Мёссбауэровская спектроскопия модифицированных радиационным воздействием поверхностных слоёв сплавов на основе железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АКСТ Евгений Рудольфович

МЁССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ РАДИАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат

Диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Казань - 1997

Работа выполнена на кафедре физики твёрдого тела Казанского государственного университета.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Н.Г. Ивойлов

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, с.н.с Е.С. Романов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор A.B. Митин

кандидат физико-математических наук, с.н.с. P.A. Манапов

Ведущая организация: физико-технический институт

Уральского отделения РАН (г. Ижевск)

Защита состоится 26 июня 1997 г. в 14 час. 30 мин. на заседании Диссертационного Совета Д.053.29.02 при Казанском государственном универсистете ( 420008, г. Казань ул. Кремлёвская, 18).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного университета.

Автореферат разослан 26 мая 1997 г.

Учёный секретарь Специализированного Совета, «

д.ф.- м.н., профессор ______ЕРёмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокие требования, предъявляемые к современным металлическим материалам, стимулируют поиск и разработку новых, нетрадиционных способов оптимизации свойств металлов и сплавов. Большой интерес представляют основанные на последних достижениях науки и техники методы модифицирования поверхности материалов концентрированным радиационным воздействием, в том числе - метод ионной имплантации. В настоящее время наблюдается значительный рост объёма исследований, связанных с ионно-лучевым модифицированием металлических материалов. Попытки использовать ионную имплантацию для совершенствования поверхностно-чувствительных свойств ряда металлов и сплавов привели к формированию новой технологии -имплантационной металлургии.

Среда модифицируемых ионно-лучевым воздействием металлических материалов большое практическое значение имеют железоуглеродистые сплавы. Облучение этих относительно доступных и распространбнных материалов ионами химически активных металлоидов позволяет значительно улучшать механические и три-Сологические свойства их поверхности. Однако механизмы такого упрочнения неоднозначны, сложны и к настоящему времени недостаточно изучены. Особенно это касается чугунов, которые практически не изучались с точки зрения перспектив ионно-лучевого модифицирования. Для надежного прогнозирования результатов имплантации в железоуглеродистые сплавы и контроля над свойствами модифицируемых материалов необходимо использовать новейшие средства исследования, чтобы получить ясное представление о всём многообразии процессов, происходящих в этих сложных и неоднородных металлических системах при ионном облучении. Важное значение для понимания радиационно-инцуциро-ванных процессов в железоуглеродистых сплавах и для последующей оптимизации режимов их обработки имеет структурно-фазовый анализ модифицированных радиационным воздействием поверхностных слоёв данных материалов.

Эффективным инструментом исследования железосодержащих сплавов является ядерная гамма-резонансная (мбссбауэровская)

- А -

спектроскопия. Благодаря высокому энергетическому разрешению она позволяет фиксировать сверхтонкие взаимодействия, отражающие природу локального окружения резонансных ядер Ре57, и, следовательно, получать информацию о структурно-фазовых особенностях объектов исследования на атомно-микроскопическом уровне. Для исследования тонких ионно-имплантированных слобв, представляющих собой приповерхностные области сплавов, непрозрачных для мёссбауэровского гамма-излучения, наиболее преем-лемой является методика измерения мёссбауэровских спектров в геометрии обратного рассеяния, основанная на регистрации электронов внутренней конверсии или характеристического рентгеновского излучения. В этом случае высокую информативность мёссбауэровских спектров можно дополнить возможностью селективных по глубине измерений.

Однако, мёссбауэровская спектроскопия ионно-имплантированных сплавов железа и, в частности, чугунов сталкивается с проблемой сложных, слаборазрешенных мбссбауэровских спектров, причиной которых яляется многофазность и многокомпонентность объектов исследования, а также наличие радиационных нарушений в их структуре. Анализ подобных спектров, представляющих собой суперпозицию большого числа смещенных друг относительно друга и сильно перекрывающихся линий, весьма затруднён и требует развития специальных математических методов, ориентированных на современные средства вычислительной техники.

Цель работы. Экспериментальное исследование, преимущественно средствами мёссбауэровской спектроскопии, структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях графитных чугунов, происходящих при облучении их ионами азота и определяющих модификацию эксплуатационных свойств данных материалов. При выполнении работы решались следующие задачи:

1. Освоение и развитие математических методов модельно-независимой, квазинепрерывной аппроксимации мбссбауэровских спектров сложных, разупорядоченных металлических систем. Разработка пакета компьютерных программ по обслуживанию мёссба-уэровской спектроскопии сплавов железа.

2. Построение аналитической модели конверсионно-электронных мёссбауэровских спектров для облучённых ионами азота

графитных чугунов. Структурно-фазовый анализ модифицированных радиационным воздействием поверхностных слоёв данных материалов .

3. Изучение влияния формы графитных включений и режимов имплантации ионов азота на процессы фазообразования и свойства чугунов. Выяснение механизмов радиационного упрочнения их поверхности.

Научная новизна. Впервые методом конверсионно-электронной мбссйауэровской спектроскопии исследован фазовый состав поверхностных слоёв графитных чугунов, облученных ионами азота, и установлена зависимость этого состава от плотности графитных границ в чугуне и режимов имплантации ионов азота.

Впервые показано влияние плотности ионного тока на индуцируемые облучением процессы фазообразования в чугунах. Определены основные причины упрочнения поверхности чугунов при ионном облучении и выявлены доминирующие механизмы в динамике фазообразования.

На основе известного метода регуляризации разработан модифицированный метод квазинепрерывной аппроксимации, позволяющий осуществлять модельнонезависимую обработку асимметрично уширенных мёссбауэровских спектров посредством восстанавления из них функций плотности вероятности параметров сверхтонкого взаимодействия.

Практическая ценность работы заключается в том, что в ней показана возможность значительного улучшения механических и трибологических свойств поверхности графитных чугунов при ионном облучении. Это закладывает основу для возможной замены дорогостоящих металлических материалов более дешёвыми и доступными металлическими сплавами, поверхность которых модифицирована ионно-лучевым воздействием.

Полученные в работе результаты могут быть использованы для прогнозирования структурно-фазового состояния и свойств поверхностных слобв чугунов, облучённых ионами азота, что позволяет оптимизировать режимы облучения. Кроме того, полученные результаты могут способствовать дальнейшему развитию фундаментальных представлений металлофизики и радиационной физики твёрдого тела.

- б -

Положения выносимые на защиту.

1. Модифицированный метод квазинепрерывной аппроксимации мбссбауэровских спектров.

2. Результаты мбссбауэровских исследований поверхностных слоёв чугунов, облучённых ионами азота.

3. Зависимость фазового состава поверхностных слоёв чугунов от дозы облучения и марки материала.

4. Результаты механических и трибологических испытаний чугунов и механизмы радиационного упрочнения их поверхности.

5. Результаты исследования влияния плотности ионного тока на процессы фазообразования в серых чугунах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на VIII Мездународной конференции по сверхтонким взаимодействиям (Прага, 1989 г.), Латиноамериканской конференции по применению эффекта Мбссбауэра (Куба, Гавана, 1990 г.), I и IV совещаниях по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Москва, 1985; Ужгород, 1991 г.), III Всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом (Ужгород, 1985 г.), Всесоюзной конференции "Прикладная мёссбауэровская спектроскопия" (Казань, 1990 г.), Российской научно-технической конфернции "Применение мёссбау-эровской спектроскопии в материаловедении" (Ижевск, 1993 г.), Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" (Наб.Челны, 1995 г.), IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 141 страницах, включая 23 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены цели и задачи проводимых исследований.

Первая глава посвящена обзору литературы, отражающей современные достижения в области теории и практики имплантирования металлических материалов, и содержащей сведения по имплантации ионов азота в железо и железоуглеродистые сплавы.

В главе рассмотрены теоретические основы взаимодействия ускоренных ионов с поверхностными слоями твёрдых тел: закономерности формирования каскадов атомных смещений и радиационных дефектов, профили распределения дефектов и вводимых ионов, эффект каналирования. Отдельно рассмотрены эффекты, связанные с высокими дозами облучения металлов: распыление материала мишени и радиационно-стимулированная диффузия, ионное перемешивание и радиационно-индуцированная сегрегация. Особое внимание уделено процессам фазообразования, индуцируемым в металлах и сплавах ионной имплантацией. Проведён обзор структурно-фазовых исследований железа и сталей, облучённых ионами азота. Обсуждены результаты механических и трибологических испытаний данных материалов. Рассмотрены возможные механизмы радиационного упрочнения их поверхности.

Вторая глава посвящена описанию объекта исследования, а также техники и методики эксперимета.

§_первом_параграфе сообщается, что объектом исследования в настоящей работе являлись облучённые ионами азота графитные чугуны марок СЧ 20, ВЧ 35 и ВЧ 40, структура которых представляла собой феррито-перлитную металлическую основу с графитными включениями соответственно пластинчатой, вермикуляр-ной и шаровидной формы. Облучение осуществлялось в ускорителе ИЛУ-3 однозарядными ионами азота с энергией 40 кэВ в диапазо-

* с л о р

не доз от 5«10 до 1«10'° ион/см при плотности ионного тока 5 мкА/см2 либо 50 мкА/см2.

Во_втором_параграфе описана методика измерения износостойкости и микротвёрдости. Сравнительные испытания на износостойкость осуществлялись на машине трения, где исследуемый образец под нагрузкой совершал возвратно-поступательное движение по контртелу из стали Р18. Нагрузка в первый час испытания составляла 25 мпа и дискретно увеличивалась на 25 МПа через каждый час. В процессе испытания непрерывно осуществлялась смазка трущихся поверхностей маслом "Индустриальное".

Измеряемым параметром являлся линейный износ рабочей поверхности материала.

Микротвбрдость поверхностных слобв измерялась с помощью оптического микроскопа снабженного микродюромет-

рической приставкой. Замеры осуществлялись в направлении от облучённой поверхности образца к центру на шлифах, вырезанных перпендикулярно имплантированному слою. Нагрузка на индентор (алмазную пирамиду Виккерса) составляла 10 грамм.

В третьем параграфе описана техника получения рентгенограмм. Для получения рентгенограмм использовалась схема дифракции в параллельных скользящих лучах, которая была реализована на дифрактометре ДРОН-ЗМ, сопряженным с микро-ЭВМ "Электроника ДЗ-28". Измерения проводились в фильтрованном характеристическом излучении железа ( Ре Ка ) в автоматическом режиме счёта по точкам при шаге по углу дифракции Ш = 0,1 град. Угол скольжения являлся постоянным и составлял либо 1 градус либо 4 градуса, что соответствовало глубинам зондирования примерно 0,2 и 0,8 мкм.

В четвёртом параграфе рассмотрены особенности мбссбауэ-ровской спектроскопии в геометрии обратного рассеяния. Приведены физические основы метода и описана используемая аппаратура. Для получения ЯГР-спектров поверхностных слобв чугунов, непрозрачных для мёссбауэровских 7-квантов, были использованы излучения, сопровождающие процесс внутренней электронной конверсии (конверсионные электроны К-оболочки и К-ЬЬ Оже-элек-троны, а также вторичное характеристическое рентгеновское К-излучение). Гамма-резонансные измерения были выполнены на спектрометре с постоянным ускорением, созданным на базе многоканального анализатора ГСГА-512В. Электроны регистрировались с помощью газопроточного пропорционального детектора, заполняемого газовой смесью Не + 5% СНД , а рентгеновские кванты - с помощью пропорционального счётчика, заполненого ксеноном.

В пятом параграфе описана методика математической обработки мёссбауэровских спектров, которая заключается в выборе аппроксимирующей функции для экспериментального набора точек и определении её параметров. ЯГР-спектры обрабатывались методами, основанными как на дискретном, так и на непрерывном

(квазинепрерывном) способах представления гамма-резонансной кривой. В дискретном способе аппроксимирующая функция строилась на основе структурной модели, позволяющей выделять в исследуемом материале неэквивалентные группы резонансных атомов и ставить им в соответствие отдельные компоненты, образующие спектр по принципу линейной суперпозиции. Параметры аппроксимирующей функции определялись из условия минимума суммы квадратов отклонений экспериментального и модельного спектров. Минимизацию осуществляли методом покоординатного спуска Гаус-са-Зейделя с помощью разработанной в среде Турбо-Паскаль компьютерной программы, текст которой приведен в приложении.

Вопросы, связанные с обработкой спектров в непрерывном представлении, подробно рассмотрены в третьей главе.

Третья глава затрагивает проблемы аппроксимации уширенных, слоборазрешбнных мёссбауэровских спектров сложных металлических систем.

анализируются известные методы восстановления функций плотности вероятности параметров сверхтонкого взаимодействия (СТВ) из мёссбауэровских спектров. В основе этих модельнонезависимых методов лежит представление гамма-резонансной кривой в виде линейной суперпозиции непрерывно распределённых подспекгров L(x,v), различающихся значением одного, доминирующего параметра сверхтонкого взаимодействия х:

Хтах

S(i» = X Р(X) L(x,u) dx. (1 )

xmin .

Выражение (1) является интегральным уравнением Фредгольма 1-го рода, а задача получения из него функции плотности вероятности Р(х) относится к классу некорректно поставленных. Для решения такого рода задач в ЯГР-спектроскопии существует несколько подходов, среди которых мы выделили метод регуляризации Хессе и Рубарча. В этом методе, рассмотренном применительно к случаю когда параметром СТВ является сверхтонкое магнитное поле Н, интеграл (1) заменяется суммой с некоторым малым шагом АН, а функция Р(Н) выроадается в дискрентный набор вероятностей [Р0 ..Ph ..Рм] = Р. Затем применяется идея регуля-

ризации, сводящая задачу поиска Р к вычислению следующего матричного выраженения:

Рт= [ И * 0.т + 7 ГО ]~1« В. » $*Т, (2)

где 3*- матрица-строка точек экспериментального спектра, Ю -матрица постоянных коэффициентов, 7 - параметр регуляризации (гладкости кривой Р(Н)), 0_ - матрица, строками которой являются зеемановские секстеты, соответствующие последовательно меняющимся значениям сверхтонкого магнитного поля.

Второй параграф посвящбн апробации метода регуляризации. С использованием данного метода связана проблема выбора оптимального параметра гладкости, а также проблема оценки достоверности получаемых результатов. Эти проблемы не могут быть решены с помощью только теоретических средств, поэтому на практике приходится прибегать к модельным численным экспериментам, суть которых состоит в обработке методом регуляризации псевдореальных ЯГР-спектров, расчитанных на основе заранее известных функций плотности вероятности параметров СТВ.

Для проведения таких экспериментов была разработана специальная компьютерная программа, с помощью которой определён оптимальный диапазон.значений для 7 и изучено влияние различных факторов на величину и характер возможных погрешностей в Р(Н). В частности, показано к каким искажениям в Р(Н) приводит неточное задание параметров ядра интегрального уравнения (1) (ширины лоренцевской линии, изомерного сдвига, соотношения интенсивностей линий в секстете, квадрупольного расщепления).

В_третьем_параграфе рассматриваются вопросы, связанные с адаптацией метода регуляризации и его развитием. Метод Хессе и Рубарча, учитывающий распределение только одного из параметров СТВ, оказывается слишком грубым для анализа асимметрично уширенных ЯГР-спектров, характерных для чугунов. Для корректной обработки подобных спектров требуется подход, учитывающий распределения всех параметров СТВ. Друг™ недостатком метода регуляризации является высокая вероятность ошибок, которые могут возникать при неточном задании параметров ядра интегрального уравнения (1). Предлагаемый наш модифицированный метод квазинепрерывной аппроксимации объединяет в себе

идею регуляризации и процедуру линеарйзации, а также предусматривает наличие линейных связей между параметрами СТВ. Это позволяет восстанавливать функции Р(Н) из асимметрично уширенных ЯГР-спектров и вносить при этом коррективы в параметры аппроксимирующей кривой и получаемое решение.

Искомым аргументом в методе является матрица-строка Р, состоящая из двух частей р'1* и где Р^1набор вероятностей Р^11 образующих распределение Р(Н), а Р^- параметры аппроксимирующей кривой. Считая, что начальные приближенные значение всех параметров известны (Р = Р0), поправки к параметрам ДР определяются из условия минимума для многопараметрического функционала Р(Р):

зр(ер) а

М' и

+ \Е Е 1=1 к=1

| рНР.^-Б*^)]2 +ТЫЕ [АР{1}-2ДР}1 )+ДР^;1)]2+ 1С—1 1—2

-лр1

ар.

Н

з = 1,..,м'. (3)

Это условие включает в себя требование минимума суммы квадратов отклонений модельного и экспериментального спектров, а также требование гладкости кривой Р(Н). Последний член служит для обеспечения устойчивости решения при внесении в него поправок. Параметр X управляет процессом корректирования и так же, как параметр гладкости 7, подбирается опытным путем.

После использования идеи линеаризации, позволяющей нелинейный функционал Р(Р) привести к линейному относительно поправок ЛР виду, расчетные формулы приобретают следующий вид:

<г = С V + 7 О + \ <БзН Г1 - V «Л ' (4)

Здесь символ "б11п, означающий шаг итерации, использован для того, чтобы придать формулам универсальный вид. Символ "Т" означает операцию транспонирования, а элементы матриц Ш, (Б, и 47 вычисляются следующим образом:

О

* У

; с. ,

р 1,3

О при

о

= - Б(1Р0,и1!.); к = 1.....Н; 3 = 1.....М'; (6)

Матрица (В строится на основе матрицы Ю. Процедура поиска оптимальных значений Р осуществляется в несколько этапов. На начальном этапе, когда б)! = 0, считается, что Р^1О, X = 0, а параметры аппроксимирующей кривой

являются константами и им придается некоторое начальное приближённое значение Рд2-. При таких условиях матрица Ш0 в выражении (4) оказывается равной матрице 0. метода Хессе и Ру-барча. точно так же, как матрица оказывается равной матрице 5*. Следовательно, при Бй = 0 рассматриваемая процедура является ни чем иным, как методом регуляризации, а получаемые здесь параметры р}1^ представляют собой функцию Р(Н), восстанавливаемую из спектра при грубых, начальных значениях параметров аппроксимирующей кривой.

На следующем этапе параметру метода X придаётся некоторое отличное от нуля значение, а параметры * и р|2Ч полученные на предыдущем этапе, используются в качестве начальных приближённых значений для Р. Затем выполняется расчёт на основе формул (4) и (5), результатом которого является уточнённое значение Р. Такая операция может повторяться несколько раз, пока не будет достигнута заданная точность.

В четвёртой главе представлены результаты исследования структурно-фазового состава и свойств поверхностных слоёв чу-гунов, облучённых ионами азота.

В первом__параграфе рассматриваются структурно-фазовые

превращения в чугунах с различной формой графитных включений. Чугуны с пластинчатым, вермикулярным и шаровидным графитом (ЧПГ, ЧВГ и ЧШГ) облучались ионами азота при плотности ионного тока 50 мкА/см2, после чего методом мессбауэровской спектроскопии исследовался фазовый состав их поверхностных слоёв. Согласно данным мёссбауэровской спектроскопии в этих сплавах, начиная с дозы имплантации 2*1017ион/см2, обнаруживаются нит-

риды 7'-Ре^ и е-Ее2+хК с х « 1, а также е-карбиды и карбо-нитриды переменного состава. Новые фазы локализуются, главным образом, в тонких приповерхностных слоях материала ( примерно 0,1 мкм ). Их количество нарастает с увеличением дозы имплантации и зависит от марки облучаемого сплава. Наибольшее количество новых фаз при равной дозе имплантации наблюдается в чугунах с пластинчатой и вермюсулярной формой графитных включений, а наименьшее - в чугунах с шаровидным графитом. Основную долю среди новых фаз составляют фазы е-типа, которые имеют гексагональную кристаллическую решётку и в относительно широких пределах растворяют азот и углерод.

На основе анализа полученных результатов сделан вывод о том, что свободный графитный углерод в облучаемых чугунах способствует процессу выпадения новых фаз. При этом новые фазы зарождаются, преимущественно, на границах графитных включений посредством механизмов радиационно-индуцированной сегрегации и ионного перемешивания. Очевидно, графитные границы в чугунах играют при имплантации роль эффективных стоков для точечных радшщионных дефектов и на них происходит скопление имплантируемых атомов азота, увлекаемых потоками таких дефектов. Это повышает вероятность зарождения на границах новых фаз. Поскольку плотность графитных границ в ЧБГ и ЧПГ выше чем в ЧШГ, то и процессы фазообразования протекают здесь более эффективно.

§2_втором_параграфе обсуждаются результаты механических и трибологических испытаний чугунов. Показано, что под воздействием имплантации ионов азота износостойкость и микротвёрдость поверхностных слобв чугунов значительно повышается. Эффект радиационного упрочнения поверхности нарастает с увеличением дозы имплантации и зависит от март облучаемого материала. Наибольшее увеличение износостойкости и микротвёрдости наблюдается у чугунов с пластинчатой и вермикулярной формой графитных включений, а наименьшее - у чугунов с шаровидным графитом. Влияние имплантации распространяется до глубин, более чем на два порядка превышающих толщину имплантированного слоя.

На основе сопоставления результатов механических и три-

Оологических испытаний чугунов с данными их фазового анализа установлена взаимосвязь между степенью возрастания у этих материалов износостойкости и микротвёрдости и количеством новых фаз в имплантированном слое. Сделан вывод о том, что основной причиной упрочнения поверхности чугунов при ионном облучении является образование в этих сплавах твёрдых нитридных и карбидных фаз. Другой причиной упрочнения является накопление радиационных дефектов.

Факт наличия улучшений механических и трибологических свойств чугунов на глубинах, значительно превышающих средний пробег имплантируемых ионов азота, объясняется радиационно-стимулированной диффузией в глубь образца точечных радиационных дефектов и атомов вводимой примеси, а также распространением поверхностных напряжений за пределы имплантированного слоя. Определённую роль в повышении износостойкости на больших глубинах может играть стимулированная трибоиспытаниями миграция атомов азота. Поскольку несвязанный азот мигрирует в чугунах преимущественно по границам графитных включений, данный процесс оказывается чувствительным к плотности графитных границ, различной у ЧПГ, ЧВГ и ЧШГ.

В_третьем_параграфе обсуждаются результаты исследований, проводимых с целью оценки влияния плотности ионного тока на процессы фазообразования в серых чугунах (чугунах с пластинчатой формой графита). Эти сплавы облучались ионами азота при двух, отличающихся на порядок, значениях плотности ионного тока (3 = 5 мкА/см2 либо Л = 50 мкА/см2), после чего методом КЭМС и методом РСА в геометрии скользящего луча изучался и сравнивнивался фазовый состав их поверхностных слобв.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при 3 = 5 мкА/см2 в поверхностных слоях ЧПГ наблюдается большее количество новых фаз, чем при 3 = 50 мкА/см2. Причём, в этом случае образуются, преимущественно, мелкодисперсные £-карбиды типа Ре-С-Б!, а также парамагнитные в-нитриды (карбонитриды), по составу близкие к С увеличением.на порядок плотности

ионного тока в имплантированном слое нарастает доля 7'-нитридов, а е-карбиды оказываются в ферромагнитном состоянии. Кроме того, состав, образующихся в данном случае е-нитридов

(карбонитридов), приближается к Ре3Ы, что делает их также ферромагнитными.

. Указанные различия объясняются сменой доминирующих процессов в облучаемом материале. Предполагается, что при плотности ионного тока 5 мкА/см2 в поверхностных слоях ЧПГ преобладают процессы радиационно-индуцированной сегрегации и ионного перемешивания, которые и определяют динамику фазообразо-вания. Процесс радиационно-ивдуцированной сегрегации, обусловленный движением точечных радиационных дефектов к стокам, ведёт-к скоплению на границах графитных включений в чугуне атомов азота и кремния, что повышает вероятность зарождения здесь обогащенных азотом в-нитридов, а также мелкодисперсных е-карбидов типа Ре-С-Б!.

С увеличением на порядок плотности тока имплантации усиливаются процессы рекомбинации тачечных радиационных дефектов, что обусловлено эффектом межкаскадного, динамического отжига, а также разогревом образца за счет возрастания рассеиваемой мощности. В результате подавляются процессы миграции дефектов к стокам, ответственные за радиационно-индуциро-ванную сегрегацию и за фазообразование на графитных границах. Доминирующим становится процесс термической диффузии, который способствует коагуляции мелкодисперсных е-карбидов, а также ведет к перераспределению азота в имплантированном слое и к образованию фаз с меньшим его содержанием (7'-Ре4Ы и е-Ре2+хШ,С) с х«1).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ М ВЫВОДЫ

1. Освоен метод регуляризации, представляющий собой процедуру модельнонезависимой обработки ЯГР-спектров, заключающуюся в восстановлении по экспериментальным данным функций плотности вероятности сверхтонкого магнитного поля. При этом проводились модельные численные эксперименты с целью выбора оптимального параметра регуляризации и оценки достоверности получаемых решений Р(Н). Изучено влияние различных факторов на величину и характер возможных погрешностей в Р{Н) и показана необходимость учета распределения всех параметров СТВ в случае анализа асимметрично уширенных мбссбауэровских спект-роЕ сложных металлических систем.

2. Предложен модифицированный метод квазинепрерывной аппроксимации мёссбауэровских спектров, ооъединяющий в себе идею регуляризации и процедуру линеаризации. Метод позволяет восстанавливать функции Р(Н) из асимметрично уширенных мёссбауэ-ровских спектров, характерных для промышленных железоуглеродистых сплавов, и вносить коррективы в параметры аппроксимирующей кривой и получаемое решение.

3. Впервые методом КЭМС и методом РСА в геометрии скользящего луча исследован фазовый состав поверхностных слоев чугунов, облучённых ионами азота. Показано, что следствием имплантации ионов азота в чугуны является образование здесь различных нитридных и карбидных фаз, количество, степень дисперсности и состав которых определяются режимом имплантации и маркой облучаемого материала. Обнаружено, что основную долю среди этих фаз составляют фазы е-типа, имеющие гексагональную кристаллическую решётку и в относительно широких пределах растворяющие азот и углерод.

4. Изучено влияние графитных включений на индуцируемые имплантацией процессы фазообразования в чугунах. Сделан вывод о том, что свободный графитный углерод чугунов способствует процессу выпадения новых фаз. При этом новые фазы зарождаются, преимущественно, на границах графитных включений) а ведущую роль в динамике фазообразования играют механизмы радиационно-индуцированной сегрегации и ионного перемешивания.

5. Обнаружено, что под воздействием имплантации ионов азота значительно повышается износостойкость и микротвёрдость поверхностных слоёв чугунов. Эффект упрочнения распространяется до глубин, более чем на два порядка превышающих глубину проникновения имплантируемых ионов азота, и зависит от дозы имплантации и марки облучаемого материала. Установлено, что основной причиной упрочнения поверхности чугунов является образование в этих материалах твёрдых нитридных и карбидных фаз, а также накопление радиационных дефектов.

6. Произведена оценка влияния плотности тока имплантации на процессы фазообразования в серых чугунах. Показано, что с изменением этого параметра происходит смена доминирующих механизмов в динамике фазообразования. В условиях более высокой

плотности ионного тока эффективней протекают процессы рекомбинации точечных радиационных дефектов и диффузии примеси, а процессы радиационно-индуцированной сегрегации оказываются подавленными. В результате изменяется тип и состав выпадающих при облучении фаз.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Вашкиров Ш.Ш., Ивойлов Н.Г., Романов Е.С., Акст Е.Р. Конверсионная мбссбауэровская спектроскопия тонких магнитных плёнок // Тез. докл. III Всесоюзн. совещания "Когерентные взаимодействия излучения с веществом".- Ужгород,1985.- С.196.

2. Акст Е.Р., Банкиров Ш.Ш., Бочкарёв В.Ф., Мвойлов Н.Г. Распределение сверхтонких полей в аморфных Fe-Gd плёнках // Тез. докл. I Всесоюзн. совещания по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий.-Москва,1985.- С.153.

3. Bashklrov Sh., Ivojlov N.G., Romanov E.S., Akst E.R. Radiation-Induced Processes In Implanted Iron Garnet Layers // Abstracts oi VIII-th International Conference on Hyperflne Interactions (August 14-19, 1989)- Prague, 1989.- B4-92.

4. Романов E.C., Акст E.P., Ивойлов Н.Г., Васильева Е.В., Усанова О.Ю. Конверсионные мбссбауэровские исследования ионно-имплантированных слоёв серого чугуна // Тез. докл. Всесоюзн. конф. "Прикладная мбссбауэровская спектроскопия" (Казань, 1115 июня 1990 г.)- Казань: Изд.КГУ, 1990.- С. 50.

5. Akst E.R., Romanov E.S., Ivojlov N.G. Conversion fiossbauer Investigations or Nitrogen-Implanted Cast Irons // Abstracts oi Latin American Conference on the Applications of the Mossbauer Efiect.- Havana, 1990.- P. 2.15.

6. Романов E.C., Акст E.P., Ивойлов Н.Г., Васильева Е.В., Усанова О.Ю. Мбссбауэровские исследования влияния формы графита на свойства ионно-имплантированных слоёв серого чугуна // Тез. докл. IV совещ. по ядерно спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Ужгород, Июнь 1991 г.).~ Москва: Изд.МГУ, 1991- С. 176.

7. Акст Е.Р., Романов Е.С., Ивойлов Н.Г. Исследование имплантированных азотом поверхностных слоёв графитных чугунов // Межвузовский сборник "Проблемы литейного материаловедения чугуна".- Наб.Челны: Изд.КамПИ, 1991,- С. 43-51.

8. Ивойлов Н.Г., Романов Е.С., Акст Е.Р., Баязитов P.M. Конверсионная мёссбауэровская спектроскопия тонких магнитных плёнок // В cö. "Парамагнитный резонанс". - Вып.24. - Казань: Изд.КГУ, 1992.- С. 89-151.

9. Романов Е.С., Акст Е.Р., Ивойлов Н.Г., Волков С.Е., Баязитов P.M. Влияние плотности ионного тока на процессы фазообразования в имплантированных азотом системах Fe-C-Si // Тез. докл. Росс, н.-т.конф. "Применение мёссбауэровской спектроскопии в материаловедении" (Ижевск, 14-16 сентября 1993г.)

- Ижевск, 1993.- С. 37.

10. Акст Е.Р., Романов Е.С., Ивойлов Н.Г. Изменение свойств и структурно-фазового состояния поверхности графитных чу-гунов под воздействием ионной имплантации // Тез.докл. Международной н.-тех.конф."Механика машиностроения" ( 28-30 марта 1995 г.)- Наб.Челны: Изд.КамПИ, 1995,- С. 182-183.

11. Акст Е.Р., Романов Е.С., Ивойлов Н.Г. Исследование процессов фазообразования в имплантированных азотом железоуглеродистых сплавах // Поверхность.- 1995.- а 6.- С. 99-105.

12. Романов Е.С., Ивойлов Н.Г., РемнеЕ Г.Е., Акст Е.Р. Конверсионные мбссбауэровские исследования поверхностных слоев металлов и диэлектриков, подвергнутых ионному облучению // Тез.докл. IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 13-17 мая 1996 г.)- Томск, 1996.- С. 525-526.

13. Романов Е.С., Акст Е.Р., Ивойлов Н.Г., Шустов В.А. Влияние плотности ионного тока на процессы фазообразования при имплантации сплавов типа Fe-C-SI // Тез. докл. IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 13-17 мая 1996 г.)

- Томск, 1996.- С. 527.

14. Васильева Е.В., Усанова О.Ю., Эль-Бекай Б.Ш., Лукья-ненко Е.В., Акст Е.Р. Влияние формы графитных включений на процессы фазообразования и свойства чугунов, подвергнутых ионной имплантации // Металлы.- 1996.- Ж 5.- С. 128-134.