Амплитуда тепловых колебаний атомов как характеристика повреждаемости металла
Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №1(137)
Рубрика: Технические науки
Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №1(137)
Амплитуда тепловых колебаний атомов как характеристика повреждаемости металла
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-08-01265.
Проблемы прочности, долговечности и коррозии элементов энергетического оборудования являются актуальными для современной энергетики [1–3]. Зачастую они связаны с повреждаемостью, которая проявляется различными изменениями структуры материала – сдвиговыми процессами внутри зерна, образованием двойников, дроблением зёрен, образованием пористости, перекристаллизацией упрочняющих фаз и так далее, вызывая снижение ресурса. Поэтому для оценок повреждённости используют характеристики кратковременной и длительной прочности, ползучести, многоцикловой усталости, а также некоторые физические характеристики, которые в ряде случаев становятся мерой количественной оценки степени повреждённости материала (микротвёрдость, 
, 
) [4–7].
Известно [8], что разрушение определяется процессами накопления повреждений на разных масштабных уровнях:
- макроскопический уровень, связанный с разрушением тела (свойства I рода);
- микроскопический уровень, обеспечиваемый прочностью микрочастицы (свойства II рода);
- субмикроскопические повреждения, связанные с прочностью межатомных связей, обеспечивающих сцепление в материале (свойства III рода).
Цель настоящей работы заключается в установлении взаимосвязи между интенсивностью коррозионных повреждений стали и субмикроскопическими свойствами III рода.
В качестве параметра субмикроскопических свойств выбраны среднеквадратичные смещения атомов в элементарной кристаллической решётке, которые могут быть измерены методом рентгеновской дифракции, поэтому для реализации поставленной цели за базовый выбран метод рентгенографии [9]. Работа выполнена с применением рентгеновского дифрактометра типа ДРОН (Россия).
В качестве объекта исследований выбрана жаропрочная трубная сталь марки 15ХМ феррито-перлитного класса, применяемая для паропроводов, пароперегревателей, коллекторов и т.п. Химический состав стали (% по массе): 0,11–0,18 С; 0,8–1,1 Cr; 0,4–0,55 Mo; 0,17–0,37 Si; 0,4–0,7 Mn; ≤ 0,25 Ni; ≤ 0,20 Cu; ≤ 0,035 S; ≤ 0,035 P; остальное – железо.
Колебания атомов в кристаллической решётке реального кристалла весьма сложны, однако, на основании рентгенометрии по интегральным интенсивностям дифракционных линий можно оценивать среднеквадратичные смещения атомов 
[9, 10, 11]:
где, 
– порядок отражения; 
– межплоскостное расстояние, Å; 
– интегральная интенсивность для деформированного образца; 
– интегральная интенсивность для недеформированного образца (эталона).
Интегральная интенсивность дифракционных линий определялась на рентгеновском дифрактометре методом набора импульсов как площадь под кривой профиля дифракционной линии.
Исследованию подвергались восемь образцов № 1 – № 8 и стали 15ХМ.
На рис. 1 представлены экспериментальные результаты изменения массы исследуемых образцов в процессе коррозионных испытаний.
Рисунок 1. Удельный прирост массы образцов из стали 15ХМ после коррозионных испытаний
Влияние процесса коррозии на амплитуду тепловых колебаний атомов иллюстрируется на рис. 2.
Рисунок 2. Среднеквадратичные отклонения атомов
Величина среднеквадратичных смещений 
отражает коллективные свойства атомов вследствие наличия связанных состояний. Эта связанность определяет амплитуду . Изменение связанности этих состояний сопровождается эффектами изменения .
На границах зерен или свободных поверхностях большинство связей сильно напряжены, а в тех случаях, когда межатомные расстояния увеличиваются более чем на 10 – 15 %, связи могут быть разрушены. Атомы находятся в неравных условиях в зависимости от типа границ и их химического состава. При этом всегда возможен процесс локального ослабления и разрыва межатомных связей, что сопровождается возникновением микропор или микротрещин и интенсификацией коррозии. Можно отметить (рис.1,2), что коррозионные повреждения сопровождаются «расшатыванием» и значительным увеличением амплитуды среднеквадратичных отклонений 
. Таким образом, чувствительным датчиком повреждаемости при коррозии являются среднеквадратичные отклонения атомов .
Заключение
1. Проиллюстрирована корреляция между субмикроскопическими свойствами и интенсивностью коррозионных повреждений.
2. Чем выше среднеквадратичные отклонения атомов, тем интенсивнее коррозия.
3. Показано, что амплитуда тепловых колебаний атомов, являясь характеристикой прочности межатомных связей, может быть диагностическим признаком накопления и развития повреждаемости металла от коррозии и внутриструктурным признаком коррозионной стойкости.
