» » Возникновение ориентированных структур в металлах
24.12.2014

Для современной механики и физики металлов имеет большое значение получение естественных композитов — материалов с резко анизотропными свойствами, возникающими при кристаллизации или термической обработке. Представляло интерес изучение возможностей использования импульсного нагрева металлов и сплавов лучом лазера для получения ориентированных структур. Изучались чистые металлы и сплавы с объемноцентрированной и гранецентрированной кубической структурой, в том числе стали, сплавы железо — никель, никель, карбиды тугоплавких металлов.
Облучение проводилось с помощью лазера ГОС-3ОМ с длительностью импульса 10в-3 сек и с различными дефокусировками луча. Исследование проводилось металлографическим методом, а также путем рентгеноструктурвого анализа на установке УРС-50-ИМ с регистрацией интенсивности сцинтилляционными счетчиками и с фотографической регистрацией на плоскую пленку для нахождения текстурных максимумов.
Все принятые методики исследования подтвердили, что, подбирая режим фокусировки луча, можно получить на поверхности металлов и сплавов слои с ориентированной структурой. Рассмотрим в качестве примера результаты рентгеноструктурного исследования никеля до и после облучения. До облучения на рентгенограмме, снятой с ионизационной регистрацией, наблюдалось нормальное распределение интенсивностей, например интенсивности линий (111) и (200) относились примерно как 3:1. После облучения кривая интенсивности линии (111) на рентгенограмме практически исчезла, т. е. интенсивность линии уменьшилась не менее чем в 100 раз, интенсивность линии (200) осталась почти без изменений.
Возникновение ориентированных структур в металлах

Съемка на плоскую пленку с фотографической регистрацией показала, что до облучения линии на рентгенограмме были сплошными и имели равномерную толщину по дебаевскому кольцу, после облучения линии стали точечными и наблюдалась четко выраженная текстура.
Исчезновение линии (111) при съемке ионизационным методом связано с тем, что при этом регистрация идет только в экваториальной части линии на рентгенограмме. Таким образом, данные рентгеновского исследования никеля (материала, в котором отсутствуют фазовые переходы в твердом состоянии) подтверждают возникновение преимущественной ориентировки при облучении.
Точечный характер линий на рентгенограммах указывал на возникновение крупнозернистой структуры. Поэтому преимущественную ориентировку можно было выявить и металлографическими методами.
В качестве примера можно привести результаты исследования сплава на основе железа с 0,03% углерода и 30% никеля. Для этого сплава характерны аустепитная структура в отожженном состоянии, переход в мартенсит при охлаждении до температур ниже -50° С и обратный переход в аустенит при нагреве. Изучались образцы, предварительно охлажденные в жидком азоте.
Металлографическое исследование сечений облученных образцов вдоль и поперек направлений луча лазера показало наличие зон застывшего расплава и термического влияния с аустенитной структурой. При этом в зоне расплава структура носила резко анизотропный характер с кристаллами аустенита, вытянутыми вдоль направления действия луча. В качестве примера на рис. 3.11 приведены микрофотографии этой зоны при сечении вдоль (рис. 3.11, а) и поперек (рис. 3.11, б) направления луча лазера.
Аналогичные эффекты ориентировки наблюдались в зоне расплава и для химических соединений, например в карбиде TaC.
Возникновение ориентированных структур в металлах

Представляло интерес исследовать существование наследования ориентировок поверхностного слоя при фазовых переходах в твердом состоянии. Соответствующие эксперименты показали, что этот эффект действительно существует. В качестве примера на рис. 3.12 приведена рентгенограмма зоны расплава железоникелевого сплава после охлаждения в жидком азоте. Из рентгенограммы видно, что после превращения ориентированного аустенита в мартенсит происходит не только возникновение ориентированной структуры, но и дробление кристаллов, приводящее, как известно, к повышению прочностных характеристик.
Отметим, что наиболее четко эффекты ориентировки проявляются в однофазных материалах, где число центров кристаллизации сравнительно невелико. Однако при других видах импульсного нагрева, например насыщения железа углеродом с использованием энергии ударных волн, удается получить ориентированный цементит в аустенитно-цементитной структуре.
Таким образом, механизм возникновения ориентированных слоев при действии луча лазера связан с большими скоростями охлаждения тонкого слоя жидкого металла на поверхности твердого металла. Направленный теплоотвод в жидком слое приводит к появлению пластинчатых или игольчатых кристаллов, вытянутых вдоль направления луча.
Представляет интерес нахождение оптимальных условий получения ориентированных слоев для ряда практически важных случаев, например для образования одноосно кристаллизующихся эвтектик.