Формообразование кристаллов wc в твердых сплавах и связь с механическими свойствами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЩОНАЛЬНА АКАДЕМ Ш НАУК УКРА1НИ 1НСТЙТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕР1АЛОЗНАВСТВА 1мЛ.Н.ФРАНЦЕВИЧА

ФОРМОУТВОРЕННЯ КРИСТАЛЛIВ Ж У ТВЕРДИХ СПЛАВАХ ТА ВПЛИВ НА МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТI

спец!альн1сть 01.04.07 - ф1зика твердого т!ла

'Автореферат дисертацП на здобуття наукового ступени кандидата ф!зико-математичних наук

на правах рукопису

Шатов Олександр Володдаирович

КиТв 1994

Дисергац1ею е рукопис

Роботу виконано в 1нститут1 проблем матер1алознавства HAH Укра1ни

Наукоьий кер1вник: член-кореспондент HAH УкраТни,

доктор ф!зико-математичних наук, профэсор Ф1рСТОБ С.О.

0ф1ц1йн1 опоненти: доктор ф1зико-математичних наук

Солон1н Ю.М.

доктор техн1чних наук Лошак М.Г.

Пров1дна орган1зац1я:. Донецькии ф1зико-техн1чний 1нститут

HAH УкраТни

Захист в1дбудеться Л I99J"P. о ^ год на

зас1данн! спец!ал!зованоТ рада Д 016.23.01 в 1нститут1 проблем матер1алознавства HAH УкраТни (КиТв, вул.Крж!жан1вського, 3)1'

В1дгуки на автореферат, зав1рен! печаткою установи, прохаемо надсилзти за адресою: 252680, КиТв-142, вул.Крж1жан1вського 3, 1нститут проблем матер1алознавства HAH УкраТни, Вченому секрета-рев! спец1ал1зоваиоТ ради Д 016.23.01 Падерно Ю.Б.

3 дисертац1ею можна ознайомитися у науков!й б1бл1отец1 1нс-татуту проблем матер 1алознавства HAH Укра1ни.

Автореферат раз 1 слано ■ ^ 1994 р.

Вчений секретар спец1ал1зованоТ ради

Ю.Б.Падерно

ЗАГАЛЬНА. ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть теми. При вивченн! структуроутворення твердих сплав1в у процес1 р1даофазного сп1кання найб1льша увага традиц1й-но прид!ляеться зм1н! таких параметр!в геометр1чно1 структура, як середа!й розм1р карб!дних }фнстал1в, сум!жн1сть карб1дних кристалл та сере дня довншпа йроб!гу у зв*язуючий фаз1. Зм1на цих параметр! в в1дЗуваеться у'напрямку зниження поверхневоТ енергП система. Аде зниження шгёерхневоТ енергП системи також в1дбуваеть-ся за рахунок набувашя карб1дними кристалами характерно! форни. Стосовно форми кристал1в ис у ТЕердих сплавах в1домо, що 1х охранения завершусться у перш1 хвилини р1дкофазного сп!кання, у результат! чого кристали не набувакггь форми правильно! трикутноТ призми з ч!ткою огранкою..'Перес!чною е думка, що форма кристал!в ис однакова у твердих сплавах я тому для пор!вняння в 1кро структур иожливо використання стереолог1чних характеристик. Адэ 1з пор1в-няння м1кроструктур та форм кристал1в ис у р!зних сплавах мс-со, наведених у роботах-Чернявського К.С., ЧапоровоТ 1.Н. „ Трет'яко-ва В.I., Кортев1ля Дж. .Та' Понса Л., випливае, що форма кристал1в N0 може зм!нюватися в1д <31льш р1вном!рно опуклоЧ до б1льш сшш-щенно!, залишаючись при-, цьому правильною трикутною призмою.

Таким чином, становить 1нтерес вивчення законон1рностеа фор-моутворення кристал!в- ис у твердих сплавах та вид1дення умов й парэметр!в, що•впливаклъ на Тх форму. Проведения ц!х досл!джень дозволить навчитися керувати формою кристал1в ис, вивчити законо-м!рност1 впливу форми кристал!в мс на структуру, механ!чн! влас-тивост! та руйнування твердих сплав!в. Пошук нових можливостей зм1ни структури твердих сплав1в з метою Шдвтцення Тх механ1чних вдастивостей уйвляеться надзвичайно актуальною задачею, враховую-чи великий деф1цит вольфраму та метал!в зв'язуючоГ фази твердих

СШ12В1В.

Мета та задач! досл!дження. Головною метою ц1е! робота було з'ясування законом1рностей формоутворення кристал1в ис у твердих сплавах, вивчення можливостей зм!нення форми. кристал!в мс та впливу зм1нення форми кристал!в ис на структуру, механ1чн! влас-тивост! та руйнування твердих сплав!в. Для П досягнення були поставлен! наступи! задач!:

1. Розглянути процес формоутворення карб!дних кристал!в у твердому сплав1 та визначити параметри та умови, що зм!нюють 1х форму-

2. Вивчити можлив!сть та законом1рност! зм!нення форми крис-

тал! в ис у твердих с плазах при введет; I дом I шки, сегрегуючоГ на м1жфазну межу.

3. Розробити фактор форми,чутливий до зм!нення в!дношення довжин ребэр кристал1в «с, та методику яого вим!рктання.

4. Вивчити законом!рност! впливу зм1нення форми кристал!ъ «с на структуру твердого сплава.

5. Бивчити законом1рност1 вгшву зи1нення форш кристал!в мс на механ!чн! властивост! та руйнування твердих сплав1в.

Основн! науков! положения, що виносяться на захист.

I. Ефект та механ1зм зм1нення форми кристал!в при введен-н1 дом Шок титану у твердий сплав ые-1-й.

Я. Ун!версальний фактор форми - ступ1нь р!внов1сност! форми кристал1в ис, - що мае велику чутлив1сть до зм1нення в1даошення довжин ребер кристал1в ыс у твердих сплавах та методика його ви-м!рювання.

3. Ефект зниження сум!жност1 кристал1в ис у твердих сплавах ис-ш при зниженн1 ступеня р!внов1сност! форми крисгал1в ис.

4. Законом1рност1 впливу зм!нення ступеня р1внов1сност1 форми кристал1в не на механ!чн! властивост! та руйнування твердих сплав1в ис-Нл..

Наукова новизна дисертаЩйноТ робота. Вперше розглянуто про-цес структуроутворення твердих сплав!в, враховуючи особливост! формоутворення кристал1в.ис. Показано, що при р1дкофазному сп1-канн1 твердих сплав1в кристали ис набувають деяку стац1онариу не-р1вноважну форму, що е пром1жною м1ж формою зростання та р!вно-важною формою.

Запропоновано новий ун1версальний фактор форми - ступ1ш р!внов1сност! форми кристал1в ис, - що мае високу чутлив!сть дс зм!нення в!даошення довжин ребер кристал!в ис у твердих сплавах. Розроблено метод!ку експериментального вим!рювання цьою фактор-: форми.

Знайдено ефект впливу дом1шок титану на форму кристал1в ис : твердому сплав! ис-ыь Показано, що цей ефзкт обновлено сегрегацию титану, що розчинено у зв'язуючий фаз!, на м1к;фазну межу : твердому сплав!.

Вперше розглянуто вшшв зм!нення форми крисгал!в ис т структуру твердих сплав!в. Знайдено ефект зниження сум1жност: критал!в кс у твердих сплавах ис-¡и при зниженн1 ступеня р!вно-в!сност! форми кристал!в ис.

Вперше розглянуто та знайдено ефекги, а також запроионовано пояснения впливу зм!нення форми кристал!в wc на механ1чн1 влэста-BocTl та руйнування твердого сплава. Показано, що форма кристал!в wc безпосередньо не впливае на тр!тиност1йк1сть, -зле зм1нюе шлях розповсюдаення тр1щини, призводячи до п1двищення чзстки транскри-стзл!тного руйнування кристал1в wc та зниженню частки м!жкарб!д-ноТ моди руйнування. Показано, то зниження ступеня р1внов1сност1 форми кристал!в wc обумовлюе п1двищення н1цност! твердого сплава за рахунок зниження сум1жност1 кристал1в wc та, таким чином, зниження розм1ру критичного дефекта. Також знайдено, що зниження ступеня plBHOBlcHocTl форми кристал1в wc призводить до Шдвищення твврдост1 твердого сплава за рахунок п!даищення вШюсноТ частки базисноТ гран! у ззгальн1й поверхн1 кристал1в wc, що мае сПльш високу м1кротверд1сть зр1вняно з призматичною гранню.

Практична ц!нн!сть робота. Знайден1 у робот! в1дпов1дност1 м1ж формою кристал1в wc та способами ГТ зм!нення дозволяе викори-стовувати винайден! результата та законом1рност! впливу форми кристал1в wc на структуру та механ1чн! влэстивост1 тверда« сплэ-в1в у площин1 практичних 1нтерес1в.

Розроблен1 методики к1льк1сного визнзчения зм!нення форми, уявления про формоутворення та законом1рност1 зм1нення форми кристзл1в wc у твердих сплавах можуть бути шкористан 1 для розповсюдаення досл1дженнь та практичних приклэд1в 1деТ керування формою кристал!в тугоплавко! фази та ТТ впливу на механ1чн1 та зксплуатац1йн1 властивост! на 1нш1 гетерофззн! матор1али, що ви-готовлякггься за методом р1дкофазного сп1кання. Знаяден1 законо-«1рност1 впливу зм1нення форми кристал1в wc на структуру та меха-я1чн1 властивост1 твердих. сплав1в можуть бути основою для розроб-ки принципово нових зм!н у технолог!! виготовлення твердих спла-в1в з метою оптим1ззц1Т геометр1чноТ структури та п1двищення ме-к:ан1чних та експлуатац!йних властивостей твердих сплав1в.

Апробац!я работа. Основн! положения дисертац1йноТ робота догадались та обговорювались на International Conference "Structure arid Properties of the Brittle and Quaziplestic lateriais" (Pira, 1994), на сем1нар1 за напрямком "Ф1зика твердого т1ла та ф1зичне матер 1алознавство-' 1нституту проблем матер!а-юзнзветвэ НАН УкраТни (КиТв, 1994), на Перш1й Ml«народа 1ft конфэ-зенцП "Актуалън1 проблема м1цност1" (Новгород, 1994).

Публ1кац11. Основн! положения дисертацП надруковано у 4 ро-

ботах, список яких наведено у к1нц1 автореферату.

Структура 1 об'ем робота. Дисертац1я складасться 1з вступу, п'ятц глав, висновк1в та списка використанноТ л1тератури. Роботу викладбно на 166 стор1нках. Бона мае 31 малюнок, I таблицю, дода-ток то список л1тератури 1з 129 найменувань.

Особисто Шатовим О.В.:

- роэроблено нового фактора форми - ступ1нь р1внов1сност1 форми кристал1в «с (Рмс> та метод1ка кого експериментального вим1рю-ваннн;

- проведено вим1рювання ступеня р1виов1сност1 форми кристал1в ис, х1м1чного складу та к1лькост1 дом1шки титану у твердих сплавах нс-ш та знайдено ефзкт зниження Рмс при п1двиш,енн1 концентра-цП титану у зв'язуючий фаз1 твердих сплав!в ис-т, а також за-прлшновано пояснения змШешш форми кристал1в wc при сегрега-ц11 титану на м1жфазну межу у твердому сплав1;

- проведено вим!рювання стереолог1чних параметр1в м1кроструктури твердих сплав1в ис-т, знайдено ефект зниження сум1жност1 кристалл ис при знидакн! Рздс, а також запропоновано пояснения цьо-го ефекта;

- знайдено законом1рност1 зм1нення тр1щиност1йкост1, м1цност1 на згин, твердост1 та шляху розповсюдаення тр1щини у твердих сплавах мс-нх при зм1ненн1 Рмс.

Об • екгзми досл1даення були тверд! сплзви wc-Co та «с-т. Основы! метода досл1даення: скануюча електронна м1кроскоп1я, рент-геносаектральний м1кроанал!з, оже-електронна спектроскоп!я, ком-п'кггерна обробка зображення, компьютерно моделювання, стандарта! та традЩ1йн1 методики механ1чних !спит1в на м1цн1сть на згин, на тр!щиност!йк!стъ та тверд1сть твердих сплав1в.

ОСНОВНШ ЗМ1СТ РОБОТИ

У вступ! до дисергацИ обгрунтовано актуальн1сть робота, поставлено мету та задач1 досл1даення, в!дзначено новизну одержаних результат!в, сформульовано положения, що виносяться на захист.

Першу главу дисергацИ присвячено анал!зу сучасних уявлень про процэси утворення кристзл1в, законом1рност1 струкгуроутворен-ня твердих сплав1в при р!дкофазному сп!канн!, вплив структура на механ!чн1 властивост! та ругнування твердих сплав1в.

У першому роздШ розглянуто основн1 уявлення про утворення кристал!в. Визначено умови набування кристалом р1вноважно1 форми. Розглянуто механ!зми зростання кристала та форму, що набувае

кристал у процес! зростання. Обговорен! умови, що зм!нюктгь форму кристала.

У другому розд1л! розглянуто сучасн1 уявлення про законом!р-ност1 сп!кання та утворення структури твердих сплав1в, обговорено' в!дом! можливост1 керування структурою, наведено результата вивчення форми карб!дних кристал!в у твердих сплавах. Показано, що вивчення форми карб!дних кристал1 в у твердих сплавах звично обме-жусться визначенням завершения огранення кристал!в. При цьому вважаеться, що форма карб1даих кристзл1в у твердих сплавах е р1в-новажною, тобто детерм)нуеться ан1зотроп!ею поверхевих енерПй граней кристал!в. Але в!домо, що у процес1 р1дкофазного сп1кання твердих сплав!в карб!дн1 кристалл Шдвержено процесу зростання й, тому, 1х форма повинна детерм1нуватися ан1зотроп1ею твидк!стея зростання граней кристал1в, тобто повинна упвлягги собою форму зростання. В1дм1чено, що розв'яззнню ц!бТ суперечност! в уявлен-нях про формоутворення карб!дних кристал!в у твердих сплавах, та-кож як й вивченню можливостей зм1нення форми карб1дних кристал1в та його впливу на структуру твердого сплава не прид!ляеться до-статньоТ уваги та уявляе великий 1нтерес.

У третьему розд!л1 розглянуто уявлення про вплив структури твердих сплав1в на Тх механ!чн1 властивост! та процес руйнування. В1дм1чено, що вивчення кореляц!! м1ж зм!ненням параметр1в структури та тр1щиност1йкост1 твердих сплав!в е предметом ц!лого ряду робот, у тому ч1сл1, Еермантз з Остерштоком та Шлесара з сп1вав-торзми. У ц!х роботах зм1нення стереолог1чних параметр!в м1кро-структури е насл1дком зм!нення, головним чином, об'емноТ частки карб1дноТ фази у твердих сплавах. В1дсутн1сть можливост! зм!нення середньо1 довжини проб1гу у зв»язуючий фаз! та сум1жност1 карб1д-них кристал1в иезадежно в1д об'емноТ частки карб!дноТ фази не дозволяв однозначно вид1лита той параметр структури, з яким корелюе тр1щиност1йк1сть та, таким чином, визначити причину II зм!нення. Тому звично наводять одночасно два граф!ка кореляц1йних залежно-стей тр1щиност!йкост1 в!д середаьоТ довжини проб!гу у зв'язуючий фаз1 та в!д сум1жност1 кристал1в «с.

Використання п!дход1в механ!ки та ф1зики руйнування дозволяе розд!лити задач! вивчення тр1щиност1йкост! та критичних дефект!в, що 1н1ц!юють руйнування у твердих сплавах. В1домо, що критичними дефектами у твердих сплавах можуть бути пори, включения 1нших фаз та особливо велик! карб!дн! кристали. В той же час, у роботах

Герланда Дж., Чернявсъкого К.е.. Лошака М.Г. висловлюеться приду-щення, що при в1дсутност1 ц1х дефект1в струкгури критичними дэ-фектами можуть бути д1лянки м1жкарб1дних меж. Але в1дсутн1сть можливостей зм1нення сум1жност! карб1дних кристал1в при незм1нн1й об'емн1й частц1 карб!дщоТ фази не дозволяло експериментально пе-рев1риги це припущення.

В1да1чено, що зм1нення форми кристал1в ис у твердих сплавах може дозволити навчитися зм1нювати сум1жн!сть кристал1в не у твердих сплавах при незм!нн1й об'емн1й частке карб1дноТ фази. Ви-користання ц1еТ можливост1 може дозволити знову переглянути вка-занн1 кореляцП тр1щиност1йкост1 та, таким чином, визначити скла-дову частину структура, руйнування якоТ детерм1нуе тр1щиност1й-к1сть. Кр1м цього, це може дозволити експериментально перев1рити припущення, що д1лянки м1жкарб1дних меж можуть бути критичними дефектами, що ШШкшгь руйнування твердого сплава. Зауважено та-кож, що дан1 про вплив форми кристал1в ыс на тверд!сть та руйнування твердах сплав!в у л1тератур1 в1дсутн1.

На к1нець глави формулюються задач1 ЩсТ робота.

У друг1й глав! описано використан1 у робот1 матер!али та традиц1йн1 метода досл1даення. Об'скгами досл1даення були тверд 1 сплави ис-со та ис-ш. К1лыс1сть зв'язуючей фази у сплавах ис-ш становило в1д 8 до 22 мас.%. У тверд1 сплави ысчи було введено дом!шк1 карб1ду титана (в1д 0,04 до 0,4 мас.% за титаном), врахо-вуючи високу здатн1сть титану до сегрегацП на м1жфазову межу. Пдкофазне сп1кання зразк1в було проведено у вакуум1 за

традиц1йною технологию. Тверд1 сплави ис-со було виготовдено за стандартною технологию.

Досл1даэння струкгури та поБерхн1 руйнування виконувалось за методом скануючоТ електронноТ м1кроскопП на прилад1 обм т-20 (аког., Япон!я). Вим1рювання стерэолог1чних характеристик струкгури твердих сплав1в виконувалось за допомогою д1да1тайзера та ком-п'ютера.

Х1м1чнии склад твердих сплав1в нс-ш вивчався за методом к1льк1сного рентгеноспектрального м1кроанал1зу на прилад1 зире11.г-оье-7оз (леоь, Япон1я). М1крох1м1я 11оверхн1 руйнування та поверхн1 кристал1в ис у твердих сплавах ис-ш досл1джувалась за методом оже-електронно! спектроскоп! I на прилад1 адмр-юз (жоь, Япон1я), що мае растровий електронний пристр1й, який дозволяв провадати локальний анал!з, та пристр!й для приготування поверхн!

;уанування зразк!в у високовакуумн1й к&мер! прилэду.

Механ1чн1 1спити на згин та вим1рювання твердост! провадило-;я за стандартними методиками.. Тр1щиност1йк!сть вим1рювалась на ¡разках з надр1зом, якея було виконано електро!скровим методом.

Третя глава присвячена розробц! нового фактора форми - ступени р1внов1сност[ форми крнстал1в ис (Р„с)» - що мае високу чут-тв1сть до зм!пення в1дношення довжин ребер кристал1в ис у тверда сплавах, а також методики експерименталъного вим1рювання цьо-"0 фактора форми.

Проведено пор1вняння в!домих фактор1в форми, огляд якнх наведено у роботах Чернявського К.С. й Салтикова С.А., та анал1з 5астосовност1 цих фактор1в форми до к1льк!сного визначення зм1-юння форми кристал1в ис у твердих сплавах. Показано, що ряд фак-гор1в форми або не може бути застосовано до визначення зм1нення [юрми кристал1в ис у твердих сплавах, або для Тх застосування не-збх1дно проведения доповншчих розрахункових та статистичних до-Шдюеь^ Фактор Уоррена Р., що огасуе ступ1нь огранення криста-!!в, кажучи взагал!, може бути ззстосовано до кристал1в ис у гвердих сплавах. Але в1домо, що пристали ис у твердих сплавах ма-лъ ч!тко виражену огранку й тому ступ1нь 1х огранення завжди ¡находиться 61ля одиниц1.

Ы1ж ун!версальними факторами форми, запропонованими Сзлгико-зим С.А.:

..с .1/6 „1/3 . „1/2 ,

кф = (зоп) '■ v / 3 (1)

га ДэГоффом:

4 = рр • на ' (2)

1К в1домо, е л!неина кореляц1я. Тут V та з - об'ем та площина по-¡ерхн1 кристалз в1дпов1дно, р , ь'д, - стандарпИ стереолог!чн1 юзначення, що в1дпов1дно е частка крагюк, потрапляючих на перз-Лз кристал1в, к1льк!сть кристал1в на одиниц1 площини шл!фа та : 1лък1сть кристал!в на оданиц1 довжини перетинаючо! л!н1Т. Немае :умн!ву, що обидва ц! фактори можуть бути застосован! до вивчення ¡м!нення форми кристал1в ис у твердих сплавах. Але, як виявилося, ¡алежн1сть Кф в!д в1дношення довжин призматичного (ь) та базисно-'о (ь) ребер призми (ь/ь) мае пом!тно нер!вном1рний характер мал. I). Так, при зниженн1 (ь/ь) в!д максимального значения 1/уЗ ю -<-0,2 величина к| зм!нюеться незначно (на 7%), п!сля чого к^. )1зко знижуеться.Така залзжн1сть може привести не т1лыси до портних погр1шностеа визначення в1даотення (ь/ь), але й до пом!т-

них спотворень залежностей цього фактора форми в!д умов формоут-ворення кристал!в кс.

Тому нами було запропоновэно нового ун1версального фактора

Форми, що названо ступ1нем р!в-новЮност! форми кристал!в ис (Р >. 1дея визначення Р

и с «с

скдадасться з адаптац!! методу Хенн!га та Ел1 аса до дов1льноТ Форми ф1гур шрор1зу. Тобто, за центр ф1гури перер!зу прийма-еться центр мае при умов!, що мэсу р1вном!рно розташовано по пер!мэтру ф1гури. ас в1домо, центр мае ф1гури завжди визна-чаеться однозначно. Ступ1нь р!внов!сност! форми кристал!в Ь'С (Р ) за визначенням вирахо-вуетъея як осереднене по геоме-трично р!вноймов!рним плоским перер!зам кристала ыс значения

Мал. I, Ззлвжн1сть К? та Рт

ф \К

в!д Ь/Ъ.

в1дношення м1н1мально1 ) до максимальноI (о4:*1!') хорд, що

проходить через центр мае ф!гури перер!зу:

<

0ц.м.

ПИП

(Д.М.

(3)

пер.ыс

Математично стропе визначення фактора Рмс дозволило провести комп'кггерне моделювання задач1 про вираховування теоретичних зна-чень Р^с у залежност1 в!д (ь/ь) (мал. I). Як видно !з мал. I, Рмг. д!йсно е фактором форми, тобто однозначно детерм!нуеться в!дно-шенням (ь/ь) та не залежить в!д абсолкггних значень розм!р!в, плотин та об*ем1в правильно! трикутно! призми. Б!льш цього, б1льш р!вном1рна залежн!сть Р^с в!д (к/ь) показуе, що фактор Риг. б1льш чутливий до зм1нень в!дношення (ь/ъ) у всьому диапазон! зм1нення (ь/ь) пор1вняно з фактором Салтикова (мал. I).

Методика експериментального визначення ступени р!внов1сност1 форми кристал!в ыс у твердих сплавах складаеться з вим1рювання в1дношення в!дгюв1дних хорд (см. (3)) на перер1зах пристал!в ис, що присута! на шл1ф! твердого сплава, та осереднен! цього в!дно-шення по ус1м перер!зам кристал!в кс. У к!нц! глави розглянуто можлив! причини рзниц! м!ж експериментальними та теоретичними

наченнимн ступеня р1внов1сност! форми кристал1в Ь'с.

У четвертой глав! розглянуто аспекти форноутЕорення криста-1в «с у процос! р!даофазного сп!кання твердого сплава, обговорэ-1 можлийост! зм!ноння форми кристал!в кс, значен! законом1рност1 Мнения ступени р1внов!сност1 форми кристал'в wc при введенн! ЭМ1Ш0К титану у твердий сплав ис-ш, розглянуто вплив зм1нення эрми кристал1в кс на сум!жн!сть кристал!в мс у твердях сплавах

При анал1з! л!тературншс даних у глав! I було в!дм!чеио, що уявлениях про фомоутворення карб!дних кристал!в у твердих спла-ах с суперзчн!сть. 3 одного боку, вважаеться, що форма карб!диих зистал1в е р1вноважноа, а з другого боку, оск1льки у процес! 1дкофэзного сп!кання карб1дн1 кристали п!ддэн! процесу зростзн-1, то Тх форма повинна бути формою зростання. Щоб розв'язати да терачн1сть, розглгаемо продеси, що пряямазть участь у формоут-зренн1 кристал!в не у твер.цих сплавах: процес рздаксацИ форми, ) призводать до утворення р!вноважно! форми ("рф") кристала, та гацзс перерозпод1лу речовинн м1ш кристалами не, як1 розчинаоться 1 зростаить, що призводать до утворення форми зростання ("фо") метала. Оц1нка руш!йних сил ц!х процес!в та в!дпов1даих 1м дл-■з1йних г»оток1в {¿рф та Зф3) дозволила знагти критер!я зм!нення рми кристал1в кс у твердих сплав з?

5иъ = з.х_ . [Б]~[Б]РФ

с^ - рон!р кристала ис; х - серздня довжнпа проб!гу у зв'язую-

й фаз!; (ь/ь) - в!дпошення довжин призматячного та базисного

бер кристала ыс; (ь/ь)рф - теж саме, що в!дпов!дэе р1вноважн!й

рм1 кристала ис; б^3 та V - поверхнева енерг!я м!жфазноТ меж!

рб!д-зв'язка та об'ем зростаючого кристала кс; г? та v - теж

ЕР Р

ме для кристала юс, що розчинасться.

1з використанням критер!я (4) показано, що у процос1 р1дко-зного сп!кання твердих сплав!в кристали ис набуваэть дел су ста-энарну нер!вноважну форму, що с пром1жнога м1;к формою зростання р!вноважною формою. 1х форма визначаеться Щлим рядом парамот-з: эн1зотроп!ею швидкостез зростання та поверхневоТ енерг!Т знея кристала «с у зв*язуючий фаз1, в1дношенням середньоТ дов-т проб1гу у зв'язуючий фаз1 до середнього розм!ру карбШгого ¡стала (х/с![С), а також дасперс1ею 1фистал1в ис за питоно'о по 'ему поверхневою енерпею ((^/у )/<1?^3/у>). При цьому, п!двн-

i- /v

ьР х Р _

-1

~ 1. С 4 .)

щення в1дношення (х/с^) та зниження {{К^р/Ур)/(1^3/У)) иризводать до наближення форми кристэл!в ис до р1вноважноТ форми. Навпаки, зниження в1дношення (х/с^) та п1двищення приз-

водать до наближення форми кристал!в кс до форми зростання. По-р1вняння форм кристал1в ис у твердих сплавах ис-15 мас.%Со та ис-50 мас.хсо д!йсно показало, що у сплавах з меньшою к1льк1спо зв'язуючоТ фази й, тому, з меншим значениям (х/с^) кристалл мс мають б1льш високе значения в1дношення довжин ребер (ь/ь) пор1в-няно 1з сплавами з б!льшою к!льк1стю зв'язуючоТ фази.

Показано, що найб1лып ефекгивним засобом зм!нення форми кристал1в мс у твердих сплавах при незм1нн1й к1лькост! зв'язуючоТ фази у сплав! е зм1нення ан1зотроп11 поверхневих властивостей граней кристала кс: швидкостей зростання та поверхневих енерг!й. Досягнути зм!нення поверхневих властивостей кристалз ис у твердому сплав! можливо за рахунок введения дом1шки, що схильна до се-грегацП на м1жфазну межу. У якост1 дом1шк1 було обрано титан. Виявилось, що дом1шки титану близько часток в1дсотка дуже сильно знижунтгь ступ1нь р!внов1сност1 форми кристал1в ис у твердих сплавах ис-Н1 з р!зною к1льк!спо зв'язуючоТ фази {мал. 2,а). Морфоло-г1чне вивчення кристал1в ис у твердих сплавах також показало, що з Шдвищенням к!лъкост1 титану у сплав! кристалл не набувашть форми б1льш плоско! правилъноТ трикупюТ призми. Кр!м цього, на базисн1й гран1 кристал1в ис з'являться ступеньки зростання, що ч!тко спостер1гаш-ься у скануючому електронному м!кроскоп1. Поява ступеньок зростання не т1льки п!дтвердауе той факт, що титан зм1-нюс стан м1кфазноТ меж1 у твердому сплав!, ала також й той факт, що форма кристал!в юс у твердому сплав! е нер!вноважною, як це було показано вище.

Проведения оц1нки сегрегацП титану на м!жфазну межу при р1дкофазному сп!канн1 твердих сплав1в ысчи за моделлю, розроб-ленною М!дема та Геркема, показало, що ентальп1я сегрегацП ста-новить близько днЕеег^-35 кДж/моль, що при температурах, харак-терних до р!дкофазного сп!кання твердих сплав1в (Тс.п- 1500°С), в1дпов1дае коеф!ц!енту збагачення м1жфазно1 меж!:

сЦМ/ = ехр(-АНзеег /К Тсп) ^ 10, 15)

де с^м та с|? - концентрац1Т титану на м1жфазн! меж! та у зв'я-зуючий фаз1 в!дпов!дно. 1з (5) випливае, що концентрац!я титану на м!жфазн1й меж! пропорц1онздъна коицентрацП титану у зв'язую-чий фаз!. Тому зм!нення стану м!жфззноТ меж!, а, тому, й форми

кристал!в 1гс, повинно в!дбуватися монотонно 1з зм!ненням концент-рац!Т титану у зв'язуючий фаз!. Д1сно, иобудування залежност! Р в!д с^? показуе, що Р^. монотонно знижуеться з Шдвищенням с^ везалежно в1д к!лькост1" зв'язуючоТ фази у сплав! (мал. 2,6). Б1льш цього, 1з (5) випливае, що пом1тне зм1нення концентрацП титану на м1жфазн1й меж! аж до повного ТТ заповнення атомами титану повинно в1дбуватися при концентрациях титану у зв'язуючий фаз! в1д часток в!дсотка до максимум 10%. При ц!х концентрац1ях також сл!д оч!кувати пом!тне зм!нення форми кристал!в ис. Д1сно, як випливае 1з мал. 2,6, р1зке зниження Рмг. в1дбувасться при кон-це}гграц!ях титану у зв'язуючий фаз! близько 1%. Таким чином, спо-стер1гасться задов!льна в!дпов!дн1сть м1ж експериментальними результатами та оц!нкою, що наведено вище.

вах юс-т з к!льк!сто зв'язуючоТ фази 14 та 22 мас.%.

Розглянута можлив!сть керувзння формою кристал1в ис у твер дах сплавах дозволила провести йивчення впливу зм1нення форми кристал1в ис на структуру твердих сплав!в. Стереолог1чне досл!-дження структури твердих сплав!в мс-ш з однаковими середа!ми л!-н1йними перетинами кристал!_в ис показало, що при зниженн! спостер1гаеться зниження сум1жност1 кристал!в ко (с1ж) у твердих сплавах з р1зною к!льк!стю зв'язуючоТ фази (мал. 3). На жаль, по-будування к1льк!сноТ модел1 утворення сум!жност1 карб!дних крис-тал1в у твердих сплавах на цей момент не уявляеться можливим. Тому запропоновано як!сне пояснения зниження сум!жност1, що склада-еться з урахування зниження 1мов!рност! контакт!в базисних з ба-

зисними, призматичних з призма-тичними гранями кристал1в ис, а також зниження ареальноТ частки призматичноТ гран1 у загальн1й шющин! поьархн1 кристала ис при зниженн1 Рмс. Зниження частки призматичноТ гран1 у за-гальн1й пл0щин1 поверхн! крис-тала не обумовлюе зниження В1д-ношення шюшини контактIв призматичних з базисними гранями кристал1в ыс до загально! пло-щини поверхн1 кристала кс. Таким чином, зниження Рмг. обумовлюе зниження загальноТ сум1жност1 кристал1в ис у твердах сплавах.

У п*ят1й глав! розглянуто вплив зм1нення форми кристал1в мс на механ1чн1 властивост1 та руйнування твердих сплав1в. Можли-в1сть зм!нення сум1жност1 кристал!в ис у твердих сплавах при зм1-ненн1 форми кристал!в не дозволила переглянути в1дом1 кореляцИ м!ж тр1щиност1йк1стыо та параметрами структури й визначити скла-дову частину структури, руйнування якоГ детермТнуе тр1щиност1й-к1стъ твердах сплав1в. Використання ц1еТ можливост1 дозволило також перев1рити допущения, що д1лянки м1жкарб1дних меж можуть бути критичними дефктами, що 1н1ц1юють руйнування, а також ьиявити вплив зм1нення форми кристал!в ис на шлях розповсюдження тр1щини та на тверд1сть твердих сплав!в.

Вим1рювання тр1щиност1йкост1 (К1с) твердих сплав1в ис-н1 з близькими середнТми л1н1йними шретинами кристал1в ис (в1д 0,75 до 1,0 мкм), але з р1зною к1льк1стю зв'язуючоТ фази та з р1зними значениями Рмс {а тому й сум1жност! кристал!в ис) показало, що тр1щиност!йк1сть л1н1йнопропорц!онально зростае з п!двищенням се-редньоТ довжини проб1гу у зв'язуючий фаз1 (х) (мал. 4,а). Кореля-ц1Т м1ж зм1ненням тр1щиност1йкост1 та сум1жност1 кристал1в не (с^) не спостер1гаеться (мал. 4,6). Тому, тр1щиност1йк1сть твердих сплав1в д!йсно визначаеться, головним чином, енергетичними витратами на руйнування д1лянок зв»язуючоТ фази, а не на руйну-Еання м1жкарб1дних меж. Знайден! результата виявляються експери-ментальним Шдгвердаенням цього висновку, що було зроблено ран1ше багатьма досл1дниками на основ! непрямих спостережень - при пор1-

С

кк 0.3

0.2

0.1

0 .0„ , 0.3

э -14% N1

ф -22% N1 у»

V

О"

Р х У»'С

0.5

О.

7

Мал. 3. Зниження скк у твердих сплавах ис-т при зниженн! Рмс.

внянн! енергП руйнування твердих сплав!в (g1c% 500 Дж/м") та транс- й !нтеркристал1тного руйнування кристал!в wc у пол!криста-л! wc (Gc» 50 Дж/м2).

N

\

"а

Ô18 С

S

514

И

а

10 0

Мал. 4. Залежн!сть тр!шиност1йкост1 <К1с) твердих сплав!в wc-»i в1дх (а) та с^ (б).

Вивчення м1крох!м1Т поверхн! руйнування за методом оже-злектронноТ спектроскоп!! показало, що при зниженн1 Fwc спостер!-гаеться зниження в1дношення !нтенсивностей оже-п!к!в н1ке.тю до зольфраму. Але, як було встановлено вище, зниження Pwc призводить цо зниження сум!жност1 кристал1в wc й, тому, арезльна частка по-зерхн1 руйнування, що припадав на м1жкарб!дну межу, повинна зни-куватись, а це означас, що в1дноиення 1нтенсивностей оже-п1к1в 1!келю до вольфраму повинно Шдвищуватися. Знизитися це в1дношен-1Я може т!льки у тому випадку, яйцо на поверхн1 руйнування п1дви-хуеться ареальна частка, що припадав на транскристал!тне руяну-зання кристал1в wc. Д1йсно, вивчення поверхн! руйнування твердих :плав1в за допомогою скануючоТ електронноТ м1кроскоп!Т показало, 10 !з зниженням Рздс на поверхн! руйнування виникае б!льша к1ль-с!сть д1лянок транскристал!тного руйнування wc, а частка м!жкар-ЯдноТ мода руйнування пом!тно знижуеться. Запропоновано пояснен-[Я зм!нення жляху розповсюдження тр1щини, що складаеться з ураху->ання зниження !мов!рност! зустр!ч! тр1щиною, адекватно ор!енто-1Эно1 та близько розташованоТ м!жкарб!дноТ меж!, й п!двищенн1 нергетичноТ виг1даост1 транскристал1тного руйнування кристал!в 'С пор!вняно з 1х обходом по м1жкарб!дних та м!жфазних межах або о зв•язуючий фаз1.

Вим!рювання м!цност! на згин вивчаемих твердих сплав!в wc-ui

з олнакоьими середн1ми лШ1йними перетинами кристал1в ыи показало, що при зниженн1 що супроводжуеться зниженням сум1жност1 кристгл1в «с, спостер1гаеться Шдвищення м1цност1 твердих сплав1в (мал. 5). 0ц1нка розм1ра дефекта, що 1н1ц1юе 'руйнування, (С^) за формулою механ!ки руйнування:

10)

-'зг ЫПа

2800-I

2400

2000 0.0

0.1 0.2 0.3 0.4

С,

'КК

Мал. 5. Шдвищення м1цност1 на згин (<■%,_) твердих сплав1в мс-ш

'зг

при зниженн1 с^. НУзо,

ГПа 1210

а-

60.3

о-

э -14%Ш » -22%№

0/4 05 О.'б Мал. 6. Шдвищення твердост1 (ну30) твердих сплав1в ис-т при зниженн! Р ..

показала, що з понижениям су-м1жност1 кристал1в ис знижуеть-ся и розм1р критичного дефекту у 1,4-1,7 раз1в. Таким чином, зниження сум1жност1 кристал1в ис, що спричинене зниженням Рмс, призводить до зменшення розм1ру критичного дефекта, що й е причиною п1двищення м1цно-ст! твердого сплава. В1дпов1д-но, критичним дефектом у цьому випадку виявляються д1льниц1 м1жкарб1дних меж, що мають, як в!дм1чалося вище, низьку енер-г1ю руйнування.

Вим1рювання твердост1 за В1керсом вивчених твердих сплава ис-М1 показало, що зниження призводить до Шдвищення твердеет! (мал. 6). Зг!дао мо-дел1, розроблено! Л1 X. та Гер-ландом Дк., тверд!сть твердого сплава визначаеться об'емною 1угс] часткою карб1дно! фази ис (V*), 0> сум1жн!стю кристал1в ис (с^) та власно тверд1сто кристал1в ис (1^) та зв'язуючо I фази

(Нз>:

Н =

«к

.гК

°1К + Нз ■

„К

Скк>-

(7)

Але в1домо, що кристалл ис мають ан!зотроп1ю м1кротвердост1. При цьому м!кротверд!сть базисно! гран! перевищуе м!кротверд!сть

призматичноТ гран! у 1,5 - 2 рази за данями р1зних явтор!в. Показано, що при зниженн! Р в!дбуваеться п!двищ0ння ар^злыюТ част-ки базисних граней у загальн!й поверхн! кристал!в що в1дпов1-дас п1двищенню "середнього" значения твердост! кристал!в ис (1^) й, тому, загальноТ твердост1 твердого сплава зг!дно з (7).

ВШЮВКИ

1. Показано, що кристалл ис у процес! р1дкофззппго сШкання твердях сплав!в набувають деяку стац!онэрну нер!Бноважну форму, що визначаеться ан!зотроп1ею швидкостей зростання та поьерхневих енерг!й граней кристалз ис, сп1вв!дношенням м1ж середньою довжи-ною проб!гу у зв'язуючий фзз1 та розм!ром кристалу wc, а також дисперс1ега кристал!в мс за розм!рами.

2. Бозроблено новий ун!версальний фактор фпрми - стугПнь р1внов!сност1 форми кристал!в ьгс - чутливий до зм1нення в!дношен-ня довжин ребер кристал!в ис у твердих сплавах, а також методика його вим!рювання. Ступ!нь р1внов1сност! форми кристал!в кс, за визначенням, е осереднене по геометрично р1вноймов!рним плоским перер!ззм кристал!в но значения в!дношення м1н!мальноТ до максимально! хорд, що проходять через центр мае Ф1гури перер!зу.

3. Знайдено ефект зниження ступени р!внов1сност! форми крис-тал!в мс при введенн! дом1шок титану у твердая сплав мс-!и. Показано, що ефект обумовлено сегрегацию титану, що розчинено у зв'язуючий фаз!, на м!жфззову межу у твердому сплав 1 тс-ш.

4. Знайдено, що при зниженн1 ступени р!внов1сност! форми кристал!в ис в!дбуваеться понижения сум!жност1 кристал!в 'лс у твердому сплав! Запропоновано пояснения цього ефекта, що враховуе зниження 1мов!рност! контакт!в базисних з бззисники та призматачних з призматичними гранями кристал!в ис та зниження в1дносноТ ареальноТ частки призматичних граней у загольи1й площи-н1 поверхн1 кристал1в ис.

5. Показано, що сум1жн!сть та сгугЛнь р!внов!сност1 форми кристал1в ис не чинять прямого вплиеу на тр!щиност!йк1сть твердих сплав!в мс-т, яка визначзсться, головним чином, серогщьога довжи-ною проб!гу у зв'язуючий фаз!.

6. Знайдено, що при зниженн! ступени р1внов!сност1 форми кристал1в ис в!дбувэеться зм!нення шляху розповсюдзкйння трШини при руйнуванн! твердих сплав!в мс-ги, що виявлясться у зростанн! частки транскр1стал1тного руануваннп кристал!в ко та зниженн1 частки руйнування по м!жкарб!дним межам.

7. Показано, що при зниженн1 сгупеня р1внов1сност! форми кристал1в wc в1дбуваеться Шдвищення м1цност! на згин твердих сплав1в wc-tii, яке обумовлено зниженням сум1жност1 кристал1в wc, що призводать до понижения розмIру критичного дефекта.

8. Встановлено, що при зниженн1 ступеня р1внов!сност1 форми кристал1в wc в1дбуваеться Шдвищення твердост! твердих сплав1в wc-iu, яке обумовлено п1двищенням у загальн1й площин1 поверхн1 кристала wc ареалъноТ частки базисно! гран1, що мае б!льш високу м1кротверд1сть пор1вняно з призматичною гранню.

Основн! положения дисертацП опубл!ковано у роботах:

1. Шатов А.В., Фирстов С.А. Формообразование карбидных кристаллов в твердых сплавах // Металлофизика. - 1994. - т.16. -Н 7. - С. 46-52.

2. Шатов А.В., Фирстов С.А. Изменение формы кристаллов wc при сегрегации титана на межфазную границу в твердых сплавах WC-Hi // Металлофизика. - 1994. - т.16. - ы 7. - С. 53-59.

3. Shatov A.V., Firstov S.A. Aspects of carbide crystals ehape formation in hard metals // Proc. Int. Conf. Structure and Propertiee of the Brittle and Ciuaziplastic Materials. - Riga: ïnst. Inorg. Chem. of Latvian Ac. of Sci., 1994. - P. 149-153.

4. Шатов A.В., Фирстов С.A. О влиянии изменения формы кристаллов wc на трешиностойкостъ твердых сплавов wc-Mi // Актуальные проблемы прочности: Тез. докл. В 2 ч. - Новгород: НовГУ, 1994. -4.2. - С. 66.

Shatov A.V. Shape formation of WC crystals in cemented carbides and relation to mechanical properties.

The thesis as manuscript for competition on a candidate's degree (Ph.D.) on physics and mathematics with speciality in solid state physics - 01.04.07, Institute for Problems of Materials Science HAS of Ukraine, Kiev, '1994V- '

Results of theoretical and experimental investigations of WC crystals shape formation processes in cemented carbides, regularities of WC crystals shape change when dopant titanium segregates on interphase boundary as well as WC crystals shape change influence on microstructure, fracture and mechanical properties of cemented carbides are defended which published in 4 scientific papers. It is found that segregation of dopant titanium on interphase boundary in WC-Mi cemented carbide changes WC crystals shape. Decrease of WC crystals e-auiaxiality causes ■ the WC crystals contiguity to decrease, that results in decrease of critical defect size and therefore in increase of cemented carbide strength.

Шатов А.В. Формообразование кристаллов wc в твердых сплавах и связь с механическими свойствами.

Диссертация в форме рукописи-на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела, Ин-т пробл. материаловед. НАН Украины, Киев, 1994. Защищаются результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов формообразования кристаллов wc в твердих сплавах, закономерностей изменения формы кристаллов wc при сегрегации примеси титана на кежфазную границу, а также влияния изменения формы кристаллов wc нэ микроструктуру, механические свойства и разрушение твердых сплавов, опубликованные в 4 работах. .Установлено, что сегрегация примеси титана на межфазную границу в твердом сплаве wc-Mi изменяет форму кристаллов wc. При этом понижение степени рэвноосности формы кристаллов wc обусловливает понижение смежности кристаллов wc, которое приводит к понижению размера критического дефекта и, поэтому, к повышению прочности твердого cur-ma.

Ключов! слова: тверд1 сплави, м!кроетруктура, форма приставе wc, сегрегац!я дом!шки, тр1щиност!йк1сть, м!цн!сть, тверд!сть.