Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электронов

Голковский, Михаил Гедалиевич

Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Голковский, Михаил Гедалиевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электронов»

Автореферат диссертации на тему "Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электронов"

На правах рукописи

ГОЛКОВСКИЙ МИХАИЛ ГЕДАЛИЕВИЧ

РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛ ЕЙ И ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ПУЧКОМ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния, 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических: наук

ТОМСК - 2007

003065148

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО Р.' г. Новосибирск.

Научный руководитель -

доктор технических наук, старший научный сотрудник Полетика Ирина Михайловна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Козлов Эдуард Викторович

кандидат технических наук ; доцент Наркевич Наталья Аркадьевна

Ведущая организация

Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск.

Защита диссертации состоится « 2 » марта 2007 г. в « 16°° » часов на заседании диссертационного совета Д.003.038.01 в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН. Автореферат разослан: « января 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук / / О.В. Сизова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальност ь темы

Всё более увеличивающаяся доля технологий формирования упрочняющих покрытий в машиностроении и металлургии основана на применении источников с высокой объёмной и поверхностной концентрацией энергии, позволяющих осуществлять быстрый нагрев и расплавление поверхностного слоя металла. В ряду технологий, применяющих концентрированные электронные пучки, выделяются новые технологии, основанные на использовании электронов со значительно увеличенной энергией - релятивистских электронов. В ИЯФ СО РАН созданы промышленные ускорители электронов, позволяющие выводить концентрированный пучок электронов с энергией 11,6 МэВ и мощностью 100 кВт в атмосферу. Эффективная глубина проникновения электронов в металл составляет 0,5 — 1 мм. Производительность обработки достигает 100 см2/с при закалке и 30 см2/с при наплавке.

Несмотря на уникальность метода и его возможностей для поверхностной обработки, проведенные в данной области исследования имеют, в основном, практическую направленность, структурные и фазовые превращения модифицированных слоев в зависимости от режимов электронно-лучевого воздействия изучены недостаточно и относятся к ограниченному кругу материалов. Новым малоизученным объектом для наплавки является титан и его сплавы, которые широко применяются в авиации, ракетной технике, машиностроении. Особый интерес представляют покрытия на титановых сплавах, сформированные из высокотвердых порошков карбидов, нитридов и боридов с высокой температурой плавления, которые обладают не только высокой твердостью и износостойкостью, но и повышенной жаростойкостью.

Для выявления основных закономерностей протекающих процессов и режимов электронно-лучевого воздействия, позволяющих достигать того или иного уровня свойств, необходимо знание температурно-временных зависимостей на различном расстоянии от поверхности. Ввиду сложности измерения температуры в зоне действия излучения, эта задача в настоящее время может быть решена только расчетным путем с помощью математического моделирования. При этом актуальным является поиск простых аналитических зависимостей между ключевыми параметрами процесса!

Целью работы является изучение закономерностей формирования упрочняющих покрытий на поверхности сталей и титановых сплавов методами закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов, выведенных в атмосферу: теоретический расчет температурных полей и экспериментальные исследования модифицированных слоев.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод расчета температурных полей при электроннолучевой закалке плоских, цилиндрических изделий и изделий со сложной формой поверхности. Выявить в простом аналитическом виде связи между

универсальными параметрами процесса.

2. Исследовать закономерности формирования структуры в зоне электронно-лучевой закалки среднеуглеродистых и легированных сталей. Предложить набор параметров, полностью определяющих процесс и удобных для классификации режимов воздействия.

3. Сопоставив расчетные данные с экспериментальными, проанализировать характер наблюдаемых в поверхностном слое фазовых превращений. Систематизировать достижимые режимы закалки в соответствии со структурными особенностями закаленной зоны.

4. Применить метод для поверхностного упрочнения железнодорожных рельсов. Выполнить в общем виде расчет распределения поверхностной плотности энергии на криволинейной поверхности при сканировании излучения и применить его для оптимизации режимов обработки изделия.

5. Изучить структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях титана и титановых сплавов при электронно-лучевой наплавке порошков тугоплавких соединений. Проанализировать происходящие в наплавленных слоях фазовые переходы в рамках диаграмм состояний соответствующих систем.

6. Исследовать влияние режимов электронно-лучевой наплавки на твердость и износостойкость поверхностного слоя. Определить механизм изнашивания материала покрытия. Установить связь между структурой, твердостью и износостойкостью упрочнённого слоя.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Сформулирована математическая модель пучка релятивистских электронов как объемного теплового источника. Путем аналитического представления температурного поля на основе функций Грина выведены формулы для расчета температурно—временных зависимостей при обработке материала электронным пучком без плавления.

2. Проведен расчет температурных полей, возникающих в плоских образцах, поступательно перемещающихся под неподвижным и под сканирующим пучком, а также в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением, и в изделиях сложной формы. Получены простые обобщающие формулы для инженерного расчета режимов обработки.

3. Исследованы закономерности формирования структуры и свойств поверхностных слоев среднеуглеродистых и легированных сталей. Режимы закалки классифицированы по времени воздействия на «быстрые», «средние» и «медленные». Обнаружен эффект резкого измельчения структуры при закалке поверхностного слоя ряда легированных сталей.

4.Установлена линейная зависимость между глубиной слоя фазовой перекристаллизации и поверхностной плотностью введенной энергии излучения, имеющая место во всем интервале времен воздействия. Показано, что для протекания процесса аустенизации в зоне облучения необходим перегрев

на 120-150°С выше температуры Ас3 на равновесной диаграмме состояния Ре-С.

5.Изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях технического титана и титановых сплавов при электронно-лучевой наплавке. Показано, что повышение твердости при наплавке связано с образованием неравновесной заэвтектической либо эвтектической структуры на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана и упрочнением матрицы.

6. Выявлен механизм износа слоев электронно-лучевой наплавки, заключающийся в избирательном изнашивании матрицы и последующем разрушении содержащихся в ней частиц включений. Установлена корреляция между износостойкостью и объемной долей частиц фазовых включений, которая регламентирует длину пути износа матрицы.

Научная и практическая значимость

- Предложенные методы расчета температурных полей применительно к закалке электронным пучком изделий разной формы (плоской, цилиндрической) позволяют полностью моделировать процесс при разработке технологии упрочнения в промышленных условиях.

- Полный расчёт температурно-временных зависимостей на различных глубинах от поверхности и распределения максимально достигаемых по глубине температур позволяет предсказывать глубину слоя, характер образующихся в нём структур, а, следовательно, и уровень достигаемых значений твердости и износостойкости.

- Расчёт распределения плотности поглощённой энергии на радиусной и примыкающей к ней поверхностях головки железнодорожных рельсов позволил оптимизировать режимы обработки изделия. Разработаны научные основы технологии упрочнения поверхности железнодорожных рельсов, включающей закалку и отпуск электронным пучком.

- Установленная экспериментально линейная зависимость между глубиной закаленного слоя и введенной энергией излучения дает возможность, зная характеристики пучка (ток, ускоряющее напряжение, скорость обработки), прогнозировать эту глубину, не проводя специальных исследований.

- Обнаруженный эффект формирования дисперсной и ультрадисперсной мартенситной структуры в поверхностных слоях ряда легированных сталей позволяет повысить твердость на 15-20 % по сравнению с твердостью, достигаемой обычной печной закалкой, при сохранении прочности и пластичности.

— Электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы получено увеличение твердости поверхностного слоя в 2 - 3 раза, а износостойкости в 10 -25 раз по сравнению с основным металлом. Результаты исследований структуры и свойств покрытий могут быть использованы для разработки технологий упрочнения разнообразных изделий как из титана, так и из других материалов.

Положения, выносимые па защиту

1. Математическая модель температурного поля, создаваемого релятивистским электронным пучком в материале при закалке плоских и цилиндрических изделий.

2. Упрощенные формулы для инженерных расчетов, связывающие параметры режимов закалки со значением максимальной температуры, достигающейся в образце.

3. Результаты исследования структуры поверхностных слоев среднеуглеро-дистых сталей, модифицированных электронно-лучевой закалкой, и классификация режимов закалки по времени воздействия пучка.

4. Линейная зависимость между глубиной зоны фазовой перекристаллизации и поверхностной плотностью введенной энергии излучения во всем интервале режимов электронно-лучевого воздействия.

5. Эффект значительного измельчения структуры в зоне электроннолучевой закалки легированных сталей при электронном облучении, позволяющий увеличить показатели твердости на 15-20% по сравнению с печной закалкой.

6. Расчет энергораспределения в головке железнодорожного рельса при обработке электронным пучком и режимы обработки радиусной и боковой поверхности головки.

7. Совокупность экспериментальных данных о структуре, фазовом составе и механических свойствах покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы, и механизм изнашивания материала покрытий.

Апробация работы

совещание по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург 1988, 1995, 2001), Семинар "Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов" (Москва 1989), 7"ои Международный конгресс по термообработке материалов (Москва 1990), Советско-Американская конференция "Новые материалы и технологии в трибологии" (Минск 1992), 1"ьш Международный симпозиум по пучковым технологиям (Дубна 1995), IV Международная конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск 1998), IX, XIII Международное совещание "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь 1999, 2003), З'ии Русско-Корейский международный симпозиум по науке и технологии (Новосибирск 1999).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 53 работы, из них 21 публикация в центральных журналах, включая 7 - в зарубежных, и два патента.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методического раздела, трех оригинальных разделов, заключения, списка литературы и 2х приложений. Общий объем работы составляет 277 страниц, включая 101 рисунок, 22 таблицы, библиографический список содержит 153 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследования, кратко представлено содержание работы, приведены положения, выносимые на защиту, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.

В первом разделе представлен литературный обзор, в котором пучок релятивистских электронов сравнивается с другими концентрированными источникам» энергии для поверхностной обработки металлов - лазерным излучением, токами высокой частоты и ближайшим аналогом релятивистского электронного пучка - низкоэнергетическим электронным пучком. Проведен подробный обзор результатов по модифицированию поверхности электронным пучком в вакууме, в частности, исследований, выполненных в ИФПМ СО РАН и в ИСЭ СО РАН. Описаны математические модели и математические приемы, используемые для описания передачи тепла от поверхностных тепловых источников в материал. Рассмотрены этапы развития метода вневакуумной электронно-лучевой обработки и результаты, полученные в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и сотрудничающих организациях. На основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи работы.

Второй раздел методический. В нем описано оборудование для генерации релятивистского электронного пучка и выпуска его в атмосферу. Экспе-

риментальные характеристики электронного пучка при взаимодействии его с материалом представлены в аналитическом виде. Построенная таким образом математическая модель пучка как теплового источника использована в расчётных моделях раздела 3.

В частности, распределение потерь энергии электронами пучка по мере их проникновения в материал со(х) записано в виде суммы нескольких гауссовых составляющих по способу, предложенному С.Е. Петровым, что позволило представить данное распределение как результат воздействия четырёх точечных источников и тем самым- упростить расчёт температурного поля. Сумма четырёх гауссовых кривых даёт реальное распределение. Все распределения построены в относительных координатах. Масштабами для глубины проникновения электронов выбрана эффективная глубина проникновения 5, для удельной потери энергии <в(х) - максимальный уровень потерь сош. В целях проведения расчёта температурного поля по методу изображений использовано мнимое распределение в области отрицательных значений глубины проникновения х.

Рассмотрены принципы и кинематические схемы закалки с использованием энергии релятивистских электронов. Описаны технологические особенности метода электронно-лучевой наплавки и механизмы формирования покрытий. Рассмотрена роль флюсов в защите от влияния атмосферного воздуха при формировании покрытий методом наплавки и проведен термодинамический расчет возможности очистки поверхности металлов от оксидных загрязнений за счёт протекания обменных химических реакций с различными флюсами.

При проведении расчётов использовалась приведённая свободна! энергия, равная энергии Гиббса с противоположным знаком, делённой на температуру. По отдельности вычислялась "склонность металлов к очистке" как изменение приведённой свободной энергии при замене кислорода в формуле оксида на фтор и "способность фторидных флюсов к очистке" как изменение их приведённой свободной энергии при замене фтора на кислород. И з том и в другом случае результаты расчётов нормировались на один атом кислорода. Баланс вероятных обменных реакций по очистке металлических основ из А1, Тл, Бе, N1, Сг, Си с применением фторидных флюсов НаИ, СаР2, ЬлБ

определялся как результат сложения "склонности металлов к очистке" и "способности флюсов к очистке".

В третьем разделе описан метод расчета температурных полей при обработке материала электронным пучком без плавления поверхности, основанный на аналитическом представлении температурного поля с применением метода функций Грина. Приведен расчет температурного поля, возникающего в плоских образцах заданной толщины при их поступательном перемещении под неподвижным пучком и при сканировании пучка с равномерным распределением плотности введённой энергии. Учёт граничных условий выполнен методом отражений.

Температурное поле представлено в виде суммы 4"х составляющих: начальной температуры образца Т,; температурного поля Т0(х,у,2Д), возникающего от приповерхностных источников тепла, имитирующих воздействие пучка; температурного поля Т)(х,у,гД), возникающего за счёт наличия нижней и верхней "отражающих" поверхностей образца, и отрицательного слагаемого Т2(0, учитывающего потери тепла с поверхности образца за счёт излучения и конвекции. Поле Т0(х,у,гД) представляет собой решение задачи в бесконечной среде с зеркально симметричным расположением источников относительно обрабатываемой поверхности. При перемещении пластины без сканирования пучка

где Р - мощность пучка; р - плотность материала изделия; с — удельная теплоёмкость материала изделия; ^ - момент начала перемещения пучка по пластине; I - момент времени, в который определяется температура; а - температуропроводность материала пластины; 5, г,, Ю; - параметры, характеризующие форму распределения потерь энергии электронов в материале, гь - гауссов радиус пучка в плоскости обработки; V — скорость перемещения пластины. Поле Т1(х,у,гД) представляет собой сумму нескольких членов вида (1), являющихся результатами воздействия "зеркальных" источников.

При обработке поступательно перемещающихся изделий под сканирующим пучком возникает неоднородность распределения поверхностной плотности введённой энергии XV. Причины неоднородности состоят в наклоне пучка к поверхности при сканировании, при котором пропорционально косинусу угла наклона падает \У, увеличивается коэффициент отражения пучка, увеличивается длина пролёта электронов, что приводит к увеличению диаметра пучка. Эти факторы следует учитывать при обработке как плоских поверхностей, так и поверхностей сложной формы. Неоднородность распределения может быть частично скомпенсирована использованием специальных законов сканирования пучка с замедлением его на участках с увеличенным наклоном пучка к поверхности. В работе проведен расчёт распределения плотности введённой энергии \У в общем виде для произвольного закона сканирования при обработке плоских и специальной формы выпуклых поверхностей.

В качестве выпуклой поверхности рассмотрена поверхность, представляющая собой цилиндрический сектор с примыкающими к нему двумя касательными плоскостями. На рис.1 показано поперечное сечение обрабатьтвге-

Т0(х,у,г,О = -1-

712р-с

Рис. 1. Обработка сканирующим пучком части цилиндрической поверхности с примыкающими к ней плоскими участками.

мои поверхности в плоскости сканирования пучка. Такой рельеф, например, имела часть контура головки железнодорожного рельса, которая упрочнялась по данному методу. Точка А обозначает отверстие выпуска пучка в атмосферу, О) - центр поворота пучка при сканировании, цифрой 0 обозначено начало отсчёта криволинейной координаты х на обрабатываемой поверхности, М, — проекция точки наблюдения М (точки, для которой проводится расчёт) на плоскость сканирования пучка, а - угловая координата точки М] из центра поворота пучка, а] -угол отклонения оси пучка из центра поворота относительно нулевого положения, Ь -длина пути электронов от точки поворота пучка до проекции точки наблюдения на плоскость сканирования М].

Поверхностная плотность введённой энергии записана как функция угловой координаты точки наблюдения а. Через этот же параметр выражена координата х вдоль обрабатываемого участка в виде зависимости х(а). Придавая а различные значения в пределах размаха колебаний пучка, получаем искомую зависимость ~№(х) для заданного закона сканирования а](0.

Аналогично расчёту, проведённому для изделий, перемещающихся поступательно, получено выражение для расчета температурного поля в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением при одновременном поступательном перемещении их вдоль оси вращения. Распределение тепловых источников учтено путем интегрирования распределения тепла от 4-х точечных источников по углу в цилиндрической системе координат.

В последнем параграфе раздела приведены простые обобщающие формулы для инженерных расчетов, связывающие аналитическими зависимостями исходные параметры режима обработки с достигающейся в обрабатываемом изделии максимальной температурой. Способ расчётов основан на формуле:

= рс8ДТтах • £(х) • л/ГТкт, (2)

где р - плотность материала изделия, с - его удельная теплоёмкость, 5 -эффективная глубина проникновения электронов в материал, АТшах - максимальный подъём температуры в материале, Дт) - функция, определённая в работе, всюду близкая к единице так, что для приближённых расчётов её можно принять равной 1, к = 1,065. Безразмерный параметр т, называемый

относительным временем ввода тепла, определяется как г =-, где t0 -

tad

* d 82

время ввода тепла t0 = —, tw - адиабатическое время ввода тепла tad = —,

v а

где а — температуропроводность материала.

Четвертый раздел посвящен экспериментальному исследованию структуры поверхностных слоев среднеуглеродистых и легированных сталей, полученных закалкой в широком интервале режимов электронно-лучевого воздействия. Установлена линейная зависимость глубины слоя фазовой перекристаллизации от поверхностной плотности введённой энергии излучения W (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость глубины слоя фазовой перекристаллизации в сред-неуглеродистой стали при закалке электронным пучком от поверхностной плотности введённой энергии: в — дорожечные режимы, А — режимы закалки цилиндрических изделий.

1, м м

W , кДж/см

Режимы закалки классифицированы по времени электронно-лучевого воздействия ^ соответственно структурным особенностям модифицированных слоев. В качестве модельного материала использовалась среднеуглеро-дистая сталь.

Выделены три типа режимов. На "быстрых" режимах (^<0,1 с) межзё-ренная диффузия углерода не успевает происходить, перлитные зерна закаливаются на мартенсит с высокой твёрдостью, сохраняются исходные ферритные зерна (рис. За). На "средних" режимах (0,1 с <10< 0,8 с) в верхней части упрочнённого слоя температурно-временные условия благоприятны для значительной межзеренной диффузии углерода, размывается граница раздела между упрочненным слоем и основным металлом (рис. 36). На "медленных" режимах (0,8 с < ^ < 2 с) происходит выравнивание концентрации углерода по глубине упрочнённой зоны, при переходе к основному металлу формируется широкая зона промежуточных структур, твёрдость упрочнённого слоя падает в связи с частичным превращением по бейнитному механизму.

Для каждого из режимов закалки произведен расчет температурных полей и построены температурно-временные зависимости на различных глубинах от поверхности образца (рис. 4).

Рис. 3. Структура сред неуглеродистой стали после закалки на "быстром" (а) и "среднем" (б) режимах.

При проведении расчетов погрешность могла быть связана в основном с неточностью нахождения тепловых характеристик стали (теплоемкости, температуропроводности) и гауссова диаметра пучка. Для уменьшения погрешности был введен поправочный коэффициент определенный на основании проведения дополнительных экспериментов в специальных реперных режимах, соответствующих началу плавления.

Расчетные данные сопоставлены с экспериментальными, на основании чего найдено объяснение характеру распределения структурных зон по глубине слоя закалки. Показано, что вид границы раздела между закаленным

141» 1200

О 1000 а 800

& 6«

н 400

200

1400 1200 1000 ■ 800 ■ 600 405 200 0

0.1 0.2 0.3 0.4 Глубина, см

О 0.5 1 1,5 2 Время, с

ММ 1200 1000 800 600 400 200 0

-1 I)

12 3 4 5 6 V.. с

1400 1200 1000 ВОО 6О0 40С 200 о

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Глубина, см

Рис- 4. Результаты расчета температурного поля для "быстрого" {10 ^ 0,17 с, (а) и (б)) и "медленного" {(^=1,2 с, (в) и (г)) режимов закалки. Шаг по глубине для соседних кривых: (а) - 0,4 мм, (в) - 0,5 мм. (б), (т) зависимость максимальной температуры от расстояния до поверхности образца.

слоем и основой (резкий, размытая) определяется достижением здесь скорости охлаждения из области температур ауетенитиого превращения выше или ниже критической скорости закалки на мартенсит.

Из сопоставления экспериментально измеренной глубины зоны полной фазовой перекристаллизации с максимальной расчётной температурой, достигаемой на этой глубине (рис. 46 и г), установлена, что в условиях кратковременного злекгронно-лучевого нагрева значения температур аусте шпации на 120 - ^О^С Превышают температуру фазового перехода Ас3 на равновесной диаграмме состояния Ре-С. Наблюдаемое различие связано с диффузионной природой Процесса аустенизадии, протекание которого требует временных затрат. Время, необходимое для образования аусте пита в среднеуг-деродиетой стали при темгагр&хур&к., оптаких к. |50°С, составяает минуты. Время нахождения релятивистского электронного пучка в каждой точке поверхности 1о не превышало 1,2 с. Для осуществления превращения при столь непродолжительном воздействии необходим значительный перегрев, способствующий ускорению диффузионных процессов,

В отдельном параграфе раздела показана возможность получения дисперсной и ультрадисперсной мартенситной структур в поверхностном слое ряда легированных сталей при облучении в пучке релятивистских электронов (рис. 5), Твердость закаленных слоев на 15 — 20% превышает уровень твердости, достигаемый при обычной печной закалке. Для стали 08Х2Г2Ф увеличение твердости сопровождаете я сохранением уровня прочности на разрыв и относительного удлинения.

В заключение раздели приведены результаты но упрочнению поверхностного слоя железнодорожных рельсов. С использованием программы расчёта плотности введенной энергии V/ найдены оптимальны*; режимы облучения, обеспечивающие наибольшую равномерность упрочненного слоя по контуру поперечного сечения рельса. Установлено, что В этих режимах фор-

-->-1-—,--г—-.- о с

-2-10 1 2 Координата х, см

Рис. 5. Измельчение зерна в образце из стали П8Х2Г2Ф. Структура исходных аустешггаых зёрен выявлена специальным травлением.

Рис. 6, Сопоставление распределений глубины ! и расчётной поверхностной плотности введённой энергии \У в упрочнённом слое участка головки железнодорожного рельса.

ма распределения глубины закаленного слоя на радиусном участке рельса коррелирует с формой энергораспределения, полученной расчетным: путем (рис. 6), а сами рельсы, упрочненные по предлагаемой методике, показывают Зх-кратное увеличение срока службы по сравнению с контрольным участком пути.

В пятом разделе методами оптической и электронной микроскопии, рентгеновского дифракционного анализа (включая использование синхро-тронного излучения) и рентгеновского микроанализа исследованы структура, фазовый и химический состав покрытий, нанесенных на титан и титановые сплавы методом электронно-лучевой наплавки. Покрытия получены путём помещения смеси модифицирующих порошков с флюсом на поверхность образцов и поступательного их перемещения под сканирующим электронным пучком, сопровождающегося переплавом основы и погружением порошка в расплав. Использовались наплавочные порошки: Т1В2, НС, Тй<1, 8;С, УС, МоВ. Концентрация легирующих элементов в покрытии оценивалась по результатам точного взвешивания компонентов исходного порошка, вошедших в покрытие, и данным рентгеновского микроанализа. Определённое таким образом значение концентрации бора в покрытии при наплавке порошка "ПВ2 на титановую основу составило 7,7 вес.%, что соответствует 27 ат.%. Весовые концентрации углерода, азота и кремния при наплавке порошков "ПС, Т1Ы и БЮ оказались равны соответственно 3,6% (12,9 ат%), 4,1% (12,8 ат%), 5,5% (8,1 ат%).

Проведенное исследование показало, что легирующие элементы полностью растворяются в расплавленном слое и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. При этом образуются заэвтектические, либо эвтектические структуры, состоящие из первичных кристаллов и эвтектики на основе фаз: ТЮ, ТШ, "ПМ, ГП58}3 (рис.7). Наблюдаются признаки неравновесности структуры, связанные с коротким временем пребывания покрытия в состоят«! расплава и высокими скоростями последующего охлаждена?, которые проявляются в формировании неоднородных по строению зон и в отклонении от равновесных диаграмм состояния. Предсказываемый равновесной диаграммой карбид титана НС выделяется виде соединения Т1СХ, обедненного углеродом; в дополнение к равновесному бориду ИВ, выпавшему из расплава, обнаруживается неравновесный диборид Т®2; вместо равновесной е-фазы СП3>}) выделяется 5-фаза (ТОЧ), внешние оболочки которой состоят из

Использование для наплавки порошков, включающих, кроме соединений титана, карбиды ванадия и кремния и борид молибдена, приводят к образованию неравновесных структур, гораздо более однородных по строению и составу, чем в случае наплавки порошков отдельных карбидов. При этом ванадий не образует самостоятельных соединений, но растворяется в титановой матрице и легирует карбид титана. Введение кремния обуславливает выделение силицида Т15813; молибден растворяется в титановой матрице, резко увеличивая количество р-фазы.

Полученные покрытия классифицированы по уровню достигаемой твердости. Наивысший уровень упрочнения наблюдается при наплавке нитрида титана, а наинизший — карбида титана, борид титана занимает промежуточное положение.

Использование для наплавки сочетаний различных компонентов обеспечивает некоторое промежуточное ее значение по сравнению с покрытиями,

ttátÉj'

содержащими включения только одного состава. Исключение составляет комбинация включений 115813 и НС. Твердость таких покрытий близка к твердости покрытий, наплавленных Т^. Упрочнение матрицы вносит вклад

в общее возрастание твердости покрытия в связи с твердо-растворным упрочнением легирующими элементами и ___, закалкой на мартен: ' - ' ^ А ЩЩЩ [юнШШ^МЁШ ^ заключение

представлены результаты испытаний образцов на абразивный износ при треник о нежёстко закреплённые частицы. Всс наплавленные покрытия имеют высокий уровень износостойкости. Наивысшей износостойкостью обладают покрытии, содержащие в качестве упрочняющей фазы сочетание карбида и силицида гитана - увеличение износостойкости в 25 раз. Следующими по уровню износостойкости являются покрытия, сформированные из смеси порошков "ПВ2 и МоВ (увеличение Ки в 15 раз) и покрытия, упрочненные нитридом титана (увеличение в 10 раз).

На основании фра кто граф и ческою исследования поверхностей износа выявлен механизм изнашивания слоев электронно-лучевой наплавки с гсте-рофамой структурой «твердые включения - вязкая матрица», заключающийся и избирательном износе матрицы с последующим хрупким разрушением Содержащихся в ней частиц включений. При этом выпадения частиц целиком из матрицы не происходит, что свидетельствует о хорошей адгезии включений с основой. Высокий уровень упрочнения задает и высокую износостойкость, но однозначной связи между твердостью и износостойкостью не обнаруживается. Намного лучшее соответствие наблюдается между коэффициентом износостойкости и объемной долей фазовых включений в слое, что связано с укорочением длины пути износа матрицы при наличии частиц фазовых включений.

Рис. 7. Структура слоя наплавки порошком SiC на сплав ВТ6 (а) н распределение углерода (б), кремния (в) и алюминия (г) на том же участке микрошлифа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Создана математическая модель пучка релятивистских электронов как объемного теплового источника. Аналитическим методом с применением

функций Грина выведены формулы для расчета трёхмерного температурного поля, создаваемого этим источником в металле. Получены уравнения, описывающие распространение тепла в плоских изделиях заданной толщины при их поступательном перемещении под неподвижным пучком.

2.Выведены уравнения, в общем виде описывающие распределение введенной энергии при произвольном законе сканирования пучка дтя плоской и выпуклой поверхностей. Проведенный расчет позволил скорректировать закон сканирования и обеспечить однородность распределения введенной энергии по ширине полосы обработки. Получено аналитическое выражение для температурного поля в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением.

3.Показано, что температурное поле в материале определяется двумя универсальными для всех режимов обработки параметрами - поверхностной плотностью введённой энергии АУ и временем воздействия пучка 1о. Между этими параметрами и максимальным подъемом температуры в зоне действия пучка выполняется простая аналитическая зависимость, которая может применяться в инженерных расчётах при выборе режима обработки.

4.Произведена электронно-лучевая закалка поверхностных слоев плоских и цилиндрических образцов среднеуглеродистых сталей с образованием дисперсной мартенситной структуры. Обнаружена линейная зависимость между глубиной модифицированного слоя, претерпевшего полное аустенит-ное превращение при нагреве, и поверхностной плотностью введенной энергии излучения. Интервал режимов облучения классифицирован по времени воздействия и, в соответствии со структурными особенностями модифицированного слоя

5. Для каждого из рабочих режимов облучения произведен расчет темпе-ратурно-временных зависимостей на различных глубинах от поверхности и распределений максимально достигаемых по глубине образца температур. Погрешность в расчетах учтена путем введения поправочного коэффициента. Расчетные данные сопоставлены с экспериментальными, на основании чего найдено объяснение характеру распределения структурных зон по глубине слоя закалки.

6. Показано, что для осуществления полного аустенитного превращения в условиях кратковременного электронно-лучевого воздействия необходим значительный перегрев (на 120-150°С) относительно температуры Асз на равновесной диаграмме состояния Бе-С, связанный с диффузионной природой процесса аустенизации. Если температура в зоне облучения невелика, время воздействия ^ достаточно для выравнивания концентрации углерода лишь в пределах перлитных зерен.

7.Установлено, что в результате закалки электронным пучком ряда легированных сталей образуются структуры с высокой степенью дисперсности мартенсита. В ряде случаев формируются ультрадисперсные структуры с размером исходного аустенитного зерна ~ 1 мкм. Твердость в зоне электронно-лучевой закалки на 15-20% выше, чем после обычной печной закалки при сохранении такого же уровня пластичности и прочности.

8. С применением программы расчета найдены оптимальные режимы облучения поверхности головки железнодорожного рельса, обеспечивающие наибольшую равномерность энергораспределения и глубины упрочненного

слоя по контуру поперечного сечения. Испытания на износ в действующем пути показали увеличение срока службы упрочненных рельсов в три раза.

9. Показано, что при наплавке порошков тугоплавких соединений на титан и титановые сплавы образуются заэвтектические или эвтектические структуры на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана, которые выделяются в виде первичных кристаллов и входят в состав эвтектик. Эти структуры являются неравновесными, что проявляется в отклонении фазового состава покрытий от равновесных диаграмм состояния соответствующих систем.

10.Установлено, что электронно-лучевая наплавка обеспечивает существенное упрочнение поверхностного слоя. Износ наплавленных покрытий осуществляется путем избирательного износа матрицы с последующим хрупким разрушением содержащихся в ней частиц включений. Имеет место корреляция между коэффициентом износостойкости и объемной долей частиц фазовых включений в слое.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В. Формирование структуры и свойств поверхностных слоев стали и чугуна при закалке электронным пучком // ФиХОМ. - 2006. - №6. - С. 41-50.

2.M.G. Golkovski, I.M. Poletika, M.V. Perovskaya. The Sensitivity of the structure and properties of the middle Carbon steel to électron beam hardening conditions // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - №8. Приложение.-С. 268-271.

3.Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Калинин А.Н., Салимов Р.А. Закалка поверхностного слоя среднеуглеродистой стали с использованием энергии релятивистских электронов // Перспективные материалы. - 2006. - №2. - С. 73-79.

4.Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Беляков Е.Н., Салимов Р.А., Батаев В.А., Сазанов Ю.А. Формирование коррозионно-стойких покрытий методом наплавки в пучке релятивистских электронов // Перспективные материалы. - 2006. - №2. - С. 80-86.

5.Полетика И.М., Голковский М.Г., Борисов М.Д., Салимов Р.А., Перовская М.В. Формирование упрочняющих покрытий в пучке релятивистских электронов // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - №5. - С. 2ÎM1.

6.К. Lee, Е. Yun, S. Lee, N.J. Kim, J.C. Lee, and M.G. Golkovski. Two-Layered Zr-Base Amorphous Alloy/Meta.1 Surface Composites Fabricated by High-Energy Electron-Beara Irradiation // Metali. Mater. Trans. A. - 2004. - V. 35A. - P. 3455-3460.

7.Jun Cheol Oh.Eunsub Yun, Mikhail G. Golkovski, Sunghak Lee. împrovement of hardness and wear résistance in SiC/Ti-6Al-4V surface compositions fabricated by high-energy électron beam irradiation // Materials Science and Engineering A351. - 2003. - P. 98-108.

8.Голковский М.Г., Корчагин А.И., Куксанов H.K., Лаврухин A.B., Фадеев С.Н., Остромен-ский П.Н. Перспектива применения электронно-лучевой технологии для повышения износостойкости боковой поверхности рельсов // Труды XIII Международного совещания «Радиационная физика твердого тела», Севастополь, 2003. - С. 398-403.

9.Голковский М.Г. Барис Н.М. Тушинский Л.И. Электронно-лучевая вневакуумная наплавка защитных покрытий на титановые сплавы // Труды 6 Международной конференции по модификации материалов потоками заряженных частиц и плазмы, Томск, Россия, 23-28 сентября 2002. -С.359-364.

10.Батаев В.А., Батаев А.А., Голковский М.Г., Остроменский П.И., Коротаев Б.В. Структурные изменения, происходящие при вневакуумной электронно-лучевой закалке боковых граней головок железнодорожных рельсов // Металловедение и термическая обработка металлов. -2002.-№12.-С. 14-18.

11. Голковский М.Г., Куксанов Н.К., Барис Н.М., Тушинский Л.И. Электронно-лучевая вне-вакуумная наплавка защитных покрытий на титановые сплавы // Вестник Радтех-Евразия. -

2002.-№1.-С. 50-62.

12.Батаев В.А., Батаев A.A., Голковский М.Г., Коротаев Б.В., Рыбинская Я.Г. Структура и свойства рельсовой стали после вневакуумпой электронно-лучевой обработай // Акгуальные проблемы транспорта азиатской части России. Сборник трудов, Новосибирск: СГУПС, 2001. - С. 98-103.

13.Seong-Hun Choo, Sunghak Lee, and Mikhail G. Golkovski. Effects of electron beam irradiation on surface hardening and fatigue properties in an AISI 4140 steel used for automotive crankshaft // Material Science and Engineering A293. - 2000. - P. 56-70.

14.Патент Российской Федерации RU 2164265 «Способ формирования защитных покрытий на титановых сплавах» Вайсман А.Ф., Салимов P.A., Голковский М.Г., Джун Чул О, Кванг Джун О. Приоритет от 25.06.1999. С23С24/10 Опубл. 20.03.2001 Бюл.№ 8.

15. Голковский М. Г., Батаев В. А., Вайсман А. Ф. Закалка стальных цилиндрических изделий концентрированным пучком электронов, выпущенным в атмосферу. Труды IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Новосибирск, 23 - 26 сентября 1998. - С. 7 -10.

16.Полетика И.М., Борисов М.Д., Краев Г.В., Дураков В.Г., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г. Особенности формирования структуры и свойств поверхностного слоя стали при электроннолучевом легировании // МиТОМ. - 1997. - №1 - С.17-23.

17. М. G. Golkovski, S. Е. Petrov. Thermal conditions during the concentrated electron, beam steel hardening. Calculation and experimental results. // Fifth International Conference on Electron Beam Technologies, EB'97. Varna, Bulgaria, 2-5 June 1997. - P. 227-232.

18.Полетика И.М., Борисов М.Д., Краев Г.В., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г. Дураков В.Г. Основы легирования стали в пучке релятивистских электронов // Изв. вузов. Физика. - 1996. -№3. - С. 115-125.

19. Голковский М.Г. Температурный режим при обработке материала концентрированным электронным пучком. Тезисы докладов IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Томск, 13-17 мая 1996. - С. 189-191.

20.Dongwoo Suh, Sunghak Lee, Yangmo Koo, Byungil Jeong and M. Golkovski. Microstmctural Study of a High Speed Steel Roll Irradiated by Accelerated Electrion Beam // J. of the Korean Inst, of Met. & Mater. - 1995. - Vol.33. - №8. - P. 991-1000.

21. Chang-Hwan Chang, Sung-Min Park, Yang Mo Koo, M. Golkovski, A. Korchagin and N. Kuk-sanov. Surface hardening of carbon steel using an 1.0-2.5 MeV electron accelerator in the atmosphere. J. Of the Korean Inst. Of Met. & Mater. - 1993. - Vol. 31, №7ю - P. 921-928.

22. Коноплёва E.B., Голковский М.Г., Абрамов O.B., Вайсман А.Ф. Модифицирование структуры поверхностных слоев низкоуглеродистых легированных сталей концентрированным электронным пучком в атмосфере // Изв. АН СССР. Металлы. - 1990. - №4. - С. 71-76.

23. Е. V. Konopleva, О. V. Abramov, М. G. Golkovski, A. F. Vaisman. Electron Beam Treatment of Structural Alloy Steels. Heat Treatment and Technology of Surface Coatings. Proceedings of the 7th International Congress on Heat Treatment of Materials. Volume I, December 11-14,1990, Moscow, pp. 302-308.

24. Голковский М.Г., Вайсман А.Ф., Неронов В.А. Обработка доэвтектоидной стали концентрированным электронным пучком. Сборник статей. «Теплофизика кристаллизации и высокотемпературной обработки материалов». - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 1990, - С. 94-98.

25. Полетика И.М., Краев Г.В., Мейта В.П., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г. Легирозание стали с использованием энергии релятивистских электронов // Изв. СО АН СССР. Серия технических наук. - 1989. - Вып. 4. - С. 119-125.

26. A.C. №1548218 AI. Способ поверхностного термического упрочнения стальных изделий. / Вайсман А.Ф., Вассерман С.Б., Вейс М.Э., Голковский М.Г., Лазарев В.Н., Мешков И.Н., Салимов P.A. № 4450512/31-02; Заявл. 16.05.88; Опубл. 07.03.90, Бюл. К°9.

27. V. F. Bykovski, А. F. Vaisman, S. В. Vasserman, М. Е. Veis, М. G. Golkovski, I. G. Kozyrr, S. L. Kotsar, V. I. Lazarev, I. N. Meshkov, R. A. Salimov A. N. Skrinsky,V. F. Türkin, I. M. Sharshakov. Application of relativistic electron beam for modification hypoeutectoid steel structure. Second International Conference on Electron Beam Technologies. Varna, Bulgaria, 31 May-4 June 1988. - P. 886-893.

Работа поступила 21.01. 2007 г Подписано в печать 21.01.2007 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,2 печ.л., 0,9 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 4_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН", Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Голковский, Михаил Гедалиевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. КОНЦЕНТРИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ И ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ

ИХ ПРИМЕНЕНИЯ. 1.1. Сравнение характеристик источников концентрированной энергии.

1.1.1. Обработка токами высокой частоты.

1.1.2. Обработка лазером.

1.1.3. Электронно-лучевая обработка низкоэнергетическими 25 пучками.

1.1.4. Сфокусированный пучок, выведенный в атмосферу.

1.2 Упрочнение с помощью электронных пушек.

1.2.1. Закалка и наплавка электронным пучком в вакууме.

1.2.2. Работы Института физики прочности и материаловедения

СО РАН.

1.2.3. Исследования, проведенные в Институте сильноточной электроники СО РАН.

1.3. Развитие методов упрочнения релятивистским электронным пучком.

1.3.1. Первые эксперименты по наплавке вне вакуума.

1.3.2. Развитие методов электронно-лучевой наплавки и закалки. 40 1А Математическое моделирование процессов закалки и наплавки концентрированными источниками энергии.

1.5 Постановка задачи исследования.

2. МЕТОДЫ ЗАКАЛКИ И НАПЛАВКИ. 2.1. Оборудование для генерации релятивистского электронного пучка и выпуск пучка в атмосферу.

2.2. Электронный пучок как тепловой источник для обработки материалов.

2.2.1. Распределение плотности потока мощности в сечении пучка и его диаметр как функция расстояния пролёта в атмосфере.

2.2.2. Распределение потерь энергии электронами пучка при их проникновении в материал.

2.2.3. Экстраполированный пробег.

2.2.4. Эффективный пробег.

2.2.5. Универсальная безразмерная кривая поглощения.

2.2.6. Аналитическое представление плотности мощности, выделяемой пучком в материале.

2.2.7. Отражение электронов от поверхности материала.

2.3. Принципы и кинематические схемы закалки релятивистским электронным пучком.

2.4. Наплавка покрытий.

2.4.1. Характеристика метода наплавки.

2.4.2. Формирование покрытия.

2.4.3. Весовой анализ в процессе нанесения покрытия.

2.5. Защита от атмосферного воздействия.

2.5.1. Общие требования к флюсам.

2.5.2. Термодинамическая вероятность протекания реакций в зоне наплавки.

2.5.3. Защита различных металлов от окисления.

3. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ

ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКЕ СТАЛИ.

3.1. Тепловые параметры стали.

3.2. Метод решения задачи теплопроводности.

3.2.1. Дифференциальное уравнение и граничные условия.

3.2.2. Общая формулировка метода решения с помощью функций Грина.

3.3. Температурное поле в плоском изделии.

3.3.1. Дорожечный режим облучения толстой пластины (полубесконечного тела).

3.3.2. Обработка толстой пластины сканирующим пучком. Случаи двухмерного и одномерного распространения тепла.

3.3.3. Учёт толщины образца и теплопотерь на конвекцию и излучение.

3.4. Обработка изделий с использованием сложных законов сканирования.

3.4.1. Плоские изделия.

3.4.2. Рельефная поверхность в форме цилиндра с двумя касательными плоскостями.

3.5. Температурное поле в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением.

3.6. Упрощённые формулы для инженерных расчётов на основе одномерной модели распространения тепла.

Выводы к Главе 3.

4. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

СТАЛИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЗАКАЛКОЙ.

4.1. Уточнение расчётного метода на основании экспериментальных данных.

4.2. Зависимость глубины закалённого слоя от параметров режима обработки.

4.3. Классификация режимов закалки.

4.3.1. "Быстрые" режимы.

4.3.2. "Средние" режимы.

4.3.3. "Медленные" режимы.

4.4. Измельчение зерна при закалке низколегированных сталей.

4.5. Поверхностное упрочнение рельсов.

4.5.1. Постановка задачи и выбор режимов закалки.

4.5.2. Выбор режимов отпуска.

4.5.3. Сопоставление распределений поверхностной плотности энергии W и глубины упрочнённого слоя по контуру рельса.

Выводы к Главе 4.

5. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ НАПЛАВКА ПОКРЫТИЙ НА ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ.

5.1. Режимы наплавки и методы исследований.

5.2. Наплавка с формированием включений из одного химического соединения.

5.2.1. Наплавка порошками боридов.

5.2.2. Покрытие из порошка карбида титана.

5.2.3. Покрытие из порошка нитрида титана.

5.3. Формирование покрытий при использовании смесей тугоплавких соединений.

5.4. Наплавка порошка SiC и смеси порошков SiC+TiC на основу из сплава Ti-6%A1-4%V.

5.5. Механические свойства покрытий.

5.5.1. Твёрдость покрытий.

5.5.2. Износостойкость покрытий.

Выводы к Главе 5.

Введение диссертация по физике, на тему "Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электронов"

Актуальность темы. Наиболее распространённые в настоящее время методы формирования защитных или упрочняющих покрытий не предусматривают использования источников с высокой концентрацией энергии. К таким процессам относятся, например, нанесение лакокрасочных покрытий, формирование покрытий в химических средах за счёт диффузии в поверхностный слой ряда химических элементов: азотирование, цементация, альфирование, фосфатирование, сюда же можно отнести закалку с печным нагревом. Однако, всё более увеличивающаяся доля технологий в машиностроении и металлургии основана на использовании источников энергии с высокой объёмной и поверхностной концентрацией. Причиной использования таких источников является необходимость быстрого нагрева или расплавления поверхности изделия за время, в течение которого тепло не успевает проникать в глубь изделия. К источникам концентрированной энергии относятся: установки т.в.ч., электрическая и плазменная дуга, электронные и ионные пучки, луч лазера. Получаемые покрытия позволяют достигать высоких значений твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости и др. и обеспечивают ресурсосбережение, основанное на замене дорогостоящих легированных сплавов экономнолегированными в тонком поверхностном слое.

Упрочняющие технологии успешно внедрены во многих передовых фирмах Японии, Германии, Великобритании, Франции, Китая. Метод электродуговой наплавки в течение многих лет изучается и доводится до применения в Институте электросварки им. Е.О. Патона. Вместе с тем, перечисленные технологии имеют ряд недостатков. Так, при обработке токами высокой частоты плотность мощности в большинстве случаев недостаточна для самозакалки, требуется применение охлаждающих жидкостей, возникают заметные поводки и напряжения в материале. Отрицательным свойством лазерного воздействия являются значительные потери энергии вследствие отражения излучения обрабатываемым объектом. Недостатком большинства электронно-лучевых установок является необходимость проведения обработки в вакууме, а для больших изделий - в местном вакууме, что затрудняет введение легирующих элементов. При электронно-дуговой наплавке, несмотря на простоту конструкций используемых установок и их высокую производительность, в наплавленном слое формируются грубо-дисперсные неоднородные структуры с низкой противоударной стойкостью, качество поверхности неудовлетворительное и требует дополнительной механической обработки.

В ряду технологий, применяющих концентрированные электронные пучки, выделяются относительно новые технологии, основанные на использовании электронов со значительно увеличенной энергией - релятивистских электронов. В ИЯФ СО РАН созданы промышленные ускорители электронов, позволяющие выводить концентрированный пучок электронов с энергией 1-1,6 МэВ и мощностью 100 кВт в атмосферу. Один из таких ускорителей марки ЭЛВ-6 разработан в лаборатории P.A. Салимова и установлен на участке по отработке электронно-лучевых технологий. Эффективная глубина проникновения электронов в металл составляет 0,5 - 1 мм. Произл водительность обработки достигает 100 см /с. Облучение поверхности металла вне вакуума позволяет производить быструю замену обрабатываемых изделий и снимает ограничения на их размеры.

Несмотря на уникальность метода и возможность его применения для закалки, объем проведенных исследований в данной области явно недостаточен. Полученные в ИЯФ СО РАН совместно с другими организациями (Липецким политехническим институтом, Днепропетровским НИИ Чер-метмеханизации и др.) данные о влиянии закалки в пучке релятивистских электронов на структуру поверхностного слоя металла относятся к ограниченному кругу материалов и имеют недостаточно глубокий и систематический характер. Например, в работах, выполненных под руководством И.Н.

Мешкова, исследованы режимы, так называемой, радиационно-термической обработки, предполагающие среднее повышение температуры до уровня ниже Асз. Закалкой, как таковой, этот процесс назвать нельзя. Кроме того, не изучены структурные превращения поверхностных слоев во всем диапазоне возможных параметров обработки, не выявлены универсальные технологические параметры, удобные для систематизации режимов облучения.

Для объяснения экспериментальных результатов по электроннолучевой закалке на основании представлений о структурных и фазовых превращениях стали в том или ином интервале температур, выявления основных закономерностей протекающих процессов, а также для предварительного выбора режимов закалки, позволяющих получить тот или иной уровень свойств, необходимо знание температурно - временных зависимостей на различной глубине в закаливаемом слое. Вследствие сложности измерения температуры на поверхности и в толще металла в столь быстром процессе, как электронно-лучевое воздействие, эта задача в настоящее время может быть решена только расчетным путем с помощью математического моделирования.

Следует учитывать, что большинство моделей обработки концентрированными источниками предполагают поверхностный ввод тепла и дальнейшую передачу его в материал путем теплопроводности. Подобная модель не подходит для случая воздействия высокоэнергетических релятивистских электронов, проникающих в материал на значительную глубину -порядка 1 мм. Необходима иная постановка задачи. При этом актуальным является поиск простых аналитических зависимостей между ключевыми параметрами процесса, которые позволят найти численные значения величин, например, между максимальной температурой в зоне воздействия и характерными параметрами обработки - мощностью и размерами источника, временем нахождения образца под пучком.

Пионерские работы по наплавке в пучке релятивистских электронов выполнены Л.П. Фоминским и группой сотрудников Днепропетровского НИИ Черметмеханизации. Порошковые материалы наплавлялись на стальные и медные изделия - лапы культиваторов, лемехи плугов, медные доски кристаллизаторов в установках разлива стали. Поскольку данные работы имели практическую направленность, сколько-нибудь подробные исследования структур не проводились. В дальнейшем сотрудниками ИФПМ СО РАН при непосредственном участии автора работы был проведен цикл экспериментов по наплавке порошков тугоплавких соединений на углеродистые стали. Изучены структурные и фазовые превращения в наплавленных слоях в зависимости от режима электронно-лучевого воздействия и состава используемых для наплавки порошковых материалов. Проведенные исследования позволили достичь значительного прогресса в области наплавки на углеродистые и низколегированные стали - исследованы механизмы увеличения твердости, износостойкости, ударостойкости покрытий. Этого нельзя сказать о наплавке на цветные металлы, где имеются лишь отдельные разрозненные данные.

Новым малоизученным объектом для наплавки является титан и его сплавы, которые обладают уникальными свойствами (низкой плотностью, высокой прочностью, теплостойкостью, коррозионной стойкостью) и широко применяются в авиации, ракетной технике, машиностроении. Предварительные опыты показали, что титановые сплавы - прекрасный материал для нанесения покрытий. При наплавке на титановые сплавы потери основного порошка и флюса незначительны, качество наплавляемых слоев высокое, поверхность ровная. Особый интерес представляют покрытия, сформированные из высокотвердых порошков карбидов, нитридов и боридов с высокой температурой плавления, которые обладают не только высокой твердостью и износостойкостью, но и повышенной жаростойкостью.

Цель работы. Исходя из сказанного, основной целью работы явилось изучение закономерностей формирования упрочняющих покрытий на поверхности сталей и титановых сплавов методами закалки и наплавки в пучке релятивистских электронов, выведенных в атмосферу: теоретический расчет температурных полей и экспериментальные исследования модифицированных слоев.

Для достижения данной цели предполагалось решить следующие конкретные задачи:

Положения, выносимые на защиту:

Научная новизна. В работе впервые:

1. Путем аналитического представления температурного поля на основе функций Грина, с использованием математической модели пучка релятивистских электронов как объемного теплового источника, выведены формулы для расчета температурных полей при обработке материала электронным пучком без плавления в плоских образцах, поступательно перемещающихся под неподвижным и под сканирующим пучком, а также в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением.

2. С использованием теории размерностей и на основании математических моделей температурных полей получены простые обобщающие формулы для расчета режимов обработки.

3. Составлены программы и проведен расчет распределения поверхностной плотности введённой энергии при облучении поступательно перемещающихся под сканирующим пучком плоских изделий и изделий сложной формы при вариации закона сканирования с целью обеспечения равномерности обработки поверхности.

4. В широком интервале режимов электронно-лучевой закалки исследованы закономерности формирования структуры и свойств поверхностных слоев среднеуглеродистых и легированных сталей. В соответствии со структурными особенностями упрочненных слоев режимы закалки классифицированы по времени воздействия на «быстрые», «средние» и «медленные». Обнаружен эффект резкого измельчения структуры при закалке некоторых легированных сталей.

5. Установлена линейная зависимость между глубиной слоя полной фазовой перекристаллизации при нагреве и поверхностной плотностью введенной энергии излучения, которая имеет место во всем интервале времени электронно-лучевого воздействия вплоть до времени, соответствующего адиабатическому вводу тепла.

6. На основании сопоставления экспериментальных данных по закалке с расчетами распределения максимально достигаемых в рабочих режимах облучения температур дано объяснение реально существующим распределениям по глубине материала структурных зон и происходящим в них превращениям- Показано, что для протекания процесса аустенизации в зоне нагрева под закалку, в связи с кратковременностью электроннолучевого воздействия, необходим перегрев стали на 100-150°С выше температуры Асз на равновесной диаграмме состояния Бе-С.

7. Изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях технического титана и титановых сплавов при вневакуумной электроннолучевой наплавке. Показано, что исходные тугоплавкие компоненты полностью растворяются в расплавленном слое и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. Наблюдаемые фазовые переходы являются неравновесными и не могут полностью быть описаны в рамках соответствующих равновесных диаграмм состояний.

8. Показано, что повышение твердости при наплавке на титановые сплавы связано с образованием заэвтектической либо эвтектической структуры на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана («твердые включения - вязкая матрица») и упрочнением матрицы в связи с растворением в ней примесей внедрения и мартенситным превращением.

9. Выявлен механизм износа слоев электронно-лучевой наплавки, заключающийся в избирательном изнашивании матрицы и последующем разрушении содержащихся в ней частиц включений. Показано, что однозначной связи между твердостью и износостойкостью не существует. Корреляция наблюдается между износостойкостью и объемной долей частиц фазовых включений, которая регламентирует длину пути износа частиц абразива. Износостойкость определяется не столько твердостью, сколько структурой наплавленного материала.

Практическая значимость:

- Предложенные методы расчета температурных полей применительно к закалке электронным пучком изделий разной формы (плоской, цилиндрической, сложной цилиндрической) позволяют полностью моделировать процесс при разработке технологии упрочнения в промышленных условиях.

- Полученная в работе простая формула, связывающая поверхностную плотность вводимого пучком тепла и характерное время воздействия пучка с достигающейся в обрабатываемом слое температурой, может быть использована для инженерных экспресс - расчетов с целью предварительно выбора режимов обработки. Использующиеся в предлагаемой формуле величины непосредственно выражаются через первичные параметры обработки (ток и диаметр пучка, скорость перемещения образца). Метод не требует сложных вычислений и может применяться в производственных условиях.

- Расчёт распределения плотности поглощённой энергии на радиусной и примыкающей к ней поверхностям головки железнодорожных рельсов, результаты которого хорошо согласуются с реально наблюдаемым изменением глубины упрочненного слоя дает возможность моделировать процесс упрочнения данного изделия и создать прототип технологического процесса в производственных условиях. Соответствующая программа расчета позволила оптимизировать режимы обработки и разработать методику закалки поверхности железнодорожных рельсов на двух участках контура головки.

- Разработаны технологические основы (оборудование и режимы) упрочнения радиусной и боковой поверхности головки железнодорожных рельсов, включающие в себя закалку и отпуск электронным пучком. Испытания на износ в действующем пути Транссибирской магистрали на поворотном участке Восточно-Сибирской железной дороги показали увеличение срока службы упрочненных рельсов в три раза по сравнению с неупрочненными, установленными на контрольном участке пути. Метод электронно- лучевой закалки позволил получить на поверхности среднеуглеродистых сталей упрочненные слои глубиной от 0,4 до 2 мм с твердостью в 3-4 раза более высокой, чем в основном металле. Установленная экспериментально линейная зависимость между глубиной закаленного слоя и введенной энергией излучения дает возможность, зная характеристики пучка (ток, напряжение, скорость обработки), прогнозировать эту глубину, не проводя специальных исследований. Обнаруженный эффект формирования дисперсной и ультрадисперсной мартенситной структуры в поверхностных слоях ряда легированных сталей позволяет повысить твердость на 15-20 % по сравнению с твердостью, достигаемой обычной печной закалкой. При этом увеличение твердости для стали 08Х2Г2Ф сопровождается сохранением прочности на разрыв и относительного удлинения.

Электронно-лучевой наплавкой на титановые сплавы получено увеличение твердости поверхностного слоя в 3 - 5 раз, а износостойкости в 10 -25 раз по сравнению с основным металлом. Подобрано оптимальное сочетание компонентов в наплавочных смесях, позволяющее достигать максимальных значений износостойкости покрытий. Результаты исследования структуры и свойств покрытий, получаемых электронно-лучевой наплавкой могут быт использованы для упрочнения разнообразных изделий как из титана, так и из других материалов: валков станов холодной и горячей прокатки, медных досок кристаллизаторов в установках непрерывного разлива стали, рабочих кромок лемехов и лап культиваторов почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин, защитных пластин, используемых в бронежилетах и др.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на семинарах в Похангском университете науки и технологии (г. Поханг, Ю.Корея, 2002), Новосибирском государственном техническом университете (2003 г.), Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (2006 г.), Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (2006 г.) и на следующих конференциях: Гм Всесоюзная конференция, 8"°° Всероссийское совещание, 4™ Всероссийская, 6, 7, 8'м Международные конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск 1988, 1996, 2002, 2004, 2006), 2"ая и 5"ая "Международная конференция по применению электронно-лучевых технологий" (Варна 1988, 1997), 6М Всесоюзная конференция, в4*, 9"** Всероссийское, 10"°° Международное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург 1988, 1995, 2001), Семинар "Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов" (Москва 1989), 7"°й Международный конгресс по по термообработке материалов (Москва 1990), Советско-Американская конференция "Новые материалы и технологии в трибологии" (Минск 1992), Гый Международный симпозиум по пучковым технологиям (Дубна 1995), IV Международная конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск 1998), IX, XIII Международное совещание "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь 1999, 2003), 3"ий Русско-Корейский международный симпозиум по науке и технологии (Новосибирск 1999).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 53 работы, из них 21 публикация в центральных журналах, включая 7 - в зарубежных, получено два патента.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Об

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Выводы к Главе 5 Впервые подробно изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях технического титана и титановых сплавов при вневакуумной электронно-лучевой наплавке порошков карбидов, боридов и нитридов титана. Показано, что легирующие элементы полностью растворяются в расплавленном слое и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. При этом образуются заэвтектические, либо эвтектические структуры, состоящие из первичных кристаллов и эвтектики на основе фаз ТЮ, Т1В, Т1Ы.

2. Образуемые в слоях наплавки структуры являются в некоторой степени неравновесными, что связано с кратким временем пребывания исходных компонентов покрытия в состоянии расплава и высокими скоростями последующего охлаждения покрытия. Неравновесность структуры проявляется в формировании неоднородных по строению зон и в некотором отклонении от равновесных диаграмм состояния: предсказываемый равновесной диаграммой карбид титана НС выделяется в виде соединения НС« обедненного углеродом; в дополнение к равновесному бориду ИВ в зоне пониженной температуры у границы с основным металлом обнаруживается небольшое количество фазы Т1В2, которая, по-видимому, представляет собой остатки нерастворившихся полностью частиц исходного порошка Т1В2, вместо равновесной е-фазы (ЛзЫ) выделяется 5-фаза (ПЫ), внешние оболочки которой состоят из (ПХА11.Х)>Т.

3. Использование для наплавки порошков, включающих смеси компонентов, в основном, не приводят к образованию новых фаз, но обеспечивает формирование покрытий, более однородных по строению и составу, чем в случае наплавки порошками отдельных карбидов, боридов или нитридов. При включении в состав наплавочных порошков кроме соединений титана карбида ванадия или борида молибдена наблюдаются следующие изменения. Ванадий и молибден растворяются в титановой матрице, увеличивая количество Р-фазы, из которой в процессе быстрого охлаждении формируется мартенситная матрица. Ванадий, кроме того, легирует карбид титана. Введение кремния при наплавке карбида обуславливает выделение новой фазы - силицида

ТШ

4. Электронно-лучевая наплавка обеспечивает увеличение твердости поверхностного слоя в 2-3 раза по сравнению с основным металлом. Наивысший уровень упрочнения наблюдается при наплавке нитрида титана, а низший - карбида титана, борид титана занимает промежуточное положение. Использование для наплавки сочетаний различных компонентов не дает преимущества в твердости, а обеспечивает некоторое промежуточное ее значение по сравнению с покрытиями, содержащими включения только одного состава. Исключение составляет комбинация включений Т1581з и ТЮ. Твердость таких покрытий близка к твердости покрытий, наплавленных Т1Ы.

5. Упрочнение матрицы вносит вклад в общее возрастание твердости покрытия. Микротвердость матрицы покрытия возрастает по сравнению с микротвердостью основы из титанового сплава, что связано с растворением в ней легирующих элементов и образованием мартенситной структуры или твёрдорастворным упрочнением. Твердорастворное упрочнение матрицы незначительно при введении в покрытие углерода ввиду его малой растворимости, но существенно увеличивается при наличии в покрытии азота или кремния.

6. Износ наплавленных покрытий осуществляется путем избирательного износа матрицы с последующим хрупким разрушением содержащихся в ней частиц включений. Отделения включений целиком от матрицы не происходит ни для одного из видов покрытий, что говорит о хорошей адгезии включений с основой. Все наплавленные покрытия имеют высокий уровень износостойкости. Наивысшей износостойкостью обладают покрытия, содержащие в качестве упрочняющей фазы сочетание карбида и силицида титана - увеличение относительной износостойкости Ки в 25 раз. Следующими по уровню износостойкости являются покрытия, сформированные из смеси порошков Т1Вг и МоВ (увеличение Ки в 15 раз) и покрытия, упрочненные нитридом титана (увеличение в 10 раз).

7. Однозначной связи между твердостью и износостойкостью не обнаруживается. Хотя высокий уровень упрочнения в целом задает и высокую износостойкость, эти величины не коррелируют друг с другом. Намного лучшее соответствие наблюдается между коэффициентом износостойкости и объемной долей фазовых включений в слое, что связано с укорочением длины пути избирательного износа матрицы на участках между частицами фазовых включений при перемещении частиц абразива по изнашиваемой поверхности. Таким образом, износостойкость определяется не столько твердостью, сколько структурой покрытий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения настоящей работе была существенно расширена сфера применений концентрированного электронного пучка в качестве источника энергии для поверхностно упрочнения металлических материалов. С применением математического моделирования и специальных расчётов выявлены механизмы формирования упрочнённых слоёв при закалке и наплавке электронным пучком, дано объяснение наблюдающимся экспериментальным фактам. Исследован ряд новых материалов и расширен диапазон режимов обработки изделий разной формы и состава. Разработанные методики предварительного выбора параметров режимов обработки могут использоваться в технологических применениях. При выполнении работы были получены следующие результаты.

1. Сформулирована математическая модель пучка как объемного теплового источника, включающая: распределение плотности потока мощности в сечении пучка и его диаметр как функцию пролета электронов в атмосфере; распределение потерь энергии электронами пучка при их проникновении в материал; отражение электронов от поверхности материала. Аналитическим путем с использованием метода функций Грина, в предположении постоянства тепловых характеристик материала выведены формулы для расчёта трёхмерного температурного поля, создаваемого пучком электронов в поступательно перемещающемся плоском образце с учётом его толщины и потерь энергии на конвекцию и излучение. Найдены решения для поступательного перемещения пластины со сканированием пучка, в связи с чем предложены одномерные, и двухмерные модели температурных полей.

2. Получены выражения, описывающие распределение введённой энергии при произвольном законе сканирования пучка для плоской и выпуклой поверхностей, состоящей из части цилиндра с примыкающими наклонными плоскостями. Проведенный расчет позволяет скорректировать закон сканирования и обеспечить однородность распределения введенной энергии по ширине полосы обработки.

3. Получено аналитическое выражение для расчета температурного поля в цилиндрических образцах, закаливаемых с вращением. Четыре тепловых источника, имитирующие пучок, представлены быстро вращающимися вокруг оси цилиндра. Вращение учтено путем интегрирования по угловой координате в цилиндрической системе координат. Для учета граничных условий в цилиндрической геометрии образца введена система мнимых коаксиальных источников снаружи образца.

4. Показано, что температурное поле в материале определяется, главным образом, двумя универсальными для всех режимов обработки параметрами: поверхностной плотностью введённой энергии и временем воздействия пучка ^ Установлена простая аналитическая зависимость между указанными универсальными параметрами и максимальным подъемом температуры в зоне обработки. Приведены простые соотношения, выражающие универсальные параметры режимов обработки через первичные, такие как энергия электронов, ток и диаметр пучка, скорость перемещения изделия, ширина полосы сканирования пучка. Установленная зависимость может применяться в инженерных расчётах при выборе режима обработки.

5. В широком интервале режимов электронно-лучевого воздействия (при изменении времени воздействия ^ и параметров излучения) произведена закалка поверхностных слоев плоских и цилиндрических образцов среднеуглеродистых сталей с образованием дисперсной мартенситной структуры. Обнаружена линейная зависимость между глубиной модифицированного слоя и поверхностной плотностью введенной энергии излучения имеющая место во всем интервале времени электронно-лучевого воздействия вплоть до времени, соответствующего адиабатическому вводу тепла.

6. Интервал режимов облучения разделен на «быстрые», «средние» и «медленные» по времени воздействия ^ в соответствии со структурными особенностями закаленного слоя. На быстрых режимах достигается максимальная твердость мартенситных зерен, межзеренная диффузия углерода не успевает происходить, граница раздела между закаленным слоем и основным металлом резкая. На средних и медленных режимах температурно-временные условия благоприятны для значительной межзеренной диффузии углерода, между мартенситным слоем и . основным металлом образуется зона промежуточных структур (бейнит, троостит, сорбит),, твердость слоя уменьшается.

7. Для каждого из рабочих режимов закалки проведен расчет температурных полей, возникающих в образце, построены температурно-временные зависимости на различных глубинах от поверхности и распределения максимально достигаемых по глубине температур. Погрешность в расчетах, связанная с неточностью определения гауссова диаметра пучка, теплоемкости и температуропроводности материала, учтена путем введения поправочного коэффициента, вычисленного на основании проведения дополнительных экспериментов по определению реперных режимов, соответствующих началу плавления.

8. Расчетные данные . сопоставлены с реально существующим распределением по глубине материала структурных зон. Показано, что наличие резкой границы раздела закаленного слоя с основой на быстрых режимах определяется достижением на границе при нагреве температуры аустенитного перехода Асз, а при охлаждении - скорости охлаждения выше критической в интервале техмператур мартенситного превращения. Размытие границы раздела между закаленной и незакаленной областями и наличие зоны промежуточных структур на средних и медленных режимах воздействия связано с тем, что, согласно расчетам, скорость охлаждения в интервале температур распада аустенита становится ниже критической скорости закалки на мартенсит.

9. Значения температур аустенизации, определенные из расчетных кривых распределения максимальных температур и экспериментально измеренной глубины закаленной зоны, на 100-150°С выше температуры Асз на равновесной диаграмме Бе-С. Отклонение от равновесия связано с диффузионной природой процесса аустенизации, для осуществления которого в условиях кратковременного воздействия пучка необходим значительный перегрев. Когда процесс близок к адиабатическому, температура аустенизации в зоне облучения, согласно расчетам, соответствует температуре а—*у - превращения чистого железа. Это объясняет тот факт, что на быстрых режимах время воздействия достаточно для выравнивания концентрации углерода в пределах перлитныъх зерен с последующей их закалкой на мартенсит, поскольку при превышении указанной температуры ферритные прослойки перлитных зерен практически мгновенно переходят в аустенитную фазу.

10. В результате закалки электронным пучком ряда легированных сталей (08Х2Г2Ф, 10ХЗГ2АФ, 12Х2Н4В, 38Х2МЮА, 40Х, 40ХН2МА) в поверхностном слое образуются структуры с высокой степенью дисперсности мартенсита - размер исходного аустенитного зерна 4-5 мкм. В поверхностном слое стали 08Х2Г2Ф после многократной обработки электронным пучком размер аустенитного зерна уменьшается до 1 мкм. Твердость легированных сталей после электронно-лучевой закалки увеличивается на 15-20% по сравнению с уровнем твердости, достигаемым обычной печной закалкой. Для стали 08Х2Г2Ф увеличение твердости сопровождается сохранением пластичности и прочности

11. С применением программы расчета распределения плотности введенной энергии при сканировании пучка найдены оптимальные режимы облучения поверхности головки железнодорожного рельса, обеспечивающие наибольшую равномерность упрочненного слоя по контуру поперечного сечения. Форма распределения глубины закаленного слоя на радиусном участке рельса с достаточной степенью точности повторяет форму энергораспределения, полученную расчетным путем. Твердость поверхностного слоя стали после закалки превышает Ш1С 65. Для снижения хрупкости закаленных слоев использована двухэтапная обработка пучком - закалка и отпуск. Испытания на износ в действующем пути показали увеличение срока службы рельсов, упрочненных по предлагаемой методике, в три раза.

12. Изучены структурные и фазовые превращения в поверхностных слоях титана и титановых сплавов при наплавке порошков карбидов, нитридов и боридов титана, а также их смесей с карбидами ванадия, кремния и боридом молибдена. Показано, что легирующие элементы полностью растворяются в расплаве и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений. Образуются неравновесные заэвтектические или эвтектические структуры. Неравновесность проявляется в формировании неоднородных по строению зон и в отклонении фазового состава покрытия от равновесных диаграмм состояния соответствующих систем. Использование для наплавки смесей порошков не приводит к образованию новых фаз, но обеспечивает формирование покрытий, более однородных по составу и структуре, чем в случае наплавки отдельными компонентами.

13. Электронно-лучевая наплавка обеспечивает увеличение твердости поверхностного слоя в 2-3 раза по сравнению с основным металлом. Наиболее высокий уровень упрочнения наблюдается при наплавке нитрида титана и смеси карбида титана с силицидом титана. Упрочнение матрицы вносит вклад в общее возрастание твердости покрытия в связи с твердорастворным упрочнением и закалкой на мартенсит. Износ наплавленных покрытий осуществляется путем избирательного износа матрицы с последующим хрупким разрушением содержащихся в ней частиц включений. Отделения включений от матрицы не происходит ни для одного из видов покрытий, что свидетельствует о хорошей адгезии включений с основой.

14. Все наплавленные покрытия имеют высокий уровень износостойкости. Наивысшей износостойкостью обладают слои, содержащие в качестве упрочняющей фазы сочетание карбида и силицида титана - увеличение относительной износостойкости Ки в 25 раз. Следующими по уровню износостойкости являются покрытия, сформированные из смеси порошков диборида титана и борида молибдена (увеличение Ки в 15 раз) и покрытия, упрочненные нитридом титана (увеличение в 10 раз). Однозначной связи между твердостью и износостойкостью не обнаруживается - эти величины не коррелируют друг с другом. Намного лучшее соответствие наблюдается между коэффициентом износостойкости и объемной долей фазовых включений в слое, что связано с укорочением длины пути износа матрицы на участках между частицами фазовых включений при перемещении частиц абразива по изнашиваемой поверхности.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Голковский, Михаил Гедалиевич, Томск

1. Головин Г.Ф., Замятин М.М. Высокочастотная термическая обработка. 3-е изд., JL Машиностроение, 1990.

2. Солоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.П. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000.

3. Щукин В.Г., Марусин В.В. Теплофизика ВЧ импульсной закалкистальных деталей // Препринт Института теплофизики СО АН СССР №239-90. Новосибирск, 1990 г.

4. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2-х т. М.: Машиностроение. "Л.В.М.-СКРИПТ" 1995 г.

5. Технологические лазеры. Справочник в двух томах. Том 1. Расчёт, проектирование и эксплуатация. Под ред. д.т.н. Абильсиитова Г.А. М. Машиностроение. 1991 г.

6. А.Г. Григорянц, А.Н. Сафонов. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. М. Высшая школа. 1998.

7. М.Е. Veis, N.K. Kuksanov, R.A. Salimov е.а. High voltage electron accelerators at a power of up to 90 kW // Radiat.Phys. & chem. 1990. Vol. 35, No 4-6.; pp. 658-661.

8. R.A.Salimov and Z. Zimek. Window-Free Extraction of Electron Beam for High Power and Low Energy Accelerators // Radiation Physics and Chemistry, vol.40 (1992), pp.317-320.

9. R.A. Salimov, P.I Nemytov, N.K. Kuksanov, B.M Korabelnikov, M.R. Kosilov, M.E Veis, and V.V Prudnikov. Development of the Next Generation of Powerful Electron Accelerators // Radiation Physics and Chemistry, vol.46, (1995).

10. П.Брагинская A.E., Манин А.П., Македонский A.B. и др. Изменение износостойкости инструментальных сталей при электронном облучении // ФиХОМ. 1983. - №1. - С. 8-12.,

11. Мачурин Е.С., Алексеев Г.И., Фаробин А.Г. и др. Влияние мощного электронного облучения на структуру и свойства сталей и сплавов // ФиХОМ. 1986. - №5. - С. 26-29,

12. Булавски М., Фридель К. Электроннолучевое упрочнение стали 40Х // Тез. докл. «Международной конференции по электронно-лучевым технологиям». София: 1985. - С. 326-331

13. Н.Шипко A.A. Упрочнение титановых сплавов и среднеуглеродистых конструкционных сталей с использованием электро- и электроннолучевого нагрева. Минск: Ред. ж. «Изв. АН БССР. Сер. Физ - техн. наук», 1986.-21с.,

14. Поболь И.Л. Электронно лучевая термообработка металлических материалов // Итоги науки и техники ВИНИТИ. Сер. Металловедение и термическая обработка. - 1990. - Т.24. - С. 99-166.

15. Шульга A.A. Электронно лучевая обработка подшипниковых сталей // МиТОМ. - 1992. - №7. - с. 13-17.

16. Поболь И.Л. Модифицирование металлов и сплавов электроннолучевой обработкой // МиТОМ. 1990. - №7. -С. 42-47..

17. P. Tosto, F. Nenci. Surface cladding and alloing of AISI316 stainless steel on C40 plain carbon steel by electron beam // Met: et etvd. Ski. Bev. met. -1987. Vol. 84, №6. - P. 311-320.

18. Панин B.E., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Белюк С.И., Свитич Ю.В., Голобоков H.H., Дехонова С.Э. Электронно лучевая наплавка износостойких композиционных покрытий на основе карбида титана // ФиХОМ. - 1997. - №2. - С. 54-58.

19. Панин В.Е., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Полев И.В., Белюк С.И. Электронно лучевая наплавка порошковых карбидосталей // ФиХОМ. - 1998.-№6.-С. 53-59.

20. Гальченко Н.К., Белюк С.И., Панин В.Е., Самарцев В.П., Шиленко A.B., Лепакова O.K. Электронно лучевая наплавка композиционных покрытий на основе диборида титана // ФиХОМ. - 2002. - №4. - С.68-72.

21. Гальченко Н.К., Дампилон Б.В., Белюк С.И., Самарцев В.П. Покрытия на основе азотистой стали с карбонитридным упрочнением, полученные методом электронно лучевой наплавки // ФиХОМ. - 2003. - №2. -С.61-65.

22. Прибытков Г.А., Храмогин М.Н., Коржова В.В., Дураков В.Г. Электронно лучевая наплавка покрытий порошками быстрорежущей стали Р6М5 // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - №4. - С. 63-66.

23. Безбородов В.П., Белюк С.И., Дураков В.Г., Дампилон Б.В., Семухин Б.С. Влияние электронно-лучевой наплавки на структуру и свойства литейных алюминиевых сплавов // Сварочное производство. 2002. -№10.-С. 13-15.

24. Степуляк C.B., Дураков В.Г., Почивалов Ю.И., Гнюсов С.Ф. Формирование структуры титано матричных композитов приэлектронно лучевой наплавке на сплав ВТ6 // ФиХОМ. - 2003. - №4. -С. 31-35.

25. А.Б. Марков, Д.И. Проскуровский, В.П. Ротштейн. Формирование зоны теплового влияния в железе и стали 45 при воздействиинизкоэнергетичных сильноточных электронных пучков. Препринт 17-93^ Томский научный центр СО РАН, 1993 г.

26. Гнюсов С.Ф., Иванов Ю.Ф., Проскуровский Д. И., Ротштейн В.П. Объёмные изменения микротвёрдости твёрдого сплава WC- сталь 110Г13 при воздействии низкоэнергетического сильноточного электронного пучка// Письма в ЖЭТФ, 1999, т.25, вып.20, стр. 54-59.

27. Гнюсов С.Ф., Тарасов С.Ю., Иванов Ю.Ф., Ротштейн В.П. Влияние импульсного электронно лучевого плавления на микроструктуру и триботехнические свойства твердого сплава WC - сталь 110Г13 // ФиХОМ. - 2003. - №4. - С. 19-27.

28. Грищенко А.И., Корабельников Б.М., Кузнецов С.А., Куксанов Н.К., Салимов P.A. Сдвоенные ускорители типа ЭЛВ // Приборы и техника эксперимента, 1980, №3, стр. 21-22.

29. Вассерман С. Б. О применении импульсных электронных пучков в технологии. Отчёт ИЯФ СО АН СССР, г. Новосибирск, 1984 г.

30. Фоминский Л.П., Шишханов Т.С. // Материалы Всесоюзной конференции: "Исследование и разработка теоретических проблем в области порошковой металлургии и защитных покрытий. Минск, 1983, стр. 188-191.

31. Фоминский Л.П., Шишханов П.С. Особенности оплавления поверхностей и покрытий пучком электронов // Сварочное производство. 1984. - №4. - с.25-27.

32. Скринский А.Н., . Мизин В.Г., Фоминский Л.П. и др. Высокопроизводительная наплавка и оплавление порошковых покрытий пучком релятивистских электронов // ДАН СССР. 1985. - т.283, № 4. -с. 865-869.

33. Фоминский Л.П., Казанский В.В. Наплавка порошковых покрытий пучком релятивистских электронов // Сварочное производство, 1985, №5, стр. 13-15.

34. А. с. №1328114 СССР. Способ вневакуумной электронно-лучевой обработки / Фоминский Л.П. Заявка №3967059/31-27 от 13.09.1985.

35. Фоминский Л.П. Особенности воздействия электронных пучков на порошки при формировании покрытий // Электронная обработка материалов. 1986. - №2. - с.20-22.

36. Фоминский Л.П., Левчук М.В., Вайсман А.Ф., Фадеев С.Н., Сидоров С.А., Муров Г.Ф., Салимов P.A. Наплавка рабочих органов сельхозмашин с помощью электронного ускорителя // Сварочное производство, 1987, №1, стр. 4-6.

37. Авторское свидетельство №1688520. Метод изготовления стенки кристаллизатора установки непрерывного розлива стали / Жаботинский В.И., Дятлов М.М., Малахов М.К., Фролова В.И., Лахно Г.С., приоритет от 9.10 1989 г.

38. Авторское свидетельство №1823320. Метод электронно-лучевой обработки материалов / Жаботинский В.И., Лахно Г.С., Нерода В.В., приоритет от 23.04 1990 г.

39. Авторское свидетельство №1646159. Метод электронно-лучевой обработки материалов / Жаботинский В.И., Лахно Г.С., приоритет от 18.04 1989 г.

40. Авторское свидетельство №1552478. Метод электронно-лучевой обработки материалов / Жаботинский В.И., Лахно Г.С., приоритет от 25.04 1988 г.

41. Авторское свидетельство №1646159. Устройство для электроннолучевой обработки материалов / В.И. Жаботинский, Г.С. Лахно., приоритет от 18.04 1989 г.

42. Авторское свидетельство №1508460. Устройство для электроннолучевой обработки материалов / Лахно Г.С., Жаботинский В.И., Холевитский А. Е., Дворников В., приоритет от 17.08 1987 г.

43. Авторское свидетельство №1478527. Устройство для электроннолучевой обработки материалов / Лахно Г.С., Фадеев С.Н., Сенюра Ю.М., Холевитский А. Е., Жаботинский В.И., приоритет от 29.06 1987 г., опубл. 08.01.1989.

44. Авторское свидетельство №1439871. Метод электронно-лучевой обработки материалов / Лахно Г.С., Жаботинский В.И., Дворников В., Вайсман А.Ф. приоритет от 16.04 1987 г.

45. V. Jabotinski. "The Processing and Synthesis of Materials by Electron Beams." 13th Conf. on Electron Beam Melting and Refining State of the Art 1996, Reno/Nevada, Proc. ed. by R. Bakish, Bakish Materials Corporation, Englewood/NJ, pp. 15-38, 1996.

46. V. Jabotinski. Advanced Electron Beam Technology, 5th International Conf. on Electron Beam Technology 1997 (EBT'97), Varna. Bulgaria, Proc. ed. by

47. G. Mladenov, Institute of Electronics of Bulgarian Academy of Science, Sofia/Bulgaria, 1997, p. 354-359.

48. Лазарев В.Н., Мешков И.Н., Александрова Н.М., Щербицкий Г.В. Упрочнение поверхности стали марки СтЗ пучком электронов в атмосфере // Тез. докл. 6 Всес. сов. «Применение ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве». Ленинград: 1988. - С. 8990.

49. Авторское свидетельство SU 1548218 Al. Способ поверхностного термического упрочнения стальных изделий / Вайсман А.Ф., Вассерман С.Б., Вейс М.Э., Голковский М.Г., Лазарев В.Н., Мешков И.Н., Салимов P.A. Заявка №4450512 от 16 мая 1988 г.

50. Александрова Н.М., Карпельев В.А., Селин В.В., Мешков И.Н., Лазарев В.Н., Кащенко А.П., Строковский Г.С. Радиационно-термическая обработка валков сфокусированным пучком электронов // Сталь, 1996, №1, стр. 63-65.

51. Александрова А.Н., Щербединский Г.В., Лазарев В.Н., Мешков И.Н., Некипелов В.П. Структура чугунных проводок мелкосортных станов после обработки электронным пучком // МиТОМ, 1991 г., №3, стр. 10 -12.

52. Бахтин С.В, Козырь И.Г., Шаршаков И.М., Шатов Ю.С. Формирование карбидохромных слоев на углеродистых сталях с использованием электронного пучка// Физика и химия обработки материалов, 1995, №4, стр. 140-141.

53. Бахтин С.В, Горбунов И.П., Козырь И.Г., Шаршаков И.М., Шатов Ю.С. Перераспределение углерода в поверхностных слоях сталей при обработке электронным пучком // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1995 №11, стр. 51-53.

54. Колесник В.В., Орлик В.Н., Петров C.B., Сааков А.Г. Математическая модель плазменного нагрева под закалку // Металловедение и термическая обработка материалов, 1999, №5, стр. 29-31.

55. Рыкалин H.H. Расчёты тепловых процессов при сварке. М. Машгиз. 1951.

56. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М. Машиностроение, 1975 г. 296 стр.

57. Рыкалин H.H., Углов A.A., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник. М. Машиностроение, 1985, 496 стр.

58. Рыкалин H.H., Зуев И.В., Углов A.A. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М. Машиностроение, 1978 г. 239 стр.

59. Гуреев Д.М., Катулин В.А., Николаев В.Д., Петров А.Л. Ялдин Ю.А. Анализ зависимости глубины упрочнённого слоя от плотности энергии лазерного излучения // Физика и химия обработки материалов, 1985, №2, стр. 22-25.

60. Крапошин B.C. Зависимость глубины закалки сталей и чугунов от режима лазерного облучения // Физика и химия обработки материалов, 1988, №6, стр. 88-96.

61. Н. Бежин, P.A. Кректулева, Г.А. Прибытков, В.Г. Дураков, P.O. Черепанов. Компьютерное моделирование и микроструктурное исследование градиентных композиционных структур, формирующихся при поверхностной электронно-лучевой обработке углеродистой стали.

62. Композиционные и порошковые металлические материалы // Труды Второй международной научно-технической конференции. Изд. Алтайского университета, Барнаул, 2001, стр. 22-28.

63. Полетика И.М., Борисов М.Д., Гладышев C.A., Свирчев Н.Е., Прошкин В.В., Михляева Н.В.,. Суховаров В.Ф. -Легирование малоуглеродистой стали с помощью интенсивных источников // Физика и химия обработки материалов. 1986, №3, с. 135-138.

64. Полетика И.М., Борисов М.Д., Краев Г.В., Мейта В.П., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г. Упрочнение стали легированием в пучке релятивистских электронов // Известия ВУЗов, Физика, 1993, № 3, стр. 57-63.

65. Полетика И.М., Борисов М.Д. Твёрдость и износостойкость стали после облучения пучком релятивистских электронов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996, № 12, стр. 16-19.

66. Краев Г.В., Полетика И.М., Мейта В.П., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г., Борисов М.Д. Легирование стали с использованием энергии релятивистских электронов // Изестия Сибирского отделения Академии наук СССР, 1989, вып. 4, стр. 119 125.

67. Полетика И.М., Борисов М.Д., Хорошков В.И. Формирование структуры поверхностного слоя стали при электронно-лучевом легировании // Известия ВУЗов, Физика 1994, №4, стр. 89-94.

68. Полетика И.М., Борисов М.Д., Краев Г.В., Вайсман А.Ф., Голковский М.Г., Дураков В.А. Основы легирования стали в пучке релятивистских электронов // Известия ВУЗов, Физика, 1996, № 3, стр. 115 125.

69. Полетика И.М. Упрочнение поверхностного слоя стали легированием в концентрированных потоках энергии. Диссертация на соиск. уч. степ, д.т.н., ИФПМ СО РАН, Томск, 1996.

70. L.V. Spencer //Physical Review, Ser. 2, V.98, #6, pp. 1597-1615.

71. Т. Tabata and R. Ito. An Algorithm for the Energy Deposition by Fast Electrons //Nuclear Science and Engineering: 53, 226-239 (1974).

72. Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и радиоэлектронная аппаратура. Советское Радио. М. 1975 г.

73. R. Ito, P. Andreo and T. Tabata. Reflection of Electrons and Photons from Solids Bombarded by 0.1- to 100-MeV Electrons // Radiation Physics and Chemistry, 42, n. 4-6, pp. 761-764, 1993.

74. Баранов В.Ф. Дозиметрия электронного излучения. М., Атомиздат, 1974.

75. Seong-Hun Choo, Sunghak Lee, and Mikhail G. Golkovski. Effects of electron beam irradiation on surface hardening and fatigue properties in an AISI 4140 steel used for automotive crankshaft // Material Science and Engineering A293 (2000) 56-70.

76. Физические величины. Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. "Энергоатомиздат", М., 1991 г.

77. Справочник химика. 2-е изд., в 5-ти т. 1,2. Гл. ред. Никольский Б.П., 1963.

78. National Institute of Standards and Technology (USA) Web site: http://www.nist.gov/

79. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное изд. В 4-х т. Гурвич JI.B., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. 3-е изд., Наука, М. 1978- 1982.

80. Термические константы веществ. Справочник в 10-ти т. Под ред. акад. Глушко В.П., М. Наука, 1968 1974 г.

81. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад. Патона Б.Е. М., Машиностроение, 1974.

82. Oxygen induced interfacial phenomena during wetting of alumina by liquid aluminium George Levi, Wayne D. Kaplan // Acta Materialia 50 (2002) 7588. Temperature from 700 to 1000 C.

83. Гуревич C.M. Справочник по сварке цветных металлов. Киев. Из-во "Наукова думка", 1981.

84. Гуревич С.М., Замков В.Н. и др. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов. 2-ое изд. Киев,. "Наукова думка", 1986.

85. Jun Cheol Oh, Kwangjun Euh, Sunghak Lee, Yangmo Koo and Nack J. Kim. Hardness improvement of TiB2/Ti surface alloyed material.fabricated by high-energy electron beam irradiation.// Scripta Materialia, Vol. 39, No. 10, pp. 1389-1394,1998.

86. И.М. Полетика, М.Г. Голковский, М.Д. Борисов, Р.А. Салимов, М.В. Перовская. Формирование упрочняющих покрытий в пучке релятивистских электронов // Физика и химия обработки материалов, 2005, №5, с. 29-41.

87. К. Lee, Е. Yun, S. Lee, N.J. Kim, J.C. Lee, and M.G. Golkovski: "Two-Layered Zr-Base Amorphous Alloy/Metal Surface Composites Fabricated by High-Energy Electron-Beam Irradiation" // Metall. Mater. Trans. A, vol. 35A (2004) pp. 3455-3460.

88. Зиновьев B.E. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. "Металлургия", М., 1989.

89. Engineering Properties of Steel. Ed. P.D.Harvey. Metals Park (Oh). Am. soc. for metals, 1982.

90. Таблицы физических величин. Справочник под ред. акад. И.К. Кикоина. Энергоатомиздат, М.„ 1976г.

91. Металловедение и термическая обработка. Справочник. Под ред. Гудцова Н.Т., Бернштейна M.JL, Рахпггадта А.Г. "Металлургия". М., 1956.

92. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. "Наука", М., 1972 г.

93. Ф.М. Морс и Г. Фешбах. Методы теоретической физики. Перевод с англ. Том 1. Москва 1958.

94. Вайсман А.Ф., Вассерман С.Б., Голковский М.Г., Кедо В.Д., Салимов Р.А. О поверхностной закалке стали концентрированным электронным пучком в атмосфере. Институт ядерной физики СО АН СССР. Препринт 88-73, Новосибирск, 1988.

95. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В., Калинин А.Н., Салимов Р.А. Закалка поверхностного слоя среднеуглеродистой стали с использованием энергии релятивистских электронов // Перспективные материалы, 2006 №2, стр. 73-79.

96. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.В. Формирование структуры и свойств поверхностных слоев стали и чугуна при закалке электронным пучком // ФиХОМ, 2006г., №6, стр. 41-50.

97. M.G. Golkovski, I.M. Poletika, M.V. Perovskaya. The Sensitivity of the structure and properties of the middle carbon steel to electron beam hardening conditions // Изв. Вузов. Физика. 2006, №8, приложение С, стр. 268-271.

98. Попова JI.E., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана. 3-е изд. М. Металлургия, 1991.

99. Коноплёва Е.В., Голковский М.Г., Абрамов О.В., Вайсман А.Ф. Модифицирование структуры поверхностных слоёв низкоуглеродистых легированных сталей концентрированным электронным пучком в атмосфере // Изв. АН СССР. Металлы, 1990, №4, стр. 71-76.

100. Яковлева Т.Г., Карпущенко Н.И. и др. Железнодорожный путь. М., Транспорт, 1999 г.

101. ГОСТ 18267-82. Рельсы железнодорожные типов Р50, Р65 и Р75 широкой колеи, термообработанные путём объёмной закалки в масле. Технические условия.

102. Остроменский П.И., Аксёнов В.А., Коротаев Б.В., Назаров Н.С., Лашин

103. A.Ф., Лиясов А.Н., Алексеев Н.Т., Будаев С.А., Батаев А.А., Батаев

104. Каталог дефектов рельсов. МПС РФ. НТД/ЦП-2-93.

105. Е.К. Storms: The Refractory Carbides, Academic Press, New York, 1967, pp. 1-17.

106. ГОСТ 23.208-79. Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закреплённые абразивные частицы.

107. ASTM Standard Practice for Conducting Dry Sand/Rubber Wheel Abrasion Tests, ASTM G65-83, ASTM, Philadelphia, PA, 1989.

108. Лякшиев Н.П., Банных О.А., Рохлин Jl.Д. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник, т. 1 1996, т. 2 - 1997, т.З - 2001 г., М., Машиностроение.

109. М. Хансен, К. Андерко. Структуры двойных сплавов. М. Металлургия, 1962 г. т. 1,2.

110. J.R. Roos, J.P. Celis, and Е. Vancoille // Thin Solid Film, 1990, vol. 193, pp. 547-56.

111. Е. Ohmura, К Inoue and К. Haruta. Computer simulatin on structural changes of hypoeutectoid steel in laser transformation hardening process. JSME Int. J, Vol. 32 (1989), p. 45-55.

112. К Inoue, E. Ohmura and S. Ikuta. Computer simulation on transformation process of steel on rapid heating. Transactions of Japan Welding Research Institute, V. 16, No 1, 1987, p. 97-101.