Исследования поверхности

Из четырех видов зондирующих потоков частиц (электроны, ионы, нейтральные частицы и фотоны) электронные пучки для исследования поверхностей твердых тел начали применяться раньше и значительно шире других. Это связано с простотой получения электронных пучков заданной энергии плотности, а также с легкостью фокусировки их в зонд малого диаметра на поверхности. Электронный луч в современных зондовых устройствах можно фокусировать до единиц и даже долей нанометра, т.е. инструмент по размерам приближается к атомным. На настоящий момент электронно-зондовые методы анализа по областям применения и распространенности преобладают как в научных исследованиях, так и в современных производственных лабораториях [72].

Книга является, по существу, первой публикацией, в которой вопросы исследования поверхностей раздела изложены так глубоко и всесторонне. Особенно это относится к теоретическому анализу роли поверхности раздела при получении и эксплуатации композитов.

При первом ознакомлении может показаться, что чрезмерное внимание уделено в книге работам группы Отделения солнечной энергии компании «Интернэйшнл Харвестер». Исследования поверхностей раздела пользовались широкой поддержкой ВВС США, но ранее они почти не публиковались, в частности, потому, что некоторые идеи (например, концепция окисной связи в композитах с алюминиевой матрицей) в течение нескольких лет находились на стадии разработки и проверки и лишь недавно были четко сформулированы. Тем не менее, в данном томе представлены работы и других важных центров по исследованию поверхности раздела, что обеспечивает объективность изложения. Кроме того, почти все главы представляют собой в основном обзор и критиче-

В последнее время исследования поверхностей раздела в практически важных композитах заметно расширились благодаря тому, что были получены доказательства справедливости правила: смеси в системах всех трех классов — нереакционноспособных тл нерастворимых, нереакционноспособных и растворимых, реакци-

Настоящая книга является одним из 8 томов энциклопедического издания «Композиционные материалы». В ней рассматриваются практически все аспекты исследования внутренних поверхностей раздела в полимерных композитах, армированных традиционными стекловолокнами, а также борными и углеродными волокнами. Читатель найдет в книге описание современных методов исследования поверхностей раздела, анализ основных теорий аппретирования и адгезии полимерных матриц к упрочнителям. Впервые опубликованы сведения о химии поверхности высокомодульных и высокопрочных волокон бора и углерода и химии поверхности раздела в армированных ими композитах.

Книга является, по существу, первой публикацией, в которой вопросы исследования поверхностей раздела изложены так глубоко и всесторонне. Особенно это относится к теоретическому анализу роли поверхности раздела при получении и эксплуатации композитов.

Микроструктура поверхности раздела и прочность сцепления на границе раздела, несомненно, являются наименее изученными из тех основных факторов, которые влияют на усталостную прочность композита. Такое положение дел сохраняется и до сих пор из-за экспериментальных трудностей обнаружения границ раздела матрицы и волокна с достаточно высокой степенью разрешения. В последнее время, однако, для выявления поверхностей раздела алюминия и бора [22, 23, 25—27, 46] и оценки ее влияния на усталостную прочность композита были разработаны методы трансмиссионной электронной микроскопии. Почти все исследования поверхностей раздела, в которых достигалась высокая степень разрешения, проводились на бороалюминиевых композитах, поэтому в последующем подробном обсуждении композиты такой системы будут рассмотрены особо.

На рис. 1 приведена схема классификации исследования поверхностей износа на основе первых двух направлений. Следует иметь в виду, что в реальных условиях трения и износа многие из указанных на схеме факторов проявляются одновременно и взаимно связаны между собой, поэтому порядок их распределения в схеме является условным.

Рис. 1. Схема классификации основных направлений исследования поверхностей износа металлов и сплавов

Микроструктурные исследования поверхностей трения при скольжении образцов спеченных порошков (железографит) позволили установить, что степень металлического контакта и схватывание определяются структурой материала. Оптимальной является смесь мелких упорядоченных кристаллов феррита и цементита. Диффузионные процессы при схватывании имеют малое значение.

яение, как и ширина рентгеновских дифракционных линий, очень чувствительно к различного рода дефектам. Любое искажение идеальной кристаллической решетки приводит к рассеянию электронов проводимости, увеличивая тем самым величину электросопротивления [112]. Несмотря на свою простоту, метод измерения электросопротивления на постоянном токе не нашел широкого применения в исследовании процессов трения и износа. Это «вязано прежде всего с тем, что чувствительность метода зависит -от соотношения между толщиной образца и глубиной пластически деформированной зоны, которое в реальных условиях не всегда позволяет оценить изменения в материале в процессе фрикционного взаимодействия, так как толщина деталей узлов трения значительно превосходит глубину структурно-измененной зоны. Следует также отметить, что измерение электросопротивления в отличие, например, от рентгеновского анализа требует образцов •строго определенной формы и размеров, которые можно испытывать далеко не на всех машинах трения. Тем не менее этот метод является хорошим дополнением к общепринятым методам исследования поверхностей трения при испытании модельных образцов.

Установлено, что усталостная долговечность (на воздухе) сплавов 36НХТЮ и 68НХВКТЮ примерно в 7 раз выше долговечности сплава 40НКХТЮМД, что связано с ограниченным запасом его пластичности. Проведенные фрактографические исследования поверхности изломов (РЭМ-200) показали, что большая часть поверхности излома сплава 40НКХТЮМД имеет бороздчатую топографию. Равномерное распространение трещины изредка прерывается на включениях. Разрушение происходит по межкристал-литному механизму. Иной характер разрушения наблюдается у сплавов 36НХТЮ и 68НХВКТЮ. Поверхность излома имеет извилистый рельеф в направлении фронта развития трещины. На ' имеющихся включениях магистральная трещина меняет свое направление. Между фронтом стабильно развивающейся трещины и зоной ее нестабильного роста, наблюдающегося при доломе, имеются зоны вытяжек, свидетельствующих о значительно большей пластичности этих сплавов (твердость сплава 40НКХТЮМД примерно в 1,5 раза выше).

Известно, что коррозионно-активная среда даже при отсутствии механических напряжений существенно изменяет физико-механические свойства металла, и состояние его поверхности, а также вызывает появление местных очагов концентрации напряжений. Тогда пребывание сильфона в периоды отключения КИП и А в контакте с остатками транспортируемой агрессивной среды может оказать значительное последействие на усталостную и кор-розионно-усталостную прочность. В связи с этим было исследовано влияние на усталостную долговечность предварительной выдержки сплавов для изготовления УЧЭ в средах и условиях, имитирующих газопромысловые. Были проведены сравнительные усталостные испытания сплавов 68НХВКТЮ и 40НКХТЮМД после их предварительной выдержки в течение 168 часов в среде, имитирующей по активности натурную: 5 % NaCl + 0,5 % СН3СООН при температуре 25 °С и парциальном давлении сероводорода, равном 1МПа. Экспозиция сплавов в электролите значительно изменила их физико-механические свойства. Так, например, микротвердость сплава 40НКХТЮМД возросла от 5 000 МПа до 5 600 МПа (12%), а сплава 68НХВКТЮ соответственно - от 3 750 МПа до 4 550 МПа (21%). Это связано с наводороживанием сплавов в используемой среде. В результате происшедших изменений физико-механических свойств исследованных сплавов их усталостная долговечность значительно понизилась: у сплава 40НКХТЮМД примерно в 2 раза, у 68НХВКТЮ - в 1,5. Фрактографические исследования поверхности усталостных изломов сплавов, предварительно выдержанных в электролите, показали уменьшение количества вязких составляющих по сравнению с изломами, полученными на сплавах в исходном состоянии. Особенно значительно повлияла предварительная выдержка в наводороживающеи среде на характер разрушения сплава 40НКХТЮМД. Изломы имеют плоскую поверхность с фасетками скола, на ней видны микропоры, которые можно интерпретировать как бывшие центры поглощения водорода в дефектных участках кристаллической решетки металла. Поверхность излома сплава 68НХВКТЮ испещрена микротрещинами, возникшими, по-видимому, из-за значительного увеличения его твердости при повышении давления молекулярного водорода, накопленного в ловушках.

Макро- и микроскопические исследования поверхности изломов (фрактография) позволяют, с одной стороны, вскрыть механизм разрушений, с другой, - обосновывать рекомендации по их предупреждению (по выбору материалов, способов и режимов сварки, термической обработки, контролю качества). При анализе изломов сварки, термической обработки, контролю качества. При анализе изломов важно установить параметры очага разрушения (зоны инициирования разрушения), который обычно располагается в наиболее напряженных и охрупченных областях (дефекты различного происхождения, конструктивные концентраторы напряжений) основного металла (ОМ), сварного шва (Ш) и зоны термического влияния (ЗТВ). Очаги разрушения обнаруживаются в местах наибольшего раскрытия кромок в полюсе выпученного разрыва с использованием закономерностей механики разрушения. Поверхность излома имеет определенную ориентацию относительно направления силовых воздействий

--200 ll/мм") и Ст.Ч (от = 234 И/мм-) толщиной 1; 1,5; 2; 2,Г. мм и длиной разреза 14,8; 18,7; 29,3 мм. Предел текучести здесь определялся в виде отношения нагрузки к площади ослабленного сечения при полном его переход!! в пластическое состояние. В процессе исследования поверхности образца обнаружены следующие стадии развития пластических областей [31, 85, 320].

Как правило, для исследования поверхности в качестве аналитических инструментов используются энергетические потоки. Уже в конце 80-х годов было известно более 80 подобных методов диагностики вещества, и список их продолжает увеличиваться. Эти методы отличаются видом первичного потока (зондирующего воздействия), чувствительностью, локальностью, степенью деструкции вещества, универсальностью и т.д.

РЭМ - это метод исследования поверхности образца, использующий энергетическое и пространственное распределение электронов, эмитированных из его приповерхностного слоя под воздействием остросфокусированного луча (зонда) [72].

74. Вуйраф Д., Делчар Т Современные методы исследования поверхности. М.: Мир, 1989. 564с.

ный потенциал, чем потенциал матрицы. Например, в сплаве с 6,5 % AI после старения при 600°С или при медленном охлаждении после отжига в «-твердом растворе возникают сегрегаты, обогащенные алюминием и образующие зоны ближнего порядка. Учитывая, что параметр решетки в этих зонах такой же, как и у «2 -фазы, и равен двойному параметру а а-фазы, движущаяся дислокация по отношению к этой решетке будет полудислокацией. Это вызывает парное движение дислокаций (создающих на поверхностях призмы дислокационные дефекты с низкой энергией дефектов упаковки), приводящее к возникновению грубого скольжения. Если же тот же сплав подвергнуть закалке с температур отжига, то возникнет статистически равномерное распределение алюминия в твердом растворе без образования зон ближнего порядка. На рис. 38 приведена фрактография поверхности излома после коррозионного разрушения образца сплава ВТ5-1 в двух структурных состояниях. Как видно, сколы и ручьевые узоры имеются только у состаренного сплава (рис. 38, а, б). У закаленного сплава наблюдается только вязкое разрушение (рис. 38, в). Из изложенного следует, что коррозионные туннели возникают и развиваются по вполне определенным кристаллографическим плоскостям в направлении, соответствующем минимальному сопротивлению пластической деформации. Это находит хорошее экспериментальное подтверждение при исследовании характера развития трещины коррозионного растрескивания. В пределах одного фрагмента (колонии а-фазы одной направленности) трещина имеет прямолинейный характер. Вместе с тем для коррозионного растрескивания характерно многочисленное ветвление трещины. Именно в результате ветвления трещины на металлографических шлифах, как правило, наблюдаются отдельные прямые трещины, не связанные с магистральной (рис. 39). Какова же при таком механизме роль скола? Скол при коррозионном растрескивании появляется в результате восходящей диффузии водорода, адсорбированного стенками туннелей, в подповерхностные слои в вершине трещины в области максимальных напряжений. Скол происходит по выделившимся мелкодисперсным гидридам на плоскостях базиса. Оголяя ювенильную поверхность, скол позволяет коррозионной среде выбирать новую благоприятную кристаллографическую ориентировку в соседних плоскостях. Если скол не происходит, а туннели сочетаются с неблагоприятными ориентировками, процесс коррозионного растрескивания тормозится. Пример этого —результаты выполненного авторами совместно с О. А. Гунбиной фрактографического исследования поверхности излома закаленного сплава ВТ6, разрушенного в 3,0 %-ном растворе NaCI

Чтобы более точно установить, на какой стадии появления или развития трещины действует коррозионная среда, были проведены исследования поверхности испытанных образцов (при долговечностях, близких к появлению трещины) под электронным микроскопом [ 142,155]. Определено, что коррозионная среда резко ускоряет процесс подрастания трещины. В то же время место начала появления усталостной трещины и на воздухе, и в коррозионной среде одно и то же —вдоль полос скольжения через а-фазу или через двойники. На первой стадии микроскопические трещины распространяются главным образом по линиям сдвигов.

Для исследования поверхности металла применительно к условиям эксплуатации котлов разработаны специальные микроскопические методы, позволяющие рассматривать поверхность при высоких температурах. Методы предполагают использование специальных охлаждаемых камер, находящихся под вакуумом или заполненных газом и имеющих кварцевые окна.

B. Методы исследования поверхности раздела в композитах ... 37 Список литературы.............. 40