Перерозподіл домішкових та легувальних елементів під час термічного, деформаційного оброблення та його вплив на зародження й розвиток тріщин в металах

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут металофізики ім.Г.В.Курдюмова

Спеціальність 05.16.01 “Металознавство та термічна обробка металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Перерозподіл домішкових та легувальних елементів під час термічного, деформаційного оброблення та його вплив на зародження й розвиток тріщин в металах

Сміян Олег Дмитрович

Київ - 2004 р.

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім Є.О.Патона НАН України.

Науковий консультант -доктор технічних наук професор, членкорреспондент НАН України ГРИГОРЕНКО Георгій Михайлович, Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти:

Доктор фізикоматематичних наук професор, членкорреспондент НАН України КРАСОВСЬКИЙ Арнольд Янович, Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренко НАН України, головний науковий співробітник

Доктор фізикоматематичних наук професор, членкорреспондент НАН України НЕКЛЮДОВ Іван Матвійович, Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій Національного наукового центру “Харківський фізико технічний інститут”(м.Харків), директор

Доктор технічних наук професор, членкорреспондент НАН України ОШКАДЬОРОВ Станіслав Петрович, Інститут металофізики ім.Г.В.Курдюмова НАН України, завідувач відділом

Провідна організація: Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, кафедра “Металознавство та термічна обробка металів”

Захист відбудеться_19_ _травня_2004 р. о_14_годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.168.01, Інститут металофізики ім. Г.В.Курдюмова НАН України, 03680 МСП, Київ142, бульв.Акад.Вернадського, 36.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В.Курдюмова НАН України за адресою: 03680, Київ142, бульв. Акад.Вернадського, 36

Автореферат розіслано __2 квітня__ 2004 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради

доктор фізикоматематичних наук Піщак В.К.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток сучасної техніки ставить все зростаючі вимоги до матеріалів підвищення їх механічних і корозійних характеристик, жаро та теплостійкості тощо. Водночас з розробкою нових сплавів йде вдосконалення та поліпшення якості вже існуючих. Подальше просування в цьому напрямку неможливе без розширення та поглиблення знань та уявлень про процеси, які відбуваються в металі під час його термічного та механічного оброблення, його взаємодії з зовнішнім середовищем під час експлуатації. В той же час практично відсутня інформація про процеси в твердих металах, які зумовлюють виникнення нової фази.

Особливе місце в широкому колі питань, пов'язаних з цією проблемою, посідає вивчення механізмів міграції та масоперенесення (зокрема дифузії), домішкових й легувальних елементів і перш за все елементів проникнення та їх вплив на фізикомеханічні властивості конструкційних та функціональних металевих матеріалів в результаті різних технологічних операцій, пов'язаних з нагріванням, деформацією або їх одночасним впливом, що має місце в сучасних технологіях зварювання та таких операціях технологічного переділу, як, наприклад, рафінування, наплавлення, з'єднання вибухом, хімікотермічна обробка тощо. Виконані дослідження стосуються конструкційних сталей феритного, аустенітного та мартенситобейнітного класів, сплавів титану, ніобію, міді, танталу,алюмінію,платинапаладійзолото тощо та сучасних технологій їх обробки. З іншого боку стрімке старіння та зростання зношеності промислового устаткування в Україні, особливо в теплоенергетиці, яке спостерігається в останні роки, та неможливість його оновлення, змушує постійно переглядати залишковий ресурс металевих матеріалів, які в ній використовуються з метою подовження терміну його безпечної експлуатації. Обґрунтованість таких висновків може будуватись лише на знанні ранніх стадій процесу формування небезпечних утворень, які ведуть до анізотропії механічних властивостей, зумовлених хімічною неоднорідністю. Це дає можливість своєчасно запобігти розвиткові небезпечних явищ, які ведуть до руйнування металу та виробу в цілому. Це й зумовило актуальність виконаної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась протягом 19732002 р за програмами Ради Міністрів СРСР по Мінсередмашу (“Испаритель”,”Янтарь”,”Альтаир”,”Ресурс38” та ін.); по Мінавіапрому, Міноборони СРСР, за відомчими програмами Мінхімпрому СРСР, Держкомнауки СРСР та України, АН України, Держфонду фундаментальних досліджень Міннауки України (19911992 , № 2/56691 та 19972000 р.р., № Ф4/39997), за планами та господарчими угодами Інституту електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України.

Мета та задачі дослідження.

МЕТА ДОСЛІДЖЕННЯ:Теоретичне та експериментальне вивчення умов, механізму, природи формувань і перерозподілу в конструкційних металевих матеріалах домішкових та легувальних елементів під час та в результаті термічного, деформаційного оброблення, виявлення можливого впливу цих процесів на утворення та розвиток тріщин.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. З'ясувати вплив нагрівання й термічної обробки на перерозподіл домішкових і легувальних елементів та утворення їх скупчень у зоні міжфазних та міжзеренних поверхонь металів.

2.Зробити уточнення механізмів утворення зародків нових зерен металів під час рекристалізації і впливу змін локального хімічного складу межами зерен на відпускну крихкість

3. Встановити механізм взаємодії речовини середовища з поверхнею металу під час його деформування.

4. Розробити та перевірити експериментально моделі процесів, які зумовлюють поведінку та форми існування водню в сталях, зокрема його розподілу в зоні деформаційних, деформаційнокорозійних тріщин, а також під час деформації металів з різними швидкостями.

5. Уточнити існуючі уявлення про чинники, які впливають на деструкцію металів під час термічного й деформаційного оброблення і про механізм утворення холодних (деформаційних) та гарячих тріщин в сплавах заліза. тріщина метал термічний легувальний

Наукова новизна.

1.Експериментально виявлено, що перерозподіл нематричних (домішкових та легуючих) елементів в зоні меж зерен, міжфазних поверхонь та примежевих шарів металу починається з формування відповідних специфічних утворень з квазійонів нематричних елементів практично одразу після накладання навіть статичного навантаження вже за Т=300 К, що веде до створення навколо зерен каркасу завтовшки в десятки нанометрів з металу, хімічний склад якого відрізняється від його вихідного складу; виявлено також утворення в сталях гідридів заліза у вигляді плівки завтовшки до 30 нм та визначено температурні зони їх стабільності

2. Виявлено утворення в металах клатратного типу твердих розчинів домішковими атомами великих розмірів двох різновидів - металевими (Ca,Na.K) та газовими (Ar,Kr,Xe,). Формування таких розчинів суттєво змінює характер міжатомних зв'язків, але практично не впливає на структуру металу, розмір його зерен; вони відрізняються від відомих твердих розчинів проникнення, заміщення та включення способом утворення, стеричними параметрами, характером міжатомних зв'язків, механічними та корозійними властивовостями.

3. Запропоновано та реалізовано нові методи: а) нерадіоактивних хімічно нейтральних елементівмаркерів (Ar)) для вивчення процесів зародкоутворення нових зерен під час рекристалізації; б) ранньої діагностики початку та динаміки розвитку процесів впорядкування аморфних речовин під час їх нагрівання.

4. Виявлено нові фізичні механізми взаємодії домішкових елементів з матричними під час проведення технологічних процесів термоциклювання та імпульсної обробки металу; розчинення окремих фаз (карбідів, оксидів) під час деформації з утворенням твердого розчину.

5. Виявлено нові фізичні явища -1) аномальної зустрічної міграції окремих хімічних елементів під час нагрівання та міграція в зворотньому напрямку цих же елементів під час охолодження того самого металу (АЗМ); 2) поатомне розщеплення речовини середовища дислокаціями металу, який деформується в цьому середовищі (ПРСД); 3) різке (на порядки) зростання швидкості перебігу електрохімічних та корозійних процесів зі зміною механізму руйнування металу під час його контакту зі складно структурованою рідиною (КОС).

6. Запропоновано нові методи та формули визначення локальних коефіцієнтів дифузії домішкових хімічних елементів в метал основи, які грунтуються на використанні лише параметрів, що вимірюються безпосередньо під час експерименту (час, концентрація, відстань) і не використовують табульованих чи кореляційних коефіцієнтів. Проведено вимірювання енергії активації процесу та коефіцієнту дифузії: а) водню з порожнини тріщини в зону передруйнування та в стінки тріщини по всій її довжині, в т. ч. й скрізь ділянки стінок з поверхнею ювенільною та вкритою шаром оксидів; б) кисню в широкому інтервалі температур (3001823) К (сплав FeNi).

7.Експериментально встановлено, що водень в сталі може існувати одночасно у вигляді квазійонів Н+ та Н, які мають різні властивості, різну природу та різну поведінку в металі, співвідношення між ними залежить від хімічного складу металу та температури. Встановлено, що квазійони Н то є дифузійнорухливий водень, який спонтанно виділяється з металу за кімнатних температур під час вилежування після його технологічної обробки, а квазійони Н+ то є залишковий водень, концентрація якого в металі з часом майже не змінюється. Визначено температуру переходу водню з одного зарядового стану в інше для сталі (603 К).

8.Експериментально визначено дольову частину загальної сорбції водню металом на кожному з окремих етапів його деформації - пружної, пластичної, плинності. Підтверджено, що водень маркує розподіл напружень в металі та їх знак (розтяг, стиснення).

9.Запропоновано: а) в енергетичному критерії достатності при руйнуванні металів враховувати нові параметри, а саме-хімічний с, динамічний Vc, електронний Vе; б) узагальнений механізм зародження тріщин в металах за різних температур, швидкостей деформації, їх росту, в т.ч. катастрофічного.

10. Розробки захищено 11 Авторськими свідоцтвами СРСР та 3 Патентами України на винаходи.

Практичне значення отриманих результатів. Проведення теоретичних та експериментальних досліджень, виявлення нових фізичних явищ, ефектів та механізмів перебігу окремих процесів у металах і сплавах, створення нових методів моделювання атомних процесів в металах та нових методів досліджень дозволили розширити та поглибити знання про перебіг процесів на межах зерен в металах, на міжфазних поверхнях, у тілі зерна під час деформації й статичного навантаження, нагрівання, рекристалізації, окислення, взаємодії з середовищем. Це дозволило розробити нові технологічні процеси, встановити причини аварій деяких виробів, розробити заходи щодо суттєвого підвищення службових характеристик металів тощо.

Реалізація результатів роботи. Результати теоретичних та експериментальних досліджень лягли в основу багатьох впроваджень ІЕЗ ім.Є.О.Патона НАНУ:* розроблено низку рекомендацій для теплових електростанцій України та країн СНД по збільшенню міжремонтного періоду експлоатації надпотужних блоків парових котлів закритичного тиску;* розроблено заходи запобігання аварійного руйнування труб пароводяного тракту котлів ТЕС;* створено та впроваджено на Московському трубному заводі нові нагрівні елементи - газові трубчасті радіаційні нагрівники для термічних печей, що більше ніж в 60 раз перевищили за стійкістю електричні нагрівні елементи з ніхрому;* встановлено та усунуто причини аварійного руйнування гідролізних апаратів сірчанокислотного виробництва целюлози, склоплавильних апаратів та фільєр для виробництва волоконної оптики, окремих вузлів літальних апаратів з титанових сплавів після їх термічної обробки, високого рівня браку при виготовленні броньового захисту для військових літаків тощо та розроблено рекомендації по значному підвищенню ресурсу й працездатності цих виробів (від кількох раз до десятків разів).* Проведено низку робіт на авіаційних заводах (Воронезькому, Московському “Стрела”), на оборонних підприємствах Мінсередмашу СРСР з відпрацюванням оптимальної технології виробництва їх продукції (Ленінградський Обухівський завод; НВО “Энергія”, Калінінград Московської області, Росія та інші). Розроблено технологію різкого підвищення пластичності тугоплавких металів твердофазним рафінуванням за рахунок використання явища АЗМ (впроваджено на МП “Термокомпозіт”, м.Тернопіль) тощо.

Підтверджений економічний ефект від задокументованої частини впроваджених робіт автора за станом на 1.07.2000р складає 9477585 грн.

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, виконаних безпосередньо автором або за його активною участю з дослідження локального вмісту та розподілу домішкових та легувальних елементів в металах та сплавах, в зоні тріщин тощо;автор особисто впроваджував свої розробки на Воронезькому та Московському авіазаводах, Московському трубному заводі, Ленінградському Обухівському заводі (“Більшовик”), Іжевському машинобудівному заводі; в НВО “Энергия”, та на деяких інших підприємствах. Всі винаходи, виявлення нових явищ, ефектів, розробка механізмів, моделювання процесів, науковий аналіз й обробка отриманих результатів, формулювання висновків та рекомендацій належать автору роботи. Нові технологічні процеси розроблялись за участю автора та з використанням результатів його досліджень.В списку праць, наведених в кінці автореферату, автору належить: теоретична (аналіз, обговорення, висновки) та експериментальна частина праць 2,3,4,11,12,13,17,18,2022,24,25,30,32, 33,35,37,42,43,46, 49,51,54,5759,61; експериментальна (повністю) та частково теоретична частина -6,8,10,19,28,29, 31,34,35,44,45,50,52,55; експериментальна частина - 5,7,9,16,48; теоретична 60. В монографії (1) автором повністю написана гл.2, в написанні глав 1,3,4 автор приймав участь, в них також використано його експериментальний матеріал з локального аналізу та розподілу водню та кисню в металі труб пароводяного тракту парових котлів високого та надвисокого тиску.

Апробація роботи. Основні положення та результати роботи оприлюднено й обговорено більш ніж на 56 Міжнародних, Всесоюзних, республіканських та міжвідомчих наукових симпозіумах, конференціях, семінарах, де було зроблено 162 доповіді. Серед них Міжнародні конференції по зварювальній дузі (Оксфорд, Англія, 1980), по підвищенню надійності металів атомних та теплових електростанцій (Відень, Австрія, 1994), з космічного матеріалознавства (Денвер, США, 1996), 5і Корольовські читання (Калуга, Росія, 1990), з механіки руйнування (Київ, 1994), з тонких плівок (Херсон, 1995), з досліджень поверхні напівпровідникових матеріалів (ВерховинаІваноФранківськ, 1989), з водневого оброблення матеріалів (Донецьк, 1995, 1998, 2001) тощо; Всесоюзні конференції з інтеркристалітної крихкості (КалугаВелібор, 1989; Іжевськ, Росія, 1989; ЛєлупРіга, Латвія, 1991), по зіткненню атомних часток (Харків, 1988), з корозії (Львів, 1975, 1979), з мас спектрометрії (1974, 1979, 1984), з аналізу газів в металах (1974, 1978, 1979, 1982, 1986, 1990), проблем фізики та її застосувань (Москва,1990) та ін.

Публікації. За темою дисертації оприлюднено 226 статтей та повідомлень (19722002), монографія (1991), брошура (1990),основні положення дисертації викладено в 63 публікаціях.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 9 розділів, загальних висновків, списку з 569 літературних джерел і 7 додатків. Робота виконана на 293 сторінках машинописного тексту, має 67 таблиць, 274 малюнків. Додатки виконано на 54 сторінках.

Загальний зміст роботи

Вступ. Обгрунтовано актуальність роботи з виявлення умов та механізмів формування в металах сегрегацій під час термічного та деформаційного їх оброблення та впливу цього процесу на крихкість твердого тіла, зародження та ріст в ньому тріщин. Сформульована мета роботи, задачі, які необхідно для цього вирішити. Подана інформація про новизну розробок автора, наукові та практичні результати роботи.

В розділі 1 наведено огляд літератури з питань утворення хімічної мікронеоднорідності, яка може виникати в металах та сплавах в результаті їх термічного та деформаційного оброблення. Викладено існуючі погляди на процеси, що відбуваються в сталях під час їх рекристалізації, гартування, відпускання з точки зору перерозподілу хімічних елементів (металографічні аспекти цих процесів детально досліджено до автора) та їх взаємодії з зовнішнім середовищем. Розглянуто водневе окрихчення металів та сучасні уявлення про механізм впливу водню на утворення холодних та гарячих тріщин.

В розділі 2 - подано опис основних фізичних методів дослідження,та приладів, які використовувались під час проведення даної роботи, зокрема прилади та методи досліджень локального розподілу та вмісту домішок проникнення в металевих виробах: установка для проведення локального масспектрального аналізу (ЛМА) з електроннопроменевим екстрактором (ТЕЕ) -Об768М та з лазерним екстрактором (ЛЛМА) ЭХО4М, які було створено в ІЕЗ, а також приладовий комбайн лабораторія для проведення тримірного аналізу LAS2000 фірми RIBER.(Франція), до складу якої входять Ожеелектронний спектрометр (мікрозонд, растр, мікропрофілометр) (ОЕС), масспектрометр вторинних йонів (мікрозонд, растр) (ВІМС), електронний спектрометр для хімічного аналізу (ЕСХА), термодесорбційний масспектрометр, мас -спектрометр залишкових газів тощо. Локальність методів ЛМА складала 5070 мкм з чутливістю по Н1.108 % мас (Об768М) та 1.107% мас (ЭХО4М), похибка не перевищувала 8%. Відтворюваність результатів аналізу на гомогенізованих зразках сталі Ст.3 повна. Локальність методів ОЕС 5...10мкм, ВІМС70100 мкм

В роботі також використовувались методи електронної та оптичної мікроскопії, електронпозитронна аннігіляція, внутрішнє тертя, мікрорентгенівський, рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз, методи твердості та мікротвердості та інші - всього 28 методів дослідження, які виконувались на зразках понад 50 металів та сплавів - сталей різних класів, сплавів на основі Ni,Nb,Mo,Cu,Ti,Ta,Al та інших.

В розділі 3, який складається з 2 підрозділів, розглянуто вплив нагрівання на перерозподіл домішкових та легувальних елементів в металах. В 1 підрозділі досліджуються процеси міграції та перерозподілу хімічних елементів в поверхневих шарах металів під час термоциклювання за температур 123...423 К. Робота зумовлена необхідністю забезпечення працездатності орбітальних станцій, корпус яких повільно обертається навколо вздовжної вісі, в результаті чого на метал діють зазначені температури. Досліджувались зразки сталі Х18Н9Т, сплаву титану ВТ1 та алюмінію АД0 методами ОЕС та ВІМС в середині камери зіткнень приладу LAS2000 з Р=107 Па. Зразки охолоджувались парами рідкого азоту до 123 К, нагрівались радіаційно до 423К. Встановлено, що в результаті циклічної обробки відбувається перерозподіл не тільки водню, але й інших хімічних елементів -О,С,S,N,Cl,P,Mn,Cr,Ni на поверхні металу та міжзеренних прошарках. Це спричиняє утворення різноманітних хімічних сполук, які впливають на фізикомеханічні властивості металів та характер його руйнування. Автором запропоновано механізм транспорту домішок в металі під час його циклювання, який пояснює ці процеси, як результат почергового розтягу та стискання під час нагрівання та охолодження металу з неоднорідним розподілом хімічних елементів. Це спричиняє вищу на кілька порядків швидкість проникнення мігрантів в глибину металу під час циклювання у порівнянні з дифузійним процесом за тих же температур. В підрозділі 2 розглянуто зміну хімічного складу меж зерен під час термічного оброблення металу. На зразках армкозаліза, сталей 16Г2АФ, 14Х2ГМР, 14ХГНМДАФБР, 16ХГ1МФ, 10Х23Н18, Х60, 20, 40Х, 40ХГНА та інших досліджувались методами ОЕС та ВІМС поверхні руйнування після різних видів термічного оброблення (ТО). Руйнування попередньо охолоджених парами рідкого азоту до 123 К зразків проводили в вакуумі 107 Па ударним вигином. Встановлено, що в сталі 20 після нормалізації (Т=1173 К, ф = 2 год.) вміст С від поверхні циліндричного зразка ш 1,2 мм до його центру зменшується ~ в 1,5 рази, а вміст S,Cl - в 1,11,2 рази. Після гартування попередньо нормалізованих зразків цієї сталі (Тгарт = 788 К в воду) розподіл С,О перетином зразка вирівнюється. В той же час з МЗ в об'єм тіла зерна витискуються B та Mn, а з центру зразка на його периферію Ti,Cr,S,Al. В результаті гартування Mn утворює стійкі хімічні сполуки типу MnS, MnO. Водночас в металі підвищується кількість квазійонів Н відносно Н+. Для виявлення причин описаної поведінки хімічних елементів було проведено нагрівання зразків згаданих сталей після нормалізації до температур 10231073 К з постійним контролем елементного складу поверхні методами ОЕС (його показання не залежать від температури) та ВІМС. Виявилось, що під час нагрівання окремі елементи мають не один, а два чи більше екстремумів на температурній шкалі. Попередня ТО впливає не тільки на розташування екстремумів на цій шкалі, але й на їх інтенсивність. Наприклад, після гартування стали вищими піки Cu,Mg (T = 623 К), а після нормалізації - C,Ni (за Т>773 K). В конструкційних сталях з малою кількістю легувальних (сталь 20,Х60, 40ХГН) більшість змін відбувалось вже за Т?373 К, тобто в зоні 1го перетворення. Спостерігалась не тільки зміна кристалічної гратниці (КГ) мартенситу, але й вихід на МЗ цілої низки хімічних елементів, в першу чергу гідридоутворюючих (Ti,B,C) та карбідоутворюючих (Ti,B,Zr, Cr,). Ці процеси відбувались за низького відпускання і в легованих сталях, але за температур на 100150о вищих. Наступні діапазони температур активного виходу хімічних елементів на міжфазну поверхню та МЗ - 773823 К (середнє відпускання) та 873973 К (високе відпускання). Для досліджених сталей характерна висока міграційна активність Ni,Cu, Mg,Mn. Якщо Ni та Cu сприяють пластифікації металу, то Mg і Mn - його окрихченню. Ті ж самі легувальні елементи порізному ведуть себе під час нагрівання різних сплавів: нагрівання сталі Х60 супроводжується утворенням двох концентраційних піків міді (373 К,773 К), в сталі 14ХГНМДАФБРТ - лише одним (973 К), в сталі 14Х2ГМР - жодного. Причину такого характеру зміни йонного струму згаданих хімічних елементів з температурою пояснити з відомих позицій не вдається.

Таким чином, на МЗ та в прилеглому до них металі хімічний склад цих мікроб'ємів металу відрізняється від середнього (марочного) складу металу. За суттю в результаті термічної обробки в об'ємі метал вже не є однорідним, а являє собою багатошарову композицію з різних за складом металів. За таких умов виявляється і певна анізотропія властивостей, зумовлена просторовим розташуванням прошарків металу різного складу стосовно напрямку дії руйнівної сили. Особливо різко вона зростає з вмістом Mn понад 0,8%. В сталях типу ХНМА в цьому випадку ударна в'язкість KCU знижується з 25 МПа до 23 МПа. Отже, під час нагрівання металу до температур, за яких проводять його термічну обробку відбувається безперервна зміна елементного складу міжфазних поверхневих шарів металу, але причина цього теж не ясна.

Істотне місце в роботі посідають дослідження, пов'язані з відпускною крихкістю сталей. Зразки після різних видів термічної обробки нагрівали безпосередньо в камері LAS2000, потім охолоджували в ній до 123 К та ламали ударним вигином в тій же камері з Р=107 Па. Під час дослідження сталі типу ВНС25 до металу шва додавали Sn, As або Sb. Руйнування крихке, на поверхні зламу - підвищена концентрація цих елементів. В зразку на відстані ~ 200 нм від поверхні зламу виявлено тонку лінзу чистого Sn (100%) завтовшки ~ 0,5 нм площею 1,5х2 мм,тоді як в об'ємі металу було лише <0,01% Sn,. Отже, для Sn фактор збагачення Ф=10000. В присутності Sn сірка та кисень під час нагрівання покидають МЗ, що сприяє окрихченню металу.

Для виявлення механізму відпускної крихкості було здійснено безпосереднє нагрівання в ультрависокому вакуумі в установці LAS2000 зразків сталі ХНМА з різним вмістом Mn. Склад поверхні контролювали методом ВІМС. Відомо, що наявність в сталі >0,5%Mn окрихчує її під час відпускання. Встановлено, що під час нагрівання з одночасною присутністю в данній сталі Ni та Cr максимуми йонних струмів Mn зміщується в бік нижчих температур, а ударна в'язкість KCU зменшується в 10 раз. Натомість за високих температур з'являються додаткові максимуми ІMn+. Отже, окрихчувальна дія Mn виявляється не тільки за підвищених, але й за відносно низьких температур (~ 373 К). Методом гартування, що використовується для вивчення високотемпературних процесів, таку інформацію отримати було б неможливо.

Щоб на елементний склад поверхні металу не впливали фазові та структурні перетворення, дослідження змін складу поверхні під час нагріванняохолодження проводили на технічно чистому алюмінії АДО, який нагрівали до Т=713К та охолоджували до Т=300 К безпосередньо в камері зіткнень установки LAS2000. Методами ВІМС та ОЕС встановлено, що вміст окремих елементів на поверхні та їх співвідношення під час нагрівання постійно змінювався. Зокрема, значно зменшились на поверхні за Т=713 К у порівнянні з Т=300 К С (в 59 раз), Fe (в 10 раз), Zn (в 15 раз), Mn (в 30 раз),·О (в 25 раз), N (в20 раз), Na (в150 раз), P, лише у Mg та S вона підвищилась. Після охолодження металу в камері без її развакуумування з Р=107 - 108 Па до 300 К поверхнева концентрація більшості згаданих елементів (але не всіх!) повернулася до вихідного рівня, в тому числі Cu,Si,S,P. Весь термоцикл зайняв ~ 20 хв. Такі зміни концентрації не могли бути дифузійними за тривалістю. З другого боку під час нагрівання напрямок дифузії елементів не змінюється. Те саме відноситься і до висхідної дифузії.

Встановлено, що найбільші зміни в елементному складі металу, зруйнованого за кімнатних температур після закінчення термоциклу, відбуваються на глибині 0,510 нм, але концентраційні збурення спостерігались ще на досить великих відстанях від поверхні зламу - до 150 -200 нм, після чого вміст окремих елементів стабілізувався. Отже, фактично в руйнуванні бере участь не лише власно межа зерна, товщина якої не перевищує 1015 нм (за данними вимірів автора), але й прилеглий до неї метал, елементний склад якого відрізняється від об'ємного (тобто тіла зерна). На підставі аналізу результатів проведених досліджень було встановлено, що під час нагрівання змінюється не тільки склад елементів на поверхні, але й їх поведінка та напрямок їх міграції - до чи від поверхні. Запропоновано побудувати за принципово новий тип діаграм - міграційні , де фіксується не абсолютна кількість компонентів сплаву, а черговість зміни їх концентрації під час нагрівання. Якщо на поверхні під час нагрівання відносний вміст данного елементу підвищиться, а другого зменшиться, то у першого порядковий номер збільшиться, а у другого - зменшиться. Завдяки цьому з'являється можливість стежити за міграцією елементів не визначаючи їх абсолютну кількість.

Виявлений аномальний характер масоперенесення хімічних елементів під час термоцикллювання, узгоджується з фактом інтенсивного збагачення (або збіднення) певними хімічними елементами, в тому числі й окричуючими, міжзеренних прошарків з локально відмінними від матриці властивостями в мікрооб'ємах металу, з наступним утворенням зародків нових фаз або хімічних сполук. Зокрема, це спостерігалось під час внутрішнього окислення металів, утворення інтерметалідів, карбідної сітки, водневого окрихчення тощо. Ці новоутворені фази можуть бути площинними або об'ємними, але завжди з іншими механічними властивостями, що впливає на тріщиностійкість та схильність до руйнування всього металевого виробу. Наприклад, під час електроннопроменевого зварювання сплаву Амг6, що мав 0,17%Fe, використано один з технологічних режимів, в результаті якого ув зменшилось з 390 МПа до 240 МПа. Методом ОЕС було встановлено, що локальна концентрація Fe в металі шва зросла до 28,89%, тобто в 166,4 рази, що привело до утворення прошарку інтерметаліду FeAl3 завтовшки 200нм, тобто практично плівкового. Саме це й стало причиною зниження граничної міцності даного сплаву.

Пояснити наведені вище експериментальні данні з відомих позицій не вдається. Є всі підстави стверджувати, що найімовірнішою причиною появи міжкристалітної крихкості за підвищених та високих температур є описана вище аномалія в поведінці деяких хімічних елементів під час нагріванняохолодження металу і що саме це веде до того, що за високих та кімнатних температур склад поверхонь розподілу фаз та зерен не завжди збігається і не фіксується гартуванням від високих температур. Встановлено, що підгрунтям перебігу згаданих процесів, супроводжуваних зворотньою та зустрічною аномальною міграцією елементів до та від поверхні під час термоциклювання (АЗМ) є фізичне явище, яке раніше не досліджувалось.

В ІЕЗ досліджено досить широку гаму різних сплавів Fe,Al,Ti,Mo,Nb,W,Ni,Ta,Cu та інших і встановлено, що дія згаданого явища має обмежений характер й поширюється не на всі хімічні елементи. Найбільшу схильність до нього виявляють домішки проникнення та елементи зі змінною валентністю. Виявлено, що на напрямок міграції хімічних елементів -до чи від поверхні, на черговість їх розташування в приповерхневому шарі протягом нагрівання та охолодження впливають не тільки температура, але й хімічний склад металу, абсолютна кількість мігранта в сплаві, наявність пружної та пластичної деформації, в тому числі й локалізованої, швидкість деформації тощо. Фізичні передумови перебігу явища АЗМ викладено в наступному розділі.

В четвертому розділі викладено фізичні основи формування хімічної мікронеоднорідності в твердих тілах під час їх технологічного оброблення. Запропоновано концептуальну гіпотезу поверхневого стану металу. Згідно згаданої концепції флуктуаційні коливання концентрації нематричних (домішкових та легувальних) елементів в зоні дії приповерхневої потенціальної ями на межах розподілу фаз, зерен, агрегатного стану, площинних та об'ємних дефектів перетворюються в стаціонарні скупчення квазійонів цих елементів, тобто фіксуються там. Ці утворення було визначено як спреціфічні утворення квазйонів нематричних елементів. Під дією зовнішніх умов ширина та глибина потенціальної ями змінюється, відповідно змінюється й кількісний та якісний склад зафіксованиїх в ній спреціфічних утворень. В зоні дії нелінійних напружень, які виникають в твердих тілах під впливом температур, зовнішніх та внутрішніх навантажень, СУ стають стаціонарними перетворюючись на скупчення хімічних елементів. Наступний етап - перетворення їх у передвипадання (типу зон ГіньєПрестона або пластин Зінера). далі - утворення кластерів, випадань нової фази. Такою на думку автора є еволюція процесу формування хімічної неоднорідності і випадань другої фази під впливом зовнішніх та внутрішніх чинників. Поки що строгої теорії цих утворень ще нема, але їх існування підтверджується численими експериментальними даними та можливістю прогнозувати поведінку тих чи інших елементів за конкретних умов температури та деформації.

В результаті взаємодії СУ з кристалічною гратницею енергія останньої може змінитися як в позитивний, так і в негативний бік. В першому випадку, коли енергія КГ стає позитивною, за Абрикосовим гратниця повинна зруйнуватись - розпастись на окремі атоми. Така ситуація спостерігалась неодноразово. Приклад - руйнування монокристалу Al домішками Ga з утворенням СУ. Роль температури під час утворення СУ добре ілюструє і приклад конкурентного обміну S та P на поверхні технічно чистого Al, що спостерігалося методом ВІМС (чутливість 107 ат%) під час нагрівання та охолодження металу зразка в надвисокому вакуумі в установці LAS2000: за кімнатних температур на поверхні був фосфор, сірка була відсутня, за високих була сірка, а фосфор відсутній, після охолодження все повернулося до вихідного стану. Пояснити ці результати з відомих та сталих у фізиці позицій неможливо, але з позицій нової концепції поверхні це є нормальним процесом. Отже, в твердому тілі в приповерхневому шарі формується СУ.

Введення уявлення про СУ в твердому тілі дозволяє виявити деякі властивості ансамблю домішкових елементів в мікрооб'ємі цього тіла, зокрема з нових позицій підійти до водневої та відпускної крихкості металів, пластичності тугоплавких металів (особливо з ОЦК гратницею), утворенню тріщин в деяких металевих сплавах під час експлуатації та ТО, пояснити наведені вище експериментальні данні тощо. Викладене вище дає можливість визначити фізичні передумови процесів, перебіг яких зумовлено явищем АЗМ. Ця зміна відбувається для кожної речовини чи елемента за власними закономірностями. Саме така поведінка хімічних елементів на поверхні та в тонкому приповерхневому шарі металів мала проявлятися під час циклу нагріванняохолодження твердого тіла. Звідси - “шляхтність” окремих хімічних елементів, які знаходяться в сплавах в незначній кількості, але вважаються інгібідорами корозійних процесів.

Явище АЗМ вже було використано під час розробки нової технології твердофазної обробки тугоплавких металів (W,Mo), що дозволило більш ніж на порядок підвищити їх пластичність і практично ліквідувати брак під час екструзії деталей з листа згаданих металів. Явище АЗМ є однією з найімовірніших причин виникнення відпускної крихкості. Отже, слід ставитись дуже обережно до результатів вивчення високо температурних процесів, отриманих гартуванням з високих температур, але які досліджувались за кімнатних температур

В підрозділі 2 розглянуто деякі аномалії в поведінці водню в металі та їх вплив на деструкцію твердого тіла. Викладений вище підхід дозволив зовсім з інших позицій підійти до розв'язання “вічної” проблеми водню в металі. Аналізуючи численні аномалії, які зумовлено нестандартною поведінкою цієї домішки в металі, автор дійшов висновку, що переважна більшість з них пов'язана з різним зарядовим станом водню в твердому тілі. Спеціально поставленими експериментами було встановлено, що дифузійнорухливий водень то є квазійон Н, а залишковий - квазійон Н+ (А.с. СРСР №1711261. заявл.26.09.89, рег.06.07.90). До проведення цих досліджень можливість існування Н в металах та його роль у руйнуванні припускалась, але ця позиція мала багато опонентів, бо прямих доказів існування Н в металах не було. В подальших дослідах автором встановлено, що характер розподілу квазійонів Н та Н+ в металі докорінно відрізняється. В дисертації показано, що квазійони Н+ розміщуються по одному в тетрапорах КГ заліза, тоді як квазійони Н можуть розташовуватись в октапорах КГ по кілька одиниць до того ж одночасно з іншими домішками. Механізм їх дифузії в металі теж відрізняється: дифузія Н+ здійснюється перескоками, а Н тунелюванням. Все це свідчило про різну природу квазійонів Н та Н+ Безперервним контролем зарядового стану водню на LAS2000 під час нагрівання зразків різних сталей було встановлено, що за Т>603 К квазійони Н переходять в Н+, а при Т<603 К в металі водночас існують квазійони Н та Н+. Прямим експериментом виявлено надвисоку швидкість міграції воднюН в твердому тілі, яка на 37 порядків (в різних матеріалах) перевищує швидкість міграції водню Н+ - “нормальної” домішки.

Підсумовуючи результати експериментів, наведених в роботі, можна стверджувати, що квазійони Н+ реагують на характер навантаження (розтяг, стискання); характер, ступінь та швидкість деформації (до певного критичного значення) і накопичуються навколо ядер дислокацій в домішкових атмосферах. Квазійони Нне реагують на це. Вони реагують на скупчення дислокацій з домішковими атмосферами, нейтралізуючи їх; реагують на ударні, акустичні, теплові хвилі та будьякі інші збудження, які змінюють щільність металу, частоту коливань атомів КГ навколо положення рівноваги, здійснюють дифузійне проникнення в метал з зовнішнього середовища. Теплова хвиля сприяє переходу від Н до Н+. Наявність перешкод на шляху руху потоку Н викликає локальне підвищення їх концентрації перед ними і послаблює міжзеренні та міжплощинні зв'язки в металі, сприяє руйнуванню, вони здатні привести до локального утворення структур типу гідридів на межах зерен та фаз.

На підставі детального аналізу численних експериментальних даних, вмісту, розподілу, характеру міграції Н в металі, особливостей його поведінки, а також враховуючи наведену вище концепцію поверхні та явище АЗМ, автор зробив висновок, що саме квазійон Н (дифузійнорухливий водень), а не Н+ (як вважалось раніше) -має аномальну властивість - надрухливість в твердому тілі за кліматичних температур та Т<603К.

В підрозділі 3 розглянуто особливості утворення та існування гідридів заліза в сталях. Накопичення від'ємного водню на межах зерен та в прилеглому до них металі у вигляді СУ веде кінецькінцем до утворення вздовж міжзерених прошарків тонкого шару нової фази - гідридів заліза. Питання про можливість утворення в сталях гідридів саме заліза є дискусійним: досі його не виявляли ні металографічними, ні рентгенівськими методами, хоча неодноразово реєстрували Н.,Н гідридні фази, але невідомого складу. Автором в прямих експериментах методом ВІМС було показано не тільки наявність в сталях гідридів заліза, але й виявлено їх модифікації (FeH, FeH2, FeH3), температурні зони існування (мал.4), зони їх стабільності та нестабільності, форму їх існування в сталях (плівки завтовшки до 30 нм). Ці дослідження дозволяють поіншому підійти до питання виникнення та механізму руйнування сталей за водневим окрихченням.

В розділі 5. вивчалась роль зовнішнього середовища в поглинанні та перерозподілі домішок в металі під час його нагрівання. В підрозділі 1 показано, що взаємодія середовища з твердим тілом, що деформовано за кімнатних температур, впливає на поведінку та руйнування твердих тіл, в тому числі й металів. Виявлений ще в 1926 році ефект Ребіндера широко використовується під час механічної обробки різних твердих тіл. Але, як з'ясувалось, під час деформування в середовищі не контролювались можливі зміни хімічного складу ні твердого тіла, ні середовища. В той же час в статичному варіанті (взаємодія без деформації) процес вивчено досконало (адсорбція, перехід в тверде тіло атомів адсорбату з наступною дифузією). Автором. на сьогодні накопичено достатньо експериментальних даних, які свідчать про активне поглинання металом окремих компонентів речовини середовища під час деформації різних металів та сплавів з різними швидкостями і в різних середовищах (газові, рідинні, плазмові, тверді тощо). Глибина проникнення окремих атомів в метал за кімнатних температур сягає 8 міліметрі і залежить від агрегатного та хімічного стану цієї речовини, ступеню деформації, стеричного чинника. Автором встановлено,що масоперенесення від речовини середовища в метал спостерігається лише в процесі деформування, тобто в динамічному режимі та відбувається поатомно, тобто процес руйнування речовини середовища за таких умов відбувається шляхом руйнування окремих молекул цього середовища на атомні складові. Виявлене явище названо поатомним розщепленням речовини середовища дислокаціями під час деформування металу - ПРСД. Запропоновано механізм та феноменологічну теорію цього явища, які полягають в наступному.

На поверхні металу під час конденсації води (поляризованої рідини) утворюється регулярна псевдокристалічна структура молекул Н2О завтовшки до 1,52 мкм (в деяких випадках - до 10 мкм) /за працями групи Г.Дістлера з Інституту кристалографії АН СРСР/. Вона має низку специфічних властивостей, які відсутні у звичайній водогінній воді: певну пружність; вищу в 1020 разів в'язкість; регулярну структуру, подібну до кристалічної та інші. Ці властивості зберігаються до Т=373 К. Радіус дії цих сил в сотні раз первищує радіус дії сил ВандерВаальса. Конденсовану воду з псевдокристалічною будовою названо автором структурованою, а проточну водогінну - звичайною. Орієнтована полімолекулярна адсорбція на поверхні металу може бути пов'язана з утворенням або водневих зв'язків, або місткових структур. В структурованій воді існують водночас обидва типи зв'язків - міжатомні (водневі) та міжмолекулярні (місткові). В дисертації показано, що структуровану воду слід розглядати не як псевдокристал Н2О (за Дістлером), а як полімолекулярну впорядковану структуру з гідроксидів ОН, яка “зшита” атомами водню. Цю тезу підтверджено в експерименті. За взаємодії двох кристалічних систем - покриття (епітаксії) та підоснови (твердого тіла) з перевищенням ступеню невідповідності їх граток більше, ніж на 4%, виникають так звані дислокації невідповідності, які компенсують цю неузгодженість, утворюючи псевдоморфні структури. Під час пластичної деформації в металі генеруються крайові дислокації, які викликають в епітаксіальній плівці води формування дислокацій невідповідності. Цей акт супроводжується руйнуванням прилеглих гратниць води на окремі атоми, які поглинаються крайовими дислокаціями металу. На відміну від епітаксіальних твердих покриттів у воді дислокацій невідповідності мають обмежену довжину та обмежений термін існування. Якщо подальша деформація металу припиниться, в воді відновиться status quo - поновиться регулярна епітаксіальна структура води. Характерною особливістю процесу ПРСД є те, що він відбувається не по всій площі контакту рідинаметал (як при адсорбції), і не за всім об'ємом рідини (як за термічної дисоціації), а локалізовано, лише в місцях утворення дислокацій невідповідності в епітаксіальній плівці води. Другою особливістю процесу є коротка тривалість існування цих дислокацій в епітаксіальній плівці рідини з огляду на агрегатний стан останньої. Їх ріст в надрах епітаксіальної плівки має теж бути обмежений в часі і в просторі.

Експериментальна перевірка основних положень цієї теорії ПРСД проводилась вимірюванням на зразках міді МО, які деформувались в газоподібному водні, в структурованій та звичайній воді (мал. 6); деформуванням сталей Ст.3, 20, 45, 12Х1МФ, Х70, Х60, Х18Н9Т, 14Х2ГМР, 15ГС, 09Г2МФБ, сплавів АДО, В95пч, НВЦ, ЭЛН1, ВТ10, ВТ6, ОТ4 та інших в різних середовищах (гази та їх суміші, різні рідини, склоподібні та кристалічні тіла тощо) зі швидкостей деформації від е=1,6.1051/с до 1.106 1/с. Контроль за вмістом та розподілом хімічних елементів, які перейшли з середовища в метал, здійснювали методами ЛМА з ТЕЕ, ЛЛМА, ОЕС, ВІМС, мікропрофілометрії, на приладах ЭХО4М, Об768М, LAS2000. Свідченням, що руйнування речовини середовища під час деформування металу відбувається саме поатомно слугують експериментальні данні, які було отримано згаданими методами на відповідних зразках металу. Зокрема, виявлено хлор після розтягу сталі в морській воді; поглинання всіх компонентів мурашкової кислоти СH2COOH Н,О, С сталлю Х70, яка розтягувалась в цій кислоті тощо. В останньому випадку профілі С,О,Н співпадають, до того ж відчувається вплив стеричного чинника на глибину проникненя домішки

Дослідженнями впливу деформації заліза на псевдоморфні вкраплення карбідів в армкозалізі та сталі 45 було підтверджено справедливість теорії ПРСД і в цьому випадку. В результаті поатомного руйнування Fe3C дислокаціями невідповідності атоми С переходять в залізо, утворюючи специфічний твердий розчин, зумовлений присутністю дислокацій (мал.7). Це було підтверджено й рентгенівським дослідженнями на дифрактометрі ДРОН3 з використанням випромінювань різної проникної здатності - Cr Kб (8 мкм), Fe K б (12 мкм) Co K б (20 мкм). Fe3C, було зафіксовано на глибині 20 мкм, на менших глибиних його не було.

Дію явища ПРСД необхідно враховувати під час проведення різного роду випробовувань, пов'язаних з пластичною деформацією (наприклад, корозійні випробовування під навантаженням) та під час експлуатації багатьох вузлів та механізмів.

В підрозділі 2 розглядаються особливості руйнування металу лопаток парових турбін енергетичних котлів закритичного тиску ТЕС, яке відбувається під дією газорідинного середовища за підвищених температур та тиску, що впливає на хімічний склад та стійкість цього металу. Особливістю експлуатації цих лопаток є те, що на метал діють знакозмінні навантаження, тобто постійно генеруються дислокації. Отже, тут повинно одночасно діяти явище ПРСД (завдяки чому метал лопатки поглинає з зовнішнього середовища - парогазової суміші Cl,Ca,Zn, Al,Na,H,О,S,Cu тощо); в результаті механічного циклювання відбувається перерозподіл в об'ємі металу хімічних елементів; діє і явище АЗМ (вихід окремих хімічних елементів на міжзеренну та міжфазну поверхню, або міграція деяких елементів з цих поверхонь в об'єм зерен). В результаті взаємодії згаданих процесів під час експлуатації відбувається інтенсивне насичення металу не тільки воднем та киснем (що очікувалось), але й іншими окрихчувальними елементами - Si, S, Cl, Ca, Cu, Zn, Na, які були відсутніми у вихідному металі. У верхівці лопатки (торцовій частині) це збагачення значно інтенсивніше, ніж в її основіхвостовіку. Характерно, що і в цьому випадку певну роль відіграє стеричний чинник: Н проникає в метал на глибину 3500 мкм, О на 400100 мкм, С - на 100 мкм, S 70 мкм, Cr - 20 мкм. Отже, в результаті тривалої експлуатації та перебігу вищеназваних процесів суцільний гомогенний вихідний метал (сталь 08Х13) перетворився на багатошарову композицію з різних за складом металів з різними механічними властивостями, що додатково до сказаного вище зумовлює виникнення внутрішніх напружень, які сприяють руйнуванню метала. Розвиток сегрегаційних процесів веде в свою чергу до появи різних мікрогальванічних пар, отже і до розвитку електрохімічних процесів та до корозійного руйнування металу: на поверхні лопатки можна очікувати сліди пітінгової корозії, виразки. Саме це й спостерігається на практиці.

В підрозділі 3 подано результати досліджень формування оксидного покриття на поверхні багатолегованих жаростійких сплавів за температур до 1123 К та тривалих витримках. До контактної поверхні запорної арматури (шибера, засувки, відсікачі тощо), яка використовується на лінії пароводяного тракту атомних та теплових електростанцій, ставляться досить жорсткі й суперечливі вимоги: перекриття має бути щільним, герметичним, триматись в такому стані тривалий час (дні, місяці), але за потреби відкриватися легко і без прихватів. Ці властивості мають зберігатися в широкому інтервалі температур (від кімнатних до 923 -1123 К). Робота виконувалась в 1986 р на замовлення Чорнобильської АЕС. Мета роботи - виявити оптимальний склад металу для робочих поверхонь запорної арматури, який може забезпечити високі експлоатаційні характеристики. Нами було досліджено 6 сплавів (НЖ12,ЦН2,ЦН6,Н66,Н70, Н88), які нагрівалися в печі на повітрі до 473,573,623,673,723,773, 823,873,923 К протягом 8;500 та 1000 годин витримки за цих температур. Поверхню кожного зразка травили йонним пучком Ar від 25 до 540 хв.з періодичною з'йомкою повних Ожеспектрів. За результатами вимірів вмісту та розподілу елементів в приповерхневих шарах були розраховані термодинамічні параметри утворення в даних металевих зразках оксидів (простих та складних). Деякі з них перевірялись методом ЕСХА. Проведено більше 10000 вимірів та виконано ~ 38000 термодинамічних розрахунків. Отже,база данних була достатньою. Встановлено, що з утворенням окаліни протягом нагрівання значна частина хімічних елементів лишається не окисленою. Залежно від температури за витримки 8 годин окислюється від 26 до 47% елементів поверхневого шару та до 80% в прилеглому металі. Під шаром оксидів лежить зона внутрішнього окислення, де ступінь окислення не перевищує 10%. Максимальних значень ступінь окисленості досягається на деякій відстані від поверхні, причому з підвищенням температури й постійній витримці ця відстань збільшується, а зі збільшенням витримки, зменшується. Встановлено, що прості оксиди існують лише за Т<623 К, а за Т> 623 К вже утворюються комплексні оксиди, до складу яких входять B,Ca,Si,Mn, Mo,Fe, Ni,Cr (2/3 окаліни) і лише 1/3 складає простий оксид заліза. Зі збільшенням тривалості витримки за Т=623 К з 8 до 1000 годин значно (до 80,2%), зростає і доля боросилікатних оксидів типу (В2О3)n (SiO2 )m, а загальна окисленність зростає до 98,9%. За Т=823 К боросилікати зберігаються лише в поверхневому шарі завтовшки до 15 нм, в більш глибоких шарах вони витискуються оксидами хрому (87%). Оксиди марганцю починають відігравати певну роль лише за Т>873923 К. Отже, за різних температур, як це й має бути згідно явищу АЗМ, на поверхню та в приповерхневі шари металу виходять різні хімічні елементи, які утворюють відповідні оксиди та комплексні сполуки з ними. Механічні та трібологічні характеристики згаданих оксидів різні, але у відповідних температурних діапазонах вони наближаються один до одного. Це й забезпечує з одного боку відсутність схоплення контактних поверхонь за довготривалого закритого положення шибера чи засувки (дія явища АЗМ веде до зміни складу елементів на поверхні контакту), а з другого надійну герметізацію і малі значення коефіцієнту тертя. в усіх діапазонах технологічних температур. Таке дослідження було проведено вперше.

Результати вивчення впливу температури на взаємодію в умовах всебічного стиснення неметалевих вкраплень (оксидів) з твердим тілом (дифузія кисню в FeNi сплав при Т=300...1823 К) наведено в підрозділі 4. Дифузію кисню в твердому тілі зза складністі, яка зумовлена високою реакційною здатністю цього елементу, до автора вивчали лише в досить обмеженому інтервалі температур (ДТ=300о). В основу нашого дослідження покладено ідею дифузійного розчинення неметалевих вкраплень (НВ) -оксидів - під час нагрівання металу литого електроду зі сплаву FeNi.. Встановлено, що за цих обставин розміри НВ зменшуються, а ширина зони металу, прилеглої до міжфазної поверхні, збагаченого киснем, розширюється. Особливістю цього процесу є те, що НВ перебувають в умовах всебічного стискання, тому застосовувати відомі формули для обчислення коефіцієнту дифузії (D=D0expQ/2RT) тут не можна. Нами запропоновано нову формулу для обчислення коефіцієнтів дифузії - за переміщенням межі підвищення локальної концентрації кисню навколо НВ в середині металу. Ця формула не має табульованих, кореляційних чи підгоночних коефіцієнтів, а використовує лише параметри, які визначаються під час експерименту:

D=K(rr0)2 /2(фф0)

де К=с1/с2;с1 та с2 - питома щільність оксиду (НВ) та матриці; r та r0 - поточний та вихідний радіус зони збагачення киснем; ф та ф0 - поточний та вихідний (перед початком вимірювань) час. Температуру подано неявно, вона визначається за графіком r = ѓ(ф,T), який побудовано теж за експериментальними даними. На мал. 8 подано зміну коефіцієнту дифузії кисню та енергії активації цього процесу в широкому інтервалі температур (293...1823 К), що зроблено вперше. Виявлено різку (стрибками) зміну параметрів в 7 зонах - д-г, г-б перетворення; рекристалізація; потрійної точки; точок Кюрі, переходу реакційна звичайна дифузія, об'ємна - зерномежева. Всі ці параметри виявлено вперше.