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

Хімічна промисловість. 1. Під час впровадження замість стальних футерованих корпусів апаратів сірчанокислотного гідролізу деревини на виготовлені з титанових сплавів з'ясувалось, що деякі з апаратів замість очікуваних 17 років виходили з ладу вже через 12 місяці після пуску. В результаті проведеної роботи було виявлене значне наводнення металу та різке (на 23 порядки) підвищення швидкості його корозії. Встановлено причину цих відхилень та разом з технологами ІЕЗ розроблено відповідні рекомендації. Запроваджено на заводі Уралхіммаш.

2. У виробництві оптичних волокон, які застовуються в сучасних засобах зв'язку, використовуються склоплавильні апарати з фільєрами з корозійно та жаростійкого сплаву, який містить Pt,Pd,Ir,Au,Rd. Нормативний термін їх експлоатації - 350370 діб, окремі ж апарати виходили з ладу через 13 доби. В результаті проведеної роботи було встановлено, що завдяки дії явищ АЗМ та ПРСД метал під час експлуатації насичується Ca,Na,Si, які утворюють скупчення переважно межами зерен. Введення додаткової спеціальної ТО металу, а також ліквідація пульсуючого навантаження дозволили збільшити мінімальний термін експлуатації згаданих апаратів до 120 діб.

Металургія та металооброблення. Прокатне виробництво. Для підвищення терміну служби на поверхню валків прокатного стану наносять зносо та жаростійкий шар хромістого наплавленого металу, на якому під час експлуатації з'являються тріщини, руйнується робоча поверхня валків. Для запобігання цього використано комплексне мікролегування металу наплавки Al,Y,Zr та знешкоджено негативний вплив водню. Рекомендовано під час теплозмін не охолоджувати поверхню валків до температур, нижчих за 483 К, щоб водень не накопичувався і не молізувався на міжфазних поверхнях МеНВ. Останнє сприяє пошкодженню металу.

З різних причин економічна ефективність переважної більшості розробок автора не визначалась. Задокументований економічний ефект від впровадження частини розробок автора, склав 9477585 грн (за станом на 30.06.2000р. в перерахунку за курсом валюти на дату впровадження).

Загальні висновки.

1.Проведено теоретичне та експериментальне дослідження впливу термічної та деформаційної обробки на перерозподіл домішкових та легувальних елементів і початкової стадії формування хімічної неоднорідності в металевих матеріалах. Останнє веде до зміни локального хімічного складу сплавів, їх локальних механічних властивостей, сприяє зародженню тріщин, впливає на службові характеристики матеріалів, готових виробів та конструкцій.

2. Вперше в матеріалознавстві запропоновано та реалізовано моделювання фізичних процесів на атомному рівні з використанням маркерних нерадіоактивних елементівдомішок газів в тому числі й інертних, для вивчення процесів кристалізації в рідкий та твердій фазах; атомних процесів рекристалізації; перебудови та утворення кристалічних гратниць; процесів масообміну між середовищем та стінками порожнини тріщин; локального розподілу полей напружень тощо. Завдяки цьому вперше в прямому експерименті виявлено атомний механізм початкового процесу зародкоутворення нового зерна під час рекристалізації сталі.

3. Виявлено існування специфічних твердих розчинів домішок в металах -аномальних розчинів клатратного типу (АРК), який відрізняється від твердих розчинів проникненння та заміщення стеричними параметрами, способом утворення, характером міжатомних сил зв'язку, набутими механічними властивостями, впливом на структурний та фазовий склад металу. Виявлено два різновиди АРК з металами (І) та з газами (ІІ), та обов'язкові умови їх утворення.

4. Виявлено існування специфічних новоутворень домішкових та легувальних елементів, які виступають як дво та тримірні солітони, мають квантові властивості, їх рух в об'ємі описується періодичними закономірностями. Ці утворення формуються в окіллі меж зерен, фаз, поверхонь площинних та об'ємних дефектів,що ускладнює вільне переміщення дислокацій під час деформації. Поява спреціфічних утворень передує формуванню скупчень домішкових та легувальних елементів та кластерів, які є стаціонарними утвореннями.

5. В прямому експерименті показано, що перерозподіл хімічних елементів в зерні, на його межі і в прилеглому металі відбувається не тільки в результаті термічної обробки, але й вже через кілька хвилин після накладання статичного або динамічного навантаження. В результаті на межі утворюється прошарок металу з іншим хімічним складом та іншими механічними властивостями, ніж у матричного металу.

6. Експериментально встановлено і доведено факт одночасного існування в металах квазійонів водню Н+ та Н. Показано, що в металі Н то є дифузійнорухливий водень, а Н+ залишковий. Характерною ознакою квазійону Н є його надвисока рухливість в металі (на 35 порядків вища за Н+). Встановлено, що у квазійонів Н та Н+ докорінно відрізняються: швидкість та механізм масоперенесення в тому ж металі; чутливість до дії зовнішніх чинників (тиск, склад середовища, температура); місце розташування в кристалічній гратниці; характер розподілу в твердому тілі поблизу площинних та об'ємних дефектів (в тому числі й тріщин), меж зерен, фаз та поверхонь. Експериментально визначено температуру фазового переходу Н-Н+ - 603 К (328оС). Н стабільно існує за Т<603 К і лише в межах твердого тіла. Висловлено припущення про квантовий характер негативних квазійонів водню,які мають властивості бозонів, але тільки в межах твердого тіла; квазійони Н+ має властивості ферміону. Це пояснює наведені вище відмінності згаданих квазійонів.

7. Виявлено та вперше описано фізичні явища:

*“аномальна зустрічнозворотня міграція хімічних елементів під час термоциклу (АЗМ);

*поатомне розщеплення речовини середовища дислокаціями, які утворюються під час деформації металу (ПРСД)

*різке (на порядки) зростання швидкості електрохімічних процесів та корозійного руйнування металу під час контакту його поверхні зі складноструктурованою рідиною (КОС)

Дано теоретичне обгрунтування виявлених явищ та отримане експериментальне їх підтвердження. На підставі явища АЗМ розроблено принципово нову технологію твердофазного рафінування, яка дозволила майже на порядок підвищити пластичність готових напівфабрикатів з тугоплавких металів (W,Mo).

8.Виявлено та описано нові ефекти:

* впливу гравітації на механізм, характер, швидкість термічного випаровування бінарних сплавів;

* отримання термічного конденсату, адекватного за хімічним складом бінарному сплаву, який випаровувався в космосі;

* десорбції водню і перерозподіл домішкових та легувальних елементів в зоні релаксації напружень при розкритті деформаційних тріщин

9.Виявлено та описано нові механізми :

* окрихчення після гартування феритних, перлітних сталей та мартенситобейнітних сталей;

* транспортування хімічних елементів під час термічного та деформаційного оброблення:

під час циклічних процесів

поодиноких солітонів водню під час імпульсного оброблення металів

* поатомного переходу хімічних елементів з молекул середовища в тверде тіло, яке деформується;

* формування на атомному рівні зародків нових зерен під час рекристалізації;

* окрихчення металу труб пароводяного тракту ТЕС за Т<530К та за 600<T<850K;

* сорбції та масоперенесення домішкових та легувальних елементів під час зварювання вибухом

* зносу та руйнування сопел плазмових пальників та камер згоряння реактивних двигунів;

* руйнування окремих зварних вузлів літаків з високоміцної сталі (корпус двигуна, бензобак, шасі тощо) під час експлоатації та збереження винищувачів в сховищах;

* пористості, яка виникає в металі під час зварювання броньового захисту окремих вузлів літака з холоднокатаної корозійно та теплостійкої сталі;

* узагальнений - руйнування металів та сплавів за різних температур при циклічних, періодичних та звичайних навантаженнях та руйнуванні;

10.Запропоновано та реалізовано нові методи:

* визначення локальних коефіцієнтів дифузії газів в металах:

за швидкістю переміщення межі підвищеної концентрації домішки, яка переходить в метал під час термічного розчинення неметалевого вкраплення;

за просторовим перміщенням за відомий відрізок часу хвильового концентраційного піку солітону - домішки в металі

* ранньої діагностики початку процесу кристалізації аморфної речовини - за зростанням йонних піків окремих компонентів данної речовини під час її нагрівання;

* твердофазного рафінування тугоплавких металів - на підставі явища АЗМ;

* запобігання виникненню та швидкої зупинки тріщини, яка росте з катастрофічною швидкістю;

11.В прямому експерименті вперше проведено вимірювання:

* локальної концентрації водню та кисню в зоні передруйнування, в окіллі вістря та берегами тріщин різного походження, на підставі чого вперше побудовано дво та тримірні мапи розподілу водню в окіллі деформаційних та деформаційнокорозійних тріщин;

* коефіцієнтів дифузії водню в зоні передруйнування, в стінки тріщини по всій її довжині та через оксидний шар різної товщини;

* коефіцієнтів дифузії кисню та енергії активації цього процесу в інтервалі температур 2931823 К; виявлено 7 характерних температурних зон, з переходом через які він змінюється стрибками і які співпадають з температурами фазових, структурних, магнітних перетворень, потрійною точкою, температурою переходу від об'ємної до реактивної дифузії та від атомарної до об'ємної тощо;

* дольової частки сорбції водню металом на окремих стадіях його деформування (пружна, пластична деформація, плинність).

12.Вперше встановлено, що під час окислення багатокомпонентного сплаву максимального значення ступінь окислення компонентів сплаву досягає не на поверхні (як очікувалось), а на деякій відстані від неї, яка збільшується при підвищенні температури, досягає максимуму за Т=823 К, але зменшується зі зростанням тривалості витримки за Т=const. Встановлено, що за Т? 823К в цих сталях оксиди титану та марганцю взаємно виштовхують один одного з поверхні розділу фаз і лише в присутності SiO2 між ними можливий перебіг обмінних реакцій.

13. Запропоновано новий тип діаграм діаграми масоперенесення, які дозволяють визначати зміну концентрації окремих хімічних елементів на міжзеренних та міжфазних поверхнях конкретних металевих сплавів під час їх нагрівання

14. Вперше встановлено, що рівень вмісту окремих хімічних елементів в металі зони, прилеглої до поверхні руйнування, змінюється і стабілізується на відстані, зворотно пропорційній розмірам атомів компонентів сплаву. В лопатці турбіни зі сталі 08Х13 після руйнування в результаті експлуатації парового котла закритичного тиску ТЕС ці відстані складають відповідно для Н -3500мкм, для О - 400...1000 мкм, для С - 100 мкм, для S - 70 мкм, для Cr - 20 мкм.

15.Отримано нові експериментальні підтвердження існування хвильового масоперенесення, виявленого раніше. Встановлено, що амплітуда та період дифузійних (концентраційних) хвиль від контактної поверхні в глибину металу при насичені останнього домішками з газової, рідиннометалевої, рідинношлакової фаз та з плазми різного складу залежить від потужності джерела дифузії, співвідношення стеричних параметрів дифузантів та матричного металу, температури процесу, наявності та характеру напружень в напрямку масоперенесення, постійності величини перетину зразка металу в цьому ж напрямку тощо.

16. Запропоновано враховувати додаткові параметри для оцінки здатності матеріалу до тріщиностійкості при використанні силового, деформаційного та енергетичного критеріїв руйнування, а саме- хімічний (сегрегаційний), динамічний, електронний. Для оцінки схильності матеріалу до крихкого руйнування без проведення механічних випробовувань пропонується використовувати кут крихкості и на графіку залежності C=ѓ(L): чим гостріше цей кут, тим більш в'язким є руйнування твердого тіла; за крихкого руйнуванні и>90о.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПРИЛЮДНЕНО В ТАКИХ РОБОТАХ

1.Вайнман А.Б., Мелехов Р.К., Смиян О.Д. Водородное охрупчивание элементов котлов высокого давления. Киев, Наукова думка, 1990, 272 с.

2.Сміян О.Д., Дзядикевич Ю.В. Сумісна дифузія елементів проникнення в металеву основу в процесі формування боридного покриття. //Доповіді НАН України, 1992, №11, с.8488.

3.Дзядикевич Ю.В., Сміян О.Д., Горбатюк Р.М. Очищення тугоплавких металів від домішок проникнення //Доповіді НАН України,1996, №8, с.98104.

4.Сміян О.Д., Григоренко Г.М.: Вплив температури на зміну концентрації хімічних елементів на поверхні розподілу металічних матеріалів //Доповіді НАН України, 1999, №5, с.115120.

5.Микаэлян Г.С., Смиян О.Д. Роль газовых примесей в разрушении хромистого наплавленного металла //Известия АН СССР. Металлы. 1990, №6, с.114119.

6.Роль примесей кислорода и углерода при деформировании кристаллической структуры плёнок дисилицида титана /Макогон Ю.Н,Остапчук А.И,Сидоренко С.И,Смиян О.Д //Известия РАН. Металлы, 1993, № 2, с.187192.

7.Лютый Е.М,Смиян О.Д,Елисеева О.И. Роль напряжений в процессе высокотемпературного окисления сплавов ниобия в разреженном потоке кислорода //Изв. АН СССР. Металлы., 1984, №4, с.203207.

8.Распределение примесных элементов и межатомная связь в границах зёрен деформированного прокаткой железа, /Шелудченко Л.М., Тихонович В.В., Горский В.В., Смиян О.Д., Антонов С.О., Франчук В.И. //Металлофизика, 1990, т.12, №3, с.8997.

9.Влияние химического состава и электронной структуры приграничных областей фрагментов на физикомеханические свойства железа при прокатке в активных средах. /Тихонович В.В., Шелудченко Л.М., Горский В.В., Смиян О.Д., Антонов С.О., Драчинская А.Г //Металлофизика, 1992, т.14, №4, с.7581.

10.Днепренко К.В., Смиян О.Д. Высокоэкономичные газовые трубчатые нагревательные элементы для термических печей //МиТОМ, 1963, №3, с.5457.

11.Газонасыщенность поверхностных слоёв сварных соединений сплава ОТ4 после полного и неполного отжига в вакууме /Муравьёв И.И.,Смиян О.Д.,Коломенский А.Б.,Рощупкин А.Н. //МиТОМ, 1982, №2, с.4951.

12.Смиян О.Д., Потапенко Л.А., Погребисский Д.М. О разрушении сварных стеклоплавильных аппаратов из сплава ПлРдПдИЗл 20100101. //МиТОМ, 1988, №12, с.4447

13.Сміян О.Д.,Григоренко Г.М.,Вайнман А.Б. Вплив різних видів циклювання на поведінку водню в металах // Машинознавство,1999,№5,с.49.

14.Сміян О.Д.Механізм зародження та розвитку тріщин в металах при різних температурах //Машинознавство, 2000, №12, с.2026.

15.Сміян О.Д. Атомний механізм взаємодії речовини середовища з металом, що деформується. Фізика та хімія твердого тіла, 2002, №4,с.662674.

16.Влияние водорода на хрупкость конструкционных сталей и их сварных соединений /Походня И.К., Швачко В.И., Упырь А.Н., Шиян А.В., Смиян О.Д., Котречко С.А .//Авт. сварка, 1989, №5, с. 14

17.Химическая микронеоднородность на границах зёрен металла ЗТВ мартенситобейнитной стали 14ХГН2МДАФБ /Миходуй Л.И.,Смиян О.Д.,Мовчан М.Б.,Позняков В.Д.,Антонов С.О.// Авт. сварка, 2001, №10, с. 17.

18.Поглощение аргона из защитной атмосферы металлом сварочной ванны /В.Г.Свецинский,С.Т. Римский, О.Д. Смиян, А.М.Шалаев //Авт. сварка, 1974, № 12, с.6263.

19.Особенности сегрегации примесных и легирующих элементов на границах зёрен высоколегированных сварных швов и сталей аустенитного класса /Савченко В.С., Ющенко К.А., Смиян О.Д., Трофимов А.А., Лундквист Г. //Авт. сварка, 1988, №6, с.1924.

20.Влияние тока, его полярности и состава газовой среды на поглощение аргона жидким металлом /В.Г. Свецинский, С.Т Римский, О.Д Смиян, А.М Шалаев. //Авт. сварка, 1978, №9, с. 811. ,

21.Босак Л.К., Буткова Е.И., Смиян О.Д. Изучение особенностей сорбции водорода твёрдым металлом применительно к ЗТВ при сварке меди //Авт. сварка, 1988,№8,с.3038.

22.Распределение азота, кислорода и углерода в зоне соединения металлов, свариваемых взрывом /Смиян О.Д, ЖенниМайская Л.О, Лысак В.И, Седых В.С, Трыков Ю.П, Цуменко В.В //Авт.сварка,1985, №2, с.2933.

23.Смиян О.Д. Новый метод определения коэффициента диффузии газа в металле сварного соединения //Авт. сварка,1976, №6, с.6970.

24.Влияние отжига на характер распределения водорода в сварных соединениях сплава АТ3 /Блащук В.Е., Буткова Е.И.,Смиян О.Д.,Шеленков Г.М.,Трояновский В.Э. //Авт. сварка, 1990, №11, с.3336

25.Влияние водорода на стойкость платинового сплава против образования трещин /Смиян О.Д., Шнайдер Б.Й., Погребисский Д.М.,Потапенко Л.А.,Буткова Е.И.//Авт. сварка,1986,№2,с.1012.

26.Смиян О.Д. Прогнозирование образования и развития холодных трещин в конструкционных материалах с помощью сегрегационных карт примесей внедрения //Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций, 1985, вып.1, с 5967.

27.Смиян О.Д.Водород и замедленное разрушение высокопрочной стали //Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций, 1987, вып.5, с.2936.

28.Моделирование условий образования горячих трещин в стабильноаустенитном шве системы легирования FeNi /В.С.Савченко, К.А.Ющенко, О.Д.Смиян, М.М.Шарипов //Информационные материалы СЭВ, 1988, вып.2, с.1012.

29.Качество соединений при сварке холоднокатаных высокопрочных сталей /Стеренбоген Ю.А., Савицкий М.М., Смиян О.Д., Лупан А.Ф., Днепренко К.В., Ганелин Д.К. //Авиац. пром., 1982, №10, с.7173.

30.Водород в высокопрочном металле шва, микролегированном РЗМ /Мусияченко В.Ф.,Мельник И.С., Смиян О.Д., Буткова Е.И.//Информационные материалы СЭВ,1988,№1,с.1318

31.Механизм аномальнолго коррозионного поведения сплавов алюминия в концентрированной уксусной кислоте /Поляков С.Г., Григоренко Г.М., Смиян О.Д., Кладницкая М.Б., Боева Г.Е., Трофимов А.А. //Защита металлов, 1992, т.28, № 1, с.8387.

32.О влиянии водорода на хрупкие разрушения труб пароперегревателей котлов высокого давления /Вайнман А.Б., Мелехов Р.К.,Смиян О.Д.,Асатурьян А.Г.,Буткова Е.И. //Энергетик,1988,№3,с.1114.

33.О механизме хрупких разрушений аустенитных труб пароперегревателей котлов СКД /Вайнман А.Б., Школьникова Б.Э.,Шешенёв М.Р.,Смиян О.Д.//Теплоэнергетика,1993,№12,с.6165

34. Влияние смазочноохлаждающих жидкостей на химический состав и физикохимические свойства железа после прокатки /Тиханович В.В., Горский В.В., Шелудченко Л.М., Шаповал Б.С., Смиян О.Д., Антонов С.О., Темненко В.П., Стулий Г.С.//ФХММ, 1993, №1, с.110115.

35.Сміян О.Д., Дзядикевич Ю.В. Деякі особливості будови приповерхневих шарів боридного покриття на танталі, ФХММ, 1993, №2, с. 6066.

36.Смиян О.Д. Диффузия водорода в металл стенок трещин при коррозионном растрескивании сплава AlZnMgCu //ФХММ, 1986, №5, с. 2227.

37.Мелехов Р.К., Сміян О.Д. Корозійномеханічні пошкодження металу енергоблоків котлів високого тиску //Українське металознавство. Зб. праць. Т.2.,НТТ ім.. Т.Г.Шевченка, КиївЛьвів, 1995, с.3748.

38.Смиян О.Д. Масссоперенос водорода в металле под воздействием ударной повторнопеременной нагрузки //ФХММ, 1983, №3, с.2932.

39.Смиян О.Д,Вайнман А.Б,Бондаренко В.В. - Исследование коррозионных трещин в металле паропровода высокого давления //ФХММ,1992,№5,с.8387.

40.Исследование причин хрупкого разрушения гнутого участка паропровода острого пара из стали 12Х1МФ /Вайнман А.Б.,Смиян О.Д.,Калинюк Н.Н.,Новгородцева Л.Б.,Бондаренко В.В. //Электрические станции, 1989,№5, с.4348.

41.Влияние водорода на склонность к образованию трещин в ЗТВ с концентратором напряжений /Касаткин Б.С,Смиян О.Д,Михайлов В.Е,Волков В.В,Буткова Е.И,Макаров В.В.//Авт.сварка,1986,№11, с.2023

42. Распределение водорода и кислорода в металле шва при ударной конденсаторной приварке шпилек из сплава Амг6 /Буткова Е.И.,Смиян О.Д.,Калеко Д.М.,Резниченко Н.Я.//Авт.сварка,1988,№2,с.1722.

43.Влияние способа подготовки кромок на свойства сварных соединений высокопрочных сталей /Котвицкий А.Д., Никитин А.А.,Голошубов В.И.,Касаткин Б.С.,Марченко Е.В.,Смиян О.Д. //Авт.сварка, 1974, №2, с.3740.

44.Образование горячих трещин в швах при сварке инвара /Ющенко К.А.,Старущенко Т.М.Савченко В.С.,Смиян О.Д.,Саволей Н.И.,Антонов С.О.//Авт. Сварка,1989,№10,с.1318.

45.Особенности переходного участка между ЗТВ и основным металлом в сварных соединениях титановых сплавов /Задерий Б.А, Шевчук Т.В, Смиян О.Д, Котенко С.С, Буткова Е.И.//Авт.св. ,1987, №3, с.811.

46.Smiyan O.D.,Grigorenko G.M.,Vainman A.B. - Effect of hydrogen on corrosion damage of metal of the highpressure energetic boiler drum //International Journal of Hydrogen Energy,2002,27,p.801812.

47. Сміян О.Д. Нове фізичне явище - “термічна гра” хімічних елементів //Винахідник та раціоналізатор, 1998, № 23, с. 4749.

48. Features of chemical elements migration in the `nearsurface layers of metals and alloys during thermal cycling /Smiyan O.D.,Grigorenko GM., Mikhailovskaуа E.S, Kapitanchyuk L.M.,Antonov S.O. -//Proceeding SPIE ,vol.2809.Space Processing of materials, 1996, Denver, Colorado, USA, p.311320.

49.Inert Gas absorption by the steel weld poul /V.G.Svetsinsky, S.T.Rimsky, O.D.Smiyan, A.M. Shalaev //World .Poul Chemistry and Metallurgy.Intern.Conf., London, apr.1980, Welding Institute Preprint, p. 99106/

50. Sleptsov O.I., Mikhailov V.E., Smiyan O.D. Relationship between the delayed fracture process inwelds and kinetics of hidrogen reedistribution, Document MIS 1X155789,1989, 28 pages.

51. Исследование влияния гравитации на состав покрытий из двойных сплавов AgCu /Лукаш Е.С., Шулым В.Ф., Григоренко Г.М., Смиян О.Д., Незнамова Л.О. //”Проблемы космической технологии металлов”, сб. Научн. тр., Киев, ИЭС им. Е.О.Патона АН УССР, 1986, с.2228.

52. Сегрегационные эффекты в покрытиях AgCu, осаждённых в космических и наземных условиях ./Топтыгин А.Л., Михайловская Е.С., Смиян О.Д., Незнамова Л.О., Шулым В.Ф., Малашенко И.С.// “Космос: технология, материаловедение и конструкции”, сб. Научн. тр. П/ред. Б.Е.Патона, Киев, ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 2000, с. 339348

53. Смиян О.Д., Диффузионное растворение оксидных включений при нагревании железоникелевого сплава в интервале температур 20 14800С //Диффузионные процессы при сварке”, сб. научн. тр., Киев, Знание, 1976, с.1516.

54. Смиян О.Д. ЖенниМайская Л.О., Гаврилюк Л.С. Экспериментальное изучение миграции водорода в металле, сваренном взрывом //“ Сварка взрывом и свойства сварных соединений “, сб. научн. тр., Волгоград, Волгогр. политехн. инст., 1986, с.119129

55. Меlekhov R.K.,Fridman M.A.,Smiyan O.D. Erosion and Corosion in Nuclear Power Plant Materials. Proc.of Specialists Meeting, organized by Intern. Atomic Energy Agency. Vienna, Austria, 1994, p.300318.

56. Смиян О.Д. Устройство для контроля качества сварных соединений в готовых изделиях и крупногабаритных узлах //А.с. СССР, №581620, заявл .09.12.72, рег. 28.07.77

57. Способ массспектрального количественного определения водорода в твёрдых материалах /Походня И.К, Швачко В.И., Упырь А.Н., Пальцевич А.П., Смиян О.Д., Антонов С.О. //Авт. свид. СССР №1711261.Заявл. 26 06.89, рег.06.07.90

58. Способ предотвращения лавинного разрушения трубопроводов высокого давления /Смиян О.Д., Кудинов В.М., ЖенниМайская Л.О., Петушков В.Г., Гаврилюк Л.С.//А.с. СССР № 1365528 от 08.09.1987г, заявл.27.10.1982, рег.12.09.86

59. Способ измерения размеров ультрадисперсных кристаллических частиц твердотельных образцов /Антонов С.О, Смиян О.Д,Маркашова Л.И,Даровский Г.Ф.//А.с. СССР № 1775655, зв. 28.05.90, рег.15.07.92

60.Дзядикевич Ю.В., Сміян О.Д., Горбатюк Р.М. Спосіб ДЮГРОС рафінування тугоплавких металів та сплавів //Патент України №14752А, заявл.3.01.96, рег.18.02.97.

61.Диффузионное перемещение газообразующих примесей в металлах во время их нагрева /Смиян О.Д., Касаткин Б.С., Мусияченко В.Ф., Кружков А.Г., Аптекарь Н.М. //Методы определения и исследования состояния газов в металлах. Сб. научн. тр. 3 Всес.конф, М., 1973, ч.1, с.6163

62. Смиян О.Д. Сегрегация примесей водорода, азота, кислорода и аргона в соединениях стали Ст.3 после дуговой сварки - “Методы исследования и определения газов в металлах и неорганических материалах”, сб. научн. статей Л, Наука, 1979, с.162163.

63. Смиян О.Д. - Распределение водорода в зоне деформационных трещин - Журнал физической химии, 1980, т.LIV, №11,с.29132917.

АНОТАЦІЯ

Сміян О.Д. Перерозподіл домішкових та легувальних елементів під час термічного, деформаційного оброблення та його вплив на зародження й розвиток тріщин в металах. Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук. Спеціальність 05.16.01. Інститут металофізики ім.Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2004.

Виявлено: а) існування аномальних твердих розчинів клатратного типу двох різновидів: б) нові механізми транспорту хімічних елементів в твердому тілі; в) перерозподіл елементів в металі між зерном та його межами, яке починається одразу після прикладання статичного навантаження вже за Т=300 К. г) 3 нових фізичних явища та низку ефектів; На атомному рівні розроблено механізм та вивчено перебіг початкових стадій формування: а) зародків рівноважних зерен під час рекристалізації; б) зародків кристалів в надрах аморфної речовини (до зникнення галло); в) плівокконденсатів бінарних сплавів в умовах невагомості. Запропоновано концептуальну гіпотезу моделі поверхні та феноменологичну теорію виявленого явища поатомного розщеплення металом молекул середовища, в якому він деформується. Виявлено існування специфічних утворень з квазійонів нематричних елементів. Це рухомі утворення, які можуть фіксуватись на дефектах та міжфазних поверхнях, формуючи стаціонарні передвиділення, кластери,а згодом й зародки нової фази. Встановлено, що водень в металі може існувати у вигляді квазійонів Н та Н+, які мають різну природу, різні властивості та різну поведінку в металі. Запропоновано 3 додаткових параметри до критеріїв достатності зародження та росту тріщин, механізм процесу руйнування металів за різних температур та швидкостей деформування. На базі виявлених явищ розроблено нові технології: твердофазного рафінування, нанесення покриттів тощо.

Ключові слова: структура, зародки, деформація, перерозподіл, зерно, тріщина, твердий розчин, водень, дислокація, рекристалізація, нагрівання, метал, хімічна неоднорідність.

ABSTRACT

Smiyan O.D. Redistribution of impurity and alloying elements at thermal, deformation treatment and its influence on initiation and propagation of cracks in metals. Manuscript. Thesis for scientific degree of Doctor pf Technical Sciences. Speciality 05.16.01. G.V.Kurdyumov Institute of Metal Physics of the NAS of Ukraine, Kiev, 2004.

The work established: a) existence of two kinds of anomalous solid solutions of clatrate type; b) new mechanisms of chemical elements transport in a solid; c) redistribution of elements in the metal between the grain and its boundaries, which starts immediately after application of a static load already at T = 300 K; c) 3 new physical phenomena and a number of effects. At the atomic level mechanisms were revealed and running of the initial stages of formation was studied for a) nuclei of equiaxed grains at recrystallisation; b) crystal nuclei indepth of amorphous substances (before halo disappearance); c) condensate films of binary alloys under the conditions of zero gravity. A conceptual hypothesis is proposed of a quantummechanical model of the surface, as well as a phenomenological theory of the found phenomenon of atombyatom splitting of medium molecules by the metal, deforming in it. Studies revealed the existence of specific formations of quasiions of nonmatrix elements, which simultaneously have the properties of a wave and a quantum particle. These are mobile formations, which may be found on defects and interphase surfaces, forming stationary preprecipitations, clusters and then nuclei of the new phase. It is established, that hydrogen may exist in the metal as a negative and positive quasiion with difetrent properties. Three new criteria are proposed of sufficiency of initiation and growth of the cracks and the mechanism of this process, suitable for different temperatures and different deformation rates. The found phenomena were the basis to develop advanced technologies of solidphase refining, coating deposition

Keywords: metal, structure, chemical microinhomogeneity, recrysallisation, hydrogen, solid solution, crack, fracture

АННОТАЦИЯ

Смиян О.Д. Перераспределение примесных и легирующих элементов при термической, деформационной обработках и его влияние на зарождение и развитие трещин в металлах. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Специальность 05.16.01. Институт металлофизики им. Г.В.Курдюмова НАН Украины, Киев, 2004.

При исследовании процесса деформации и нагрева металлов в прямом эксперименте обнаружено, что перераспределение примесных и легирующих элементов в зоне границ зерен, поверхностей раздела и приграничных слоев металла начинается практически сразу после наложения статической нагрузки уже при Т=300К. Эти процессы развиваются и приводят к тому, что сравнительно однородный по составу в исходном состоянии сплав превращается в микронеоднородную композицию, состоящую как бы из разных по химическому составу сплавов. Структурно эти сплавы чаще всего образуют по границам зерен каркас толщиной до нескольких десятков нанометров. Показано, что формирование химической неоднородности в металлах начинается с формирования специфических образований из квазиионов нематричных элементов. Их закрепление на дефектах, межзеренных и межфазных границах ваедет к образованию сначала стационарных скоплений примесных и легирующих элементов, которые постепенно переходят в кластеры, в предвыделения, а затем и в зародыши новой фазы. При их исследовании было обнаружено ряд не описаных ранее физических явлений и эффектов. В частности, обнаружено и исследовано явление аномальной встречновозвратной миграции некоторых химических элементов к межзеренным границам при нагреве и охлаждении. Это позволило глубже понять причины развития отпускной и водородной хрупкости металлов и наметить новые подходы к решению этой важной проблемы.

В прямом єксперименте установлен факт одновременного существования в металле (стали) квазиионов водорода Н+ (остаточный водород). и Н(диффузионноподвижный водород), соотношение между которыми зависит от химического состава и структуры металла. Особенностью квазииона Н является его сверхвысокая подвижность в металле (на 35 порядков выше, чем у Н+). Установлено, что квазииионы Н и Н+ отличаются между собой скоростью и механизмом массопереноса,чувствительностью к действию внешних факторов (давление,температура, состав среды); местом расположения в кристаллической решетке; характером распределения в твёрдом теле, в том числе и влизи дефектов и поверхностей раздела. Определена температура перехода Н-Н+ - 603К (328оС). Н стабильно существует в сталях при Т<603К и только в пределах твёрдого тела.

При изучении взаимодействия металла со средой в процессе его термической обработки и при эксплуатации обнаружено явление ПРСД поатомного расщепления молекул среды дислокациями, которые образуются в процессе пластической деформации металла с последующим захватом освободившихся атомов (ионов) среды краевыми дислокациями и формированием вокруг них примесных атмосфер. Разработана феноменологическая теория этого явления и получено его экспериментальное подтверждение для различных сред и металлов при различных скоростях деформации последних. Установлено, что примеси крупных атомов некоторых металлов (Ca, Na,Cs и др.) и нейтральных газов (Ar,Kr,Xe) образуют с черными и цветными металлами твердые растворы клатратного типа не описанного ранее вида. Образование этих растворов приводит к изменению межатомных связей (ионные, ковалентные) в местах концентрации указанных примесей, влияя на весь комплекс механических свойств металлического материала. В стали Ст.3 при образовании такого твердого раствора при отсутствии видимых структурных изменений одновременно увеличиваются удлинение на 4060%, прочность в 1,52 раза, существенно возрастает и ударная вязкость при температуре ниже температуры хладноломкости.

Для исследования процессов перераспределения химических элементов на атомном уровне при кристаллизации и рекристаллизации металлов предложен и эксприментально проверен метод использования нерадиоактивных химически нейтральных атомов как маркерных. В прямом эксперименте изучены на атомном уровне начальные этапы и механизм зарождения и роста новых равновесных зерен, ротации “старых” зерен во время рекристаллизации. С его использованием изучены начальные этапы кристаллизации аморфных веществ (до исчезновения галло); формирование конденсационных пленок бинарных сплавов в условиях невесомости и др. Обнаружены новые механизмы транспорта примесных элементов в металлах в процессе их технологической обработки: активизации массопереноса при циклических процессах (термических и механических), при импульсном нагружении, в том числе и во время обработки и сварке взрывом, растворение неметаллических включений дислокациями в процессе пластической деформации металла.

Экспериментально определено концентрационное распределение водорода и кислорода в зоне предразрушения, вокруг вершин и стенок трещин различного происхождения. На основании этих данных построены двух и трёхмерные карты распределения водорода. В прямом эксперименте определены локальные коэффициенты диффузии водорода в зоне предразрушения и по длине трещин, коэффициенты диффузии кислорода в FeNi сплав и энергия активации этого процесса в интервале температур 3001823 К и др. Показано, что по характеру изменения локальной концентрации водорода перед вершиной трещины в процессе её роста можно качественно оценить степень хрупкости или вязкости разрушения металла. Предложены дополнительные параметры, которые необходимо учитывать в критериях достаточности при разрушении: химическую микронеоднородность металла, скорость его деформирования, изменение соотношения электронной и ионной компоненты в кристаллической решетке металла в вершине трещины. Сделана попытка описать обобщенный механизм образования и роста трещин при циклических нагружениях. разрушениях изгибом и растяжением при разных температурах и скоростях деформирования. Часть обнаруженых и впервые описанных явлений и механизмов использована в новых технологиях: твердофазного рафинирования металлов (для Мо и W); нанесения жаростойких покрытий и др., которые внедрены в различных отраслях народного хозяйства.

Ключевые слова: металл, структура, химическая микронеоднородность, водород, твёрдый раствор, трещина, разрушение, рекристаллизация, нагрев, деформация.

Размещено на Allbest.ru