Модифицирование поверхностного слоя эвтектического силумина компрессионными плазменными потоками

Министерство образования и  науки Российской Федерации

 

 «ВОЛГОГРАДСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ВолгГТУ)

КАФЕДРА «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ  И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ»

 

 

 

 

 

 

 

Семестровая работа.

Анализ научной  статьи.

" Модифицирование поверхностного слоя эвтектического силумина компрессионными плазменными потоками".

 

 

 

 

 

                                                     Выполнил: студент группы МС-228

 Яицкая А.С.

Проверила: Арисова В.Н.

 

Волгоград 2012

Объект исследования.

 В качестве объекта исследования использовались образцы силумина состава 82,9% Al-    12,9% Si-3%, Mg-0,7% Cu-0,4% Ni-0,1% Fe (ат.%) в виде цилиндров высотой 0,5см и диаметром 1,5см.

Сплав алюминия с кремнием, благодаря высокой  теплопроводности, низкому коэффициенту линейного расширения, высокой жаропрочности, износостойкости и малому удельному весу широко используются в авто -, мото -, и авиастроении, например, при производстве поршней, блоков цилиндров, кратеров,  и для производства товаров народного потребления (напр. теплообменников и мясорубок). Однако присутствие в структуре крупных включений кремния, интерметаллидных фаз, грубо дифференцированной эвтектики и слабо разветвленных дендритов Al приводит к образованию трещин на поверхности деталей в процессе их эксплуатации и ухудшению их характеристик. Воздействие высокоэнергетических потоков частиц позволяет существенно уменьшить размер структурных составляющих силумина, обеспечивая увеличение износостойкости и прочностных характеристик.

Алюминиевый сплав  АК12

Марка :	АК12     (   другое обозначение       АЛ2   )
Классификация :	Алюминиевый литейный сплав
Применение:	Сплав на основе системы алюминий - кремний - магний (силумин). Из сплава получают плотные  герметичные отливки сложной  формы, не испытывающие в процессе эксплуатации значительных нагрузок, сплав отличается высокой герметичностью.

                    

Fe	Si	Mn	Ti	Al	Cu	Zr	Mg	Zn	Примесей
до   1.5	10 - 13	до   0.5	до   0.1	84.3 - 90	до   0.6	до   0.1	до   0.1	до   0.3	всего 2.7

Химический  состав в % материала АК12

 

 

 

Физические  свойства АК12

 

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C		R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)		Ом·м
20	0.7			2650			54.8
100		21.1	168		838
Твердость   АК12   ,             ГОСТ 1583-93						HB 10 -1 = 50   МПа

 

 

 

 

Цель  исследования: изучение возможности применения компрессионных плазменных потоков для модификации микроструктуры поверхностного слоя алюминиевого сплава типа АК12.

В этой работе использовались следующие методы исследования:

Структурно-фазовое  состояние образцов изучалось методом рентгеноструктурного анализа (РСА) на дифрактометре ДРОН-4 .

Рентгеноструктурный анализ основан на явлении дифракции                           рентгеновских лучей на регулярной кристаллической структуре, т. е. каждое кристаллическое вещество в зависимости от симметрии кристалла,  расположения атомов в решетке и расстояний между атомами даст строго индивидуальную дифракционную картину.

Перед тем как  рассмотреть особенности дифракции  и интерференции рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической структуре,  необходимо изучить характеристики кристаллической решетки. При изучении вопроса кристаллического строения материалов прежде всего необходимо иметь четкое представление о терминах: "пространственная решетка" и "элементарная ячейка". Эти понятия используются не только в кристаллографии, но и в целом ряде смежных наук для описания, как расположены в пространстве материальные частицы в кристаллических телах. Как известно, в кристаллических телах, материальные частицы (атомы, молекулы, ионы) располагаются в определенном порядке, на определенном расстоянии друг от друга. Пространственная решетка – это схема, которая показывает расположение материальных частиц в пространстве. Элементарная ячейка –  это наименьший параллелепипед,  с помощью, которого можно построить всю пространственную решетку путем непрерывных параллельных переносов  (трансляций)  в трех направлениях пространства. Вид элементарной ячейки представлен на рис.1.2.  Три вектора, являющиеся ребрами элементарной ячейки, называют векторами трансляции. Их абсолютная величина (а, в, с) – это периоды решетки, или осевые единицы. Вводят в рассмотрение и углы между векторами трансляций –  α  ( между векторами ), β и γ. Таким образом, элементарную ячейку определяют шесть величин: три значения периодов (а, в, c ) и три значения углов между ними (α, β, γ ).                                                                           При изучении представлений об элементарной ячейке следует обратить внимание на то, что величину и направление трансляций в пространственной решетке можно выбрать по-разному,  поэтому форма и размеры элементарной ячейки будут различны.

В середине XIX в. французский  кристаллограф О. Браве предложил следующие условия выбора элементарной ячейки:                                                     1) симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии пространственной решетки;                                                                                              2) число равных ребер и равных углов между ребрами должно быть максимальным;                                                                                                                    3) при наличии прямых углов между ребрами их число должно быть максимальным;                                                                                                                      4)  при соблюдении этих трех условий объем элементарной ячейки                 должен быть минимальным.                                                                                    На основании этих правил Браве доказал, что существует только 14                 типов элементарных ячеек,  которые получили название трансляционных, поскольку строятся они путем трансляции – переноса. Эти решетки отличаются друг от друга величиной и направлением трансляций, а отсюда вытекает различие в форме элементарной ячейки и в числе узлов с материальными частицами. По числу узлов с материальными частицами элементарные ячейки подразделяются на примитивные и сложные. В примитивных ячейках Браве материальные частицы находятся только в вершинах,  в сложных – в вершинах и дополнительно внутри или на поверхности ячейки. К числу сложных ячеек относятся объемно-центрированная I , гранецентрированная F и базоцентрированная С.

Правила выбора элементарной ячейки

При изучении представлений об элементарной ячейке следует обратить внимание на то, что величину и направление трансляций в пространственной решетке можно выбрать по-разному, поэтому форма и размеры элементарной ячейки будут различны. На рис. 4.3 рассмотрен двумерный

случай. Показана плоская сетка решетки и разные способы выбора плоской элементарной ячейки.Рис.1.1

 

Элементарные ячейки Браве: а –  примитивная, б – базоцентрированная,в  – объемно-центрированная, г – гранецентрированная

В элементарной ячейке узел с материальной частицей, расположенный в вершине, принадлежит одновременно восьми соприкасающимся

ячейкам; данной ячейке он приходится лишь 1/8 частью. Таким образом, на объем примитивной ячейки Браве, где таких вершин 8, приходится 1 узел (1/8 • 8 = 1). В объемно-центрированной ячейке имеется дополнительный узел в центре ячейки, принадлежащий только данной ячейке, поэтому здесь имеется два узла (1/8 • 8 + 1 = 2). В гранецентрированной ячейке узлы с материальными частицами находятся, кроме вершин ячейки, еще в центрах всех шести граней. Такие узлы принадлежат одновременно двум ячейкам: данной и другой, смежной с ней. На долю данной ячейки в каждом из таких узлов принадлежит 1/2 часть. Поэтому в гранецентрированной ячейки будет четыре узла (1/8 • 8 + 1/2 • 6 = 4). Аналогично в базоцентрированной ячейке находятся 2 узла (1/8 • 8 + 1/2 • 2 = 2) с материальными частицами.

Примитивная ячейка Браве содержит трансляции, только

вдоль координатных осей. В объемно-центрированной ячейке добавляется еще трансляция вдоль пространственной диагонали – к узлу, расположенному в центре ячейки. В гранецентрированной, кроме осевых трансляций, имеется дополнительная трансляция вдоль диагоналей граней, а в базоцентрированной – вдоль диагонали грани, перпендикулярной оси Z.

Под базисом понимают совокупность координат минимального числа узлов, выраженную в осевых единицах, трансляцией которых можно

получить всю пространственную решетку. Базис записывается в сдвоенных квадратных скобках.

В зависимости от формы все ячейки Браве распределяются между

семью кристаллическими системами (сингониями). Слово «сингония» означает сходноугольность. Каждой сингонии соответствуют определенные элементы симметрии. В табл. 4.2 указаны соотношения между периодами решетки а, в, с и осевыми углами α, β, γ для каждой сингонии.

Наиболее точные измерения  дифракционной картины проводятся на

аппаратах с ионизационной регистрацией – дифрактометрах.

Рентгеновские лучи из

окна рентгеновской  трубки через две ограничительные диафрагмы направляются на исследуемый образец-шлиф, расположенный на оси гониометрического устройства.

Дифрактометр Дрон-4

 

 

Конусы отраженных образцом лучей регистрируются счетчиком

квантов, который может перемещаться по окружности гониометрагониометра вокруг исследуемого образца. Для того чтобы получить отражения от разных плоскостей кристаллов образец поворачивают относительно первичного

пучка, одновременно перемещают и счетчик квантов. Когда какая-либо

плоскость попадает в отражающее положение, счетчик квантов регистрирует отраженный луч. Угловая скорость перемещения счетчика вдвое больше скорости поворота образца, поэтому дифрагированные лучи всегда попадают в счетчик. Peгистрация рентгеновской картины с помощью дифрактометра происходит неодновременно и требует последовательного

изменения угла отражения θ.

Создаваемые в счетчике квантов сигналы поступают для обработки в

электронно-вычислительное устройство. Устройство вывода информации дает сведения об интенсивности отраженных лучей в зависимости от положения исследуемого образца относительно первичного пучка, то есть угла отражения θ. Эта информация регистрируется на ленте самопишущего потенциометра, в современных дифрактометрах с помощью компьютерной техники.

По полученной дифрактограмме исследуемого вещества, зная ис-

пользуемое излучение, можно определить ряд межплоскостных расстояний, провести качественный фазовый анализ.

Перед проведением анализа записывают исходные данные о способе

рентгеновской съемки: излучение, его длину волны, условия съемки дифрактограммы: скорость движения счетчика, скорость перемещения диаграммной ленты, интервал отметки углов 2θ.

В комплектацию входят: устройство угловое сканирующее  ГУР-9, трубка рентгеновская БСВ28, источник рентгеновского излучения ИРИС-М7, программный  комплекс для управления.                                                        Основные технические характеристики:                                                           1)Диапазон углов перемещения блока детектирования: от 5 до 90°C.                       2)Шаг углового перемещения блока детектирования в автоматическом режиме: от 0,02 до 30°C.                                                                                            3)Время накопления сигнала для каждого угла перемещения блока детектирования: от 2 до 3000°C.

Исследования  морфологии и элементного состава  с помощью растровой электронной  микроскопии (РЭМ) на микроскопе LEO1455VP c энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором Roentec.

Растровый электронный  микроскоп (РЭМ) формирует изображение

объекта при  сканировании его поверхности электронным  зондом. Это один

из наиболее универсальных и перспективных  приборов для исследования

микроструктурных  характеристик металлов.

В РЭМ поверхность  исследуемого массивного образца облучается стабильным во времени, тонко сфокусированным (диаметр до 5–10 нм) электронным зондом, совершающим возвратно-поступательное движение по линии или развертывающимся в растр (совокупность близко расположенных параллельных линий, вдоль которых зонд обегает выбранный участок на поверхности образца). При взаимодействии зонда с

веществом образца в каждой точке поверхности происходит ряд  эффектов,

которые регистрируются соответствующими датчиками.

Эти эффекты служат основой для получения разнообразной

информации о внутреннем строении исследуемых объектов. Сигналы от датчиков после усиления модулируют локальную яркость электроннолучевой трубки (ЭЛТ), развертка которой синхронна со смещением электронного пучка. При этом каждой точке на поверхности образца соответствует определенная точка на экране ЭЛТ, а ее яркость определяется интенсивностью сигнала из соответствующей точки образца.

Контраст на экране ЭЛТ зависит от изменения интенсивности излучения по площади сканирования на поверхности образца. Увеличение РЭМ определяется соотношением амплитуд развертки луча по экрану ЭЛТ и зонда по поверхности образца.

Вторичные, отраженные и Оже-электроны, а также рентгеновское

излучение генерируются в определенных объемах внутри образца и несут разнообразную информацию о рельефе, химическом составе и