Формування зносостійкого ультрадисперсного та наноструктурованого матеріялу на поверхнях тертя хромистих криць. Ч. 2. Вплив активних хемічних елементів робочого середовища та домішкових атомів вихідного металу на електронну структуру та механізм деформації поверхневих шарів тертя

В. В. Тихонович

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано: 26.09.2022; остаточний варіант - 04.10.2022. Завантажити: PDF

За допомогою Оже-електронної спектроскопії досліджено еволюцію хемічного складу меж зерен під час нашарування мікрооб’ємів металу на поверхні тертя. Показано, що нашарування металу на поверхні тертя супроводжується розчиненням карбідної фази та насиченням Оксиґеном з робочого середовища. Більша частина атомів Оксиґену й атоми Карбону розчинених карбідів перебувають у шарах тертя у вигляді твердого розчину в структурно дезорганізованих примежових областях зерен. За допомогою аналізи протяжної тонкої структури спектрів втрати енергії розсіяних електронів визначено індивідуальне найближче атомове оточення домішкових атомів у примежових областях зерен. Встановлено, що атоми Карбону на межах зерен деформованого вихідного металу знаходяться в октапорах ОЦК-стопу заліза з Хромом і утворюють дисперсну карбідну фазу типу (Cr, Fe)$_{7}$C$_{3}$. В примежових областях зерен поверхневих шарів тертя дрібнодисперсна карбідна фаза (Cr, Fe)$_{7}$C$_{3}$ зникає. При цьому значна кількість атомів Карбону переходить у нові кристалоструктурні позиції, що утворюють разом з атомами Оксиґену й атомами металу метастабільні атомові кластери Fe–O–C (Fe–Cr–O–C). За допомогою зонних розрахунків в LAPW-наближенні з використанням повного потенціялу та ґрадієнтної корекції електронної густини (GGA — generalized gradient approximation) досліджено вплив домішкових атомів на електронну структуру та характер міжатомових зв’язків у примежових областях зерен. Показано, що атоми Карбону в октапорах стопу ОЦК-заліза з Хромом утворюють міцні ковалентні зв’язки з їхніми довкільними атомами металу. Вони понижують рухливість атомів і збільшують деформаційне зміцнення металу. Метастабільні атомові кластери Fe–O–C (Fe–Cr–O–C) й атоми металу навколо них розділяють області з пониженою електронною густиною. Наслідком цього є обмежена участь валентних електронів у формуванні зв’язків між атомами металу й атомами кластерів. Тому на ділянках меж зерен зі скупченням метастабільних атомових кластерів може відбуватися легке руйнування міжатомових зв’язків за локальної деформації металу. Також цьому сприяє нестійкість міжатомових зв’язків, сформованих 3$d$-електронами атомів металу, що входять до складу кластерів, по відношенню до зсуву атомів. Показано, що накопичення на межах зерен метастабільних атомових кластерів Fe–O–C (Fe–Cr–O–C) й ультрадисперсної оксидної фази $\alpha$-Fe$_2$О$_3$ може сприяти виникненню під час нашарування металу на поверхні тертя динамічних систем, механізм деформації яких пов’язаний з колективними формами руху дефектів кристалічної ґратниці. А у випадку дуже інтенсивних імпульсних високоенергетичних впливів викликати перехід насичених Оксиґеном і Карбоном ультрадисперсних систем у квазирідкий структурно нестійкий стан, за якого формується кристалоаморфний наноструктурований матеріял.

Ключові слова: електронна структура, міжатомові зв’язки, наноструктурований матеріял, ультрадисперсна структура, пластична деформація, дефекти кристалічної ґратниці, найближче атомове оточення домішкових атомів, поверхневі шари тертя.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v45/i01/0015.html

PACS: 61.46.Hk, 62.20.F-, 62.20.Qp, 68.37.-d, 73.20.Hb, 81.40.Pq, 82.80.Pv


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. Д. Бриггс, М. П. Сих, Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (Москва: Мир: 1987).
  2. А. И. Ковалев, Г. В. Щербединский, Современные методы исследования поверхности металлов и сплавов (Москва: Металлургия: 1989).
  3. А. И. Ковалев, В. П. Мишина, Г. В. Щербединский, Металлофизика, 9, № 3: 112 (1987).
  4. D. Singh, Plane Waves, Psevdopotentials and LAPW Method (Kluwer Academic: 1994). Crossref
  5. J. P. Perdew, S. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Let., 77, No. 18: 3865 (1996). Crossref
  6. P. Blaha, K. Schwarz, G. K. Madsen, D. Kvasnicka, and J. Luits, WIEN2k, An Augmented Plane Wave  Local Orbitals Program for Calculation Crystal Properties (Techn. Universitat Wian, Austria, ISBN 3-9501031-1-2: 2001)
  7. М. А. Коняева, Н. И. Медведева, Физика твёрдого тела, 51, № 10: 1965 (2009).
  8. J. P. Bouchard, Annales de Chimie, 2: 353 (1967).
  9. R. L. Blake, R E. Nessevick, T. Zoltai, and L. W. Finger, American Mineralogist, 51: 123 (1966).
  10. Y. Sato and S. Akimoto, J. Applied Phys., 50, No. 8: 5285 (2009). Crossref
  11. R. S. Knox and A. Gold, Symmetry in the Solid State (New York: W. A. Benjamin Inc.: 1964).
  12. G. Rollmann, A. Rohrbach, P. Entel, and J. Hafner, Phys. Rev. B, 69: 165107 (2004). Crossref
  13. М. А. Сукманова, С. И. Курганский, Конденсированные среды и межфазные границы, 20, № 1: 115 (2018). Crossref
  14. L. Pauling and S. B. Hendricks, J. American Chemical Society, 47, No. 3: 781 (1925). Crossref
  15. L. W. Finger and R. M. Hazen, J. Applied Phys., 51, No. 10: 5362 (1980). Crossref
  16. A. Kokalj, Comp. Mater. Sci., 28: 155 (2003). Crossref
  17. А. В. Литвинов, В. А. Шабашов, К. А. Козлов, Н. Ф. Вильданова, В. В. Сагарадзе, Неорганические материалы, 45, № 9: 1096 (2009).
  18. В. В. Тихонович, Металлофиз. новейшие технол., 38, № 6: 763 (2016). Crossref