Влияние лазерной обработки наносекудной длительности на структуру и твердость сплава Zr–1%Nb

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии изучены микроструктура и фазовый состав поверхностного слоя образца из сплава Zr–1%Nb, модифицированного лазерными импульсами наносекундой длительности. Установлено, что в процессе лазерной обработки формируется тонкий упрочненный поверхностный слой с дисперсной микроструктурой. Доказано, что упрочнение поверхностного слоя, толщиной менее 4 мкм, обусловлено образованием микропакетов-двойников, состоящих из наноламелей мартенсита, и наноразмерной ω-Zr-фазы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Н. Петрова

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

И. Г. Бродова

Институт физики металлов УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Д. Ю. Распосиенко

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. И. Валиуллин

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. О. Курышев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

С. В. Афанасьев

Институт физики металлов УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. Н. Балахнин

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. Академика Королева, 1, Пермь, 614013

О. Б. Наймарк

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Email: Ibrodova@mail.ru
Россия, ул. Академика Королева, 1, Пермь, 614013

Список литературы

  1. Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1994. 256 с.
  2. Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Структура циркония и его сплавов. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 1997. 230 с.
  3. Никулина А.В., Решетников Н.Г., Шебалдов П.В. Технология изготовления канальных труб из сплава Zr-2,5%Nb, установленных в реакторах РБМК // Вопр. атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы. 1990. Вып. 2(36). C. 46–53.
  4. Eroshenko A. Yu., Mairambekova A.M., Sharkeev Yu.P., Kovalevskaya Zh.G., Khimich M.A. Structure, phase composition and mechanical properties in bioinert zirconium-based alloy after severe plastic deformation // Letters Mater. 2017. Т. 7. № 4. P. 469–472.
  5. Тарараева Е.М., Муравьева Л.С., Иванов О.С. Строение и свойства сплавов для атомной энергетики. М.: Наука, 1973. 138 с.
  6. Добромыслов А.В. Определение границ области существования метастабильной ω-фазы в сплавах титана и циркония // ФММ. 2023. Т. 124. С. 1220–1230.
  7. Павленко А.В., Добромыслов А.В., Талуц Н.И., Малюгина С.Н., Мокрушин С.С. Ударно-волновые свойства и деформационная структура технически чистого титана // ФММ. 2021. Т. 122. С. 851–858.
  8. Кутсар А.Р., Герман В.Н., Носова Г.И. (альфа-омега) превращение в титане и цирконии в ударных волнах // ДАН СССР. 1973. Т. 213. № 1. С 81–84.
  9. Bickel G.A., Griffiths M., Douchant A., Douglas S., Woo O.T., Buyers A. Improved Zr-2.5Nb pressure tubes for reduced diametral strain in advanced CANDU reactors // American Society for Testing and Materials. Zirconium in the Nuclear Industry. 2010. V. 1529. Р. 327–348.
  10. Добромыслов А.В., Талуц Н.И. Механизм α→ω превращения в цирконии, титане и сплавах на их основе // ФММ. 1990. № 5. С. 108–115.
  11. Song S.G., Gray G.T. III Microscopic and crystallographic aspects of retained omega phase in shock-loaded zirconium and its formation mechanism // Phil. Mag. A. 1995. V. 71. № 1. P. 275–290.
  12. Козлов Е.А., Литвинов Б.В., Абакшин Е.А., Добромыслов А.В., Талуц Н.И., Казанцева Н.В., Талуц Г.Г. Фазовые превращения и изменение структуры циркония при воздействии сферических ударных волн // ФММ. 1995. Т. 79. Вып. 6. С. 113–127.
  13. Clauer A.H. Laser shock peening for fatigue resistance / In: Gregory JK, Rack HJ, Eylon D, editors. Surface performance of titanium. Warrendale (PA): TMS, 1996. Р. 217–230.
  14. Колобов Ю.Р., Манохин С.С., Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Нарыкова М.В., Одинцова Г.В., Храмов Г.В. Исследование влияния обработки лазерными импульсами наносекундной длительности на микроструктуру и сопротивление усталости технически чистого титана // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48. № 2. P. 15–19. https:// doi.org/10.21883/PJTF.2022.02.51913.19025
  15. Song Shu, Yizhou Shen, Zonghui Cheng, Weibiao Xiong, Zhaoru He, Shuangshuang Song, Weilan Liu. Laser shock peening regulating residual stress for fatigue life extension of 30CrMnSiNi2A high-strength steel // Optics & Laser Technology. 2024. V. 169. Р. 110094. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110094
  16. Banas G., Elsayed-Ali H.E., Lawrence F.V., Rigsbee J.M. Lasershock-induced mechanical and microstructural modification of welded maraging steel // J. Appl. Phys. 1990. V. 67. P. 2380–2384. https:// doi.org/10.1063/1.345534
  17. Zhou L., Li Y.H., He W.F., Wang X.D., Li Q.P. Laser Shock Processing of Ni-Base Superalloy and High Cycle Fatigue Properties // Mater. Sci. Forum. 2011. V. 697–698. P. 235–238.
  18. Zhang Hong, Yu Chengye. Laser shock processing of 2024-T62 aluminum alloy // Mater. Sci. Eng. A. 1998. V. 257. № 2. P. 322–327.
  19. Montross C.S., Florea V., Swain M.V. Influence of coatings on sub-surface mechanical properties of laser peened 2011-T3 aluminum // J. Mater. Sci. 2001. V. 36. P. 1801–1807.
  20. Kamkarrad H., Narayanswamy S., Tao X.S. Feasibility study of high-repetition rate laser shock peening of biodegradable magnesium alloys // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2014. V. 74. Р. 1237–1245.
  21. Li Zh.Y., Guo X.W., Yu Sh.J., Ning Ch.M., Jiao Y.J., Cai Zh.B. Influence of laser shock peening on surface characteristics and corrosion behavior of zirconium alloy // Mater. Characteriz. 2023. V. 206. P. 113387.
  22. Ruschau J.J., John R., Thompson S.R., Nicholas T. Fatigue crack nucleation and growth rate behaviour of laser shock peened titanium // Int. J. Fatigue. 1999. V. 21. P. S199–S209. https:// doi.org/10.1016/S0142–1123(99)00072–9
  23. Hatamleh O. A comprehensive investigation on the effects of laser and shot peening on fatigue crack growth in friction stir welded AA 2195 joints // Int. J. Fatigue. 2009. V. 31. P. 974–988.
  24. Черняева Т.П., Грицина В.М. Характеристики ГПУ-металлов, определяющие их поведение при механическом, термическом и радиационном воздействии // Вопр. атомной науки и техники. 2008. № 2. С. 15–27.
  25. Lobanov M.L., Yarkov V. Yu., Pastukhov V.I. The Effect of Cooling Rate on Crystallographic Features of Phase Transformations in Zr-2.5Nb // Materials. 2023. V. 16. P. 1–14.
  26. Хлебникова Ю.В., Сазонова В.А., Родионов Д.П., Вильданова Н.Ф., Егорова Л.Ю., Калетина Ю.В., Солодова И.Л., Умова В.М. Формирование макро- и микроструктуры при превращении в монокристаллах циркония // ФММ. 2009. Т. 108. № 3. С. 267–275.
  27. Добромыслов А.В. Влияние d-металлов на температуру полиморфного и (моно) эвтектоидного превращения в бинарных сплавах титана, циркония и гафния // ФММ. 2020. Т. 121. С. 516–172.
  28. Хлебникова Ю.В., Родионов Д.П., Егорова Л.Ю., Суаридзе Т.Р. Кристаллографические особенности структуры α-фазы гафния и сплавов гафний–титан // Журнал технич. физики. 2019. Т. 89. № 1. С. 86–98. https:// doi.org/10.21883/JTF.2019.01.46968.86–18
  29. Tang J., Yang H., Qian B., Zheng Y. TWIP-assisted Zr alloys for medical applications: Design strategy, mechanical properties and first biocompatibility assessment // J. Mater. Techn. 2023. V. 184. P. 32–42.
  30. Mehjabeen A., Song T., Xu W., Tang H.P., Qian M. Zirconium Alloys for Orthopaedic and Dental Applications // Adv. Eng. Mater. 2018. V. 20. P. 63–69.
  31. Petrova A.N., Brodova I.G., Astafiev V.V., Rasposienko D.Y., Kuryshev A.O., Balakhnin A.N., Uvarov S.V., Naimark O.B. Surface modification of the Zr–Nb alloy by nanosecond pulse laser processing // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. P. 625–633.
  32. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение, 2001. 570 с.
  33. Jamieson J.C. Crystal structure of titanium, zirconium, and hafnium at high pressure // Science. 1963. V. 140. № 3562. P. 72–73.
  34. Hatt B.A., Roberts J.A. The w-phase in zirconium base alloys // Acta Met. 1960. V. 8. № 8. P. 575–584.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Результаты EBSD-анализа структуры исходного образца: а — ориентационная карта; б — гистограмма распределения взаимных разориентаций зерен и субзерен; в — распределение зерен по размеру [31].

Скачать (779KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Микроструктура исходного образца (ПЭМ): а — светлопольное изображение с микроэлектронограммой; б — темнопольное изображение в рефлексе β-фазы.

Скачать (225KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты EBSD-анализа структуры поверхности образца после лазерной обработки: а — ориентационная карта; б — распределение зерен по размеру; в — гистограмма распределения взаимных разориентаций зерен и субзерен.

Скачать (648KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Профили разориентировки структурных элементов вдоль выбранных направлений 1, 2, 3 на ориентационной карте.

Скачать (292KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Тонкая структура мартенсита в микропакете: а — светлопольное изображение с микроэлектронограммой; б – темнопольное изображение, полученное в рефлексе (100) α` (указан стрелкой на микроэлектронограмме).

Скачать (217KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Тонкая структура мартенсита в соседних микропакетах; а — светлопольное изображение; б, в — темнопольные изображения, полученные в рефлексах: б — ТП1 (002)α`; в — ТП2 (201)ω; г — микроэлектронограмма.

Скачать (555KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Участок дифрактограммы исходного (1) и обработанного лазером (2) образцов. Штрихами показаны табличные значения углов отражения от плоскостей α(α`) — ▲, и ω-фаз — ■.

Скачать (119KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Тонкая структура равноосных зерен α-Zr: а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение, полученное в рефлексе (100)α (указан стрелкой на 8в); в — микроэлектронограмма.

Скачать (268KB)
Метаданные


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».