и для холодной пластической деформации
(величина деформации в %).
Таблица 1
Зависимость глубины диффузионной зоны от условий предварительной
обработки
Глубина слоя, µmПредварительная
обработка
Величина деформа-
ции, % боридного диффузионного
Отжиг – 136.4 761.5
20 176.3 950.2Холодная пластиче-
ская деформация 40 184.6 978.3
Высокоскоростная
деформация
Прямое действие
ударной волны 185.2 1050.5
В зоне влияния бора наблюдали образование бороцементитных включе-
ний. В сплаве, прошедшем предварительную пластическую деформацию,
включения располагались преимущественно по границам ферритных зерен,
а после предварительной высокоскоростной деформации – и в объеме зерна.
Вероятно, в среднеуглеродистом сплаве после предварительного деформа-
ционного воздействия различной интенсивности диффузия бора осуществ-
ляется не только по границам зерен аустенита, но и по объему зерна.
Для понимания полученного эффекта ускорения диффузионного процесса
при насыщении стали бором следует определить, какие механизмы диффу-
зии могут быть задействованы в данном случае.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 1
105
Как известно, диффузия может происходить по трем режимам: А, В, С [9]. От-
ток диффузанта от границы в объем зерна в режиме диффузии типа C отсутству-
ет, основной диффузионный массоперенос осуществляется по границам зерен –
объемная диффузия «заморожена» (диффузионный путь меньше 1 nm); в режиме
типа B – минимален, в режиме A – максимален. В случае C глубина проникнове-
ния диффузанта по границе зерна в объем поликристалла будет определяться
лишь параметрами зернограничной диффузии, а в случае B – параметрами как
зернограничной, так и объемной диффузии, в случае A – параметрами объемной
диффузии. В результате насыщения бором поверхности образцов, прошедших
отжиг, предварительную холодную пластическую и высокоскоростную дефор-
мацию, бор диффундирует и по границам зерен, и по объему зерна, что соответ-
ствует кинетике режима диффузии типа B. Учитывая это, обозначим через c ус-
редненную концентрацию бора по глубине диффузионной зоны, которая являет-
ся суммой концентраций объемной c1 и граничной c2 диффузии [10]:
1 2c c c= + . (1)
Для определения вклада объемной диффузии бора используем соотношение
1 0 1/ 2erf
2( )
zc c c
Dt
= , (2)
где z – глубина слоя, D – коэффициент объемной диффузии, t – время насы-
щения.
Тангенс угла наклона прямой, определенный из графика lnB = f(h), позво-
ляет определить величину δDb из выражения
( ) ( )
2/2/1/ 2 1/ 2δ 2( / ) ln / ln / ηβ
nnnn
bD D t c z c
− −⎡ ⎤= −∂ ∂ −∂ ∂⎢ ⎥⎣ ⎦
, (3)
где 3/ 2 1/ 2
δβ
2
bD
D t
= , 1/ 2
0η /( )z Dt= – безразмерные переменные, δDb – произве-
дение коэффициента граничной диффузии на ширину границы.
Из-за отсутствия прямых экспериментальных данных по ширине границы
обычно определяют не коэффициент зернограничной диффузии Db, а произ-
ведение δDb, входящее в уравнение диффузии. Для приближенной оценки
величины Db было принято наиболее часто встречающееся в литературе
значение ширины границы δ = 0.01 µm [11].
В табл. 2 представлены результаты расчета отношения Db/D. Из таблицы
видно, что по сравнению с предварительно отожженным состоянием сред-
неуглеродистого сплава отношение Db/D при предварительной холодной
пластической деформации уменьшается на порядок, а при высокоскорост-
ной деформации – на 2–3 порядка. Последнее обстоятельство является след-
ствием того, что при высокоскоростной деформации происходит дробление
зерна, а следовательно, увеличение длины границ, что делает энергетически
выгодной и объемную диффузию. В данном случае можно сказать, что степень
дробления зерна определяет тип диффузии и величину отношения Db/D.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 1
106
Таблица 2
Результаты расчета отношения коэффициента зернограничной диффузии
к коэффициенту объемной диффузии бора
Предварительная обработка Величина деформации, % Db/D
Отжиг – 2.17·104
20 4.36·103Холодная пластическая дефор-
мация 40 4.87·103
Высокоскоростная деформация Прямое действие ударной волны 1.45.102
Предварительная холодная пластическая деформация способствует уве-
личению глубины диффузионного слоя при насыщении бором среднеугле-
родистого сплава, особенно при степени деформации 40% (см. табл.1). Это
связано прежде всего с увеличением дефектности структуры поверхностно-
го слоя. Влияние пластической деформации на процесс диффузии бора
можно объяснить взаимодействием атомов бора с дефектами, наследован-
ными из исходной деформированной структуры. В микроструктуре образ-
цов, предварительно подвергнутых пластической деформации, борцемен-
титные включения располагаются не только по границам, но и в объеме зер-
на, что является результатом изменения диффузионного пути бора при на-
сыщении поверхности. Следовательно, увеличение диффузии бора идет не
только по границам зерен, но и по дислокациям, образовавшимся после
предварительной деформации, что приводит к росту коэффициента объем-
ной диффузии бора (табл. 2).
Таким образом, для предварительно отожженных образцов преобладает
зернограничная диффузия, а для образцов, подвергнутых деформационному
воздействию, доля объемной диффузии возрастает с увеличением интенсив-
ности этого воздействия.
Выводы
1. Деформационное воздействие на сталь 45 увеличивает глубину диффу-
зионного слоя и микротвердость образца, что положительно сказывается на
прочностных свойствах стали. Причем при высокоскоростной деформации
показатели по глубине и микотвердости выше, чем при холодной пластиче-
ской деформации.
2. В результате насыщения бором поверхности образца, прошедшего
предварительную высокоскоростную деформацию, бор диффундирует и по
границам зерен, и по объему зерна, что соответствует кинетике режима
диффузии типа B.
3. Результаты расчета отношения коэффициента зернограничной диффу-
зии к коэффициенту объемной диффузии бора показали, что наличие пред-
варительной деформации увеличивает зернограничную и объемную диффу-
зию бора. Причем предварительный отжиг способствует преобладанию зер-
нограничной диффузии над объемной, холодная пластическая деформация
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 1
107
приводит к увеличению объемной диффузии, а высокоскоростная деформа-
ция – к росту как зернограничной, так и объемной диффузии.
1. М.А. Матосян, В.Т. Борисов, В.М. Голиков, ФММ 4, 824 (1970).
2. И.Н. Кидин, Г.В. Щербединский, В.И. Андрюшечкин, Металловедение и терми-
ческая обработка № 12, 26 (1981).
3. П.Л. Грузин, Ю.Г. Дорофеев, В.В. Мураль, К.К. Ламков, ФММ 3, 668 (1971).
4. Ю.М. Лахтин, В.Д. Кальнер, В.К. Седуков, Т.А. Смирнова, Металловедение и
термическая обработка № 12, 22 (1971).
5. Р.П. Дидык, В.А. Безрукавая, Л.В. Грязнова, А.Г. Лисняк, Металлофиз. новей-
шие технол. 30, 1289 (2008).
6. С.В. Твердохлебова, И.М. Спиридонова, А.М. Бондаренко, Заводская лаборатория
№ 11, 46 (1990).
7. А.А. Дерибас, Физика упрочнения и сварки взрывом, Наука, Новосибирск
(1980).
8. В.А. Симоненко, Н.А. Скоркин, В.В. Башуров, Физика горения и взрыва 27, № 4,
46 (1991).
9. И. Каур, В. Густ, Диффузия по границам зерен и фаз, Машиностроение, Москва
(1991).
10. М.А. Криштал, Механизм диффузии в железных сплавах, Металлургия, Москва
(1972).
11. Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинер, С.И. Лаппо, Борсодержащие стали и сплавы, Ме-
таллургия, Москва (1986).
Н.Ю. Філоненко, Л.І. Федоренкова, І.М. Спиридонова
ВПЛИВ ДЕФОРМАЦІЙНОЇ ДІЇ НА ДИФУЗІЮ БОРА В
СЕРЕДНЬОВУГЛЕЦЕВОМУ СПЛАВІ
Вивчено вплив статичної та ударно-хвильової пластичної деформації на дифузію
бора в середньолегованій сталі. Показано, що прискорення дифузійних процесів
залежить від інтенсивної попередньої деформаційної дії.
Ключові слова: попередня статична деформація, ударно-хвильова пластична де-
формація, дифузія бора, середньолегована сталь, зерногранична дифузія, об’ємна
дифузія
N.Y. Filonenko, L.I. Fedorenkova, I.M. Spiridonova
DEFORMATION EFFECT ON BORON DIFFUSION
IN MEDIUM-CARBON ALLOY
Effect of preliminary static and shock-wave plastic deformation on boron diffusion in
medium-carbon steel is investigated. It is shown that diffusion acceleration depends on
intensity of deformation.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 1
108
Keywords: preliminary static deformation, shock-wave plastic deformation, boron diffu-
sion, medium-carbon steel, grain boundary diffusion, volume diffusion
Fig. 1. Microstructure of steel 45 surface: a – annealed, б – after high-speed deformation,
×100
Fig. 2. Change of: a – boron content, б – microhardness along diffusion depth for borated
specimens of steel 45 pretreatment: ▲ – annealing, ■ – cold plastic deformation, ♦ – deto-
nation treatment (direct impact of shock wave)
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69267 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T11:19:30Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Филоненко, Н.Ю. Федоренкова, Л.И. Спиридонова, И.М. 2014-10-09T19:32:55Z 2014-10-09T19:32:55Z 2010 Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве / Н.Ю. Филоненко, Л.И. Федоренкова, И.М. Спиридонова // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 1. — С. 102-108. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.F, 63.30.–h https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69267 Изучено влияние предварительной статической и ударно-волновой пластической деформации на диффузию бора в среднелегированной стали. Показано, что ускорение диффузионных процессов зависит от интенсивности предварительного деформационного воздействия. Вивчено вплив статичної та ударно-хвильової пластичної деформації на дифузію бора в середньолегованій сталі. Показано, що прискорення дифузійних процесів залежить від інтенсивної попередньої деформаційної дії. Effect of preliminary static and shock-wave plastic deformation on boron diffusion in medium-carbon steel is investigated. It is shown that diffusion acceleration depends on intensity of deformation. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве Вплив деформаційної дії на дифузію бора в середньовуглецевому сплаві Deformation effect on boron diffusion in medium-carbon alloy Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве Филоненко, Н.Ю. Федоренкова, Л.И. Спиридонова, И.М. |
| title | Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве |
| title_alt | Вплив деформаційної дії на дифузію бора в середньовуглецевому сплаві Deformation effect on boron diffusion in medium-carbon alloy |
| title_full | Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве |
| title_fullStr | Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве |
| title_full_unstemmed | Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве |
| title_short | Влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве |
| title_sort | влияние деформационного воздействия на диффузию бора в среднеуглеродистом сплаве |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69267 |
| work_keys_str_mv | AT filonenkonû vliâniedeformacionnogovozdeistviânadiffuziûboravsredneuglerodistomsplave AT fedorenkovali vliâniedeformacionnogovozdeistviânadiffuziûboravsredneuglerodistomsplave AT spiridonovaim vliâniedeformacionnogovozdeistviânadiffuziûboravsredneuglerodistomsplave AT filonenkonû vplivdeformacíinoídíínadifuzíûboravserednʹovuglecevomusplaví AT fedorenkovali vplivdeformacíinoídíínadifuzíûboravserednʹovuglecevomusplaví AT spiridonovaim vplivdeformacíinoídíínadifuzíûboravserednʹovuglecevomusplaví AT filonenkonû deformationeffectonborondiffusioninmediumcarbonalloy AT fedorenkovali deformationeffectonborondiffusioninmediumcarbonalloy AT spiridonovaim deformationeffectonborondiffusioninmediumcarbonalloy |