Метод оценки эффективности поверхностной упрочняющей обработки

Сварные соединения являются наиболее капризные к влиянию экстремальных условий (низкие температуры, уязвимыми местами высокоответственных знакопеременные нагрузки и т. д). Это связано с конструкций, особенно при их эксплуатации в тем, что в процессе сварки в материале шва и околошовной зоны формируется резкая неоднородность химического состава, структуры и дефектности, которые влияют на механические свойства материалов и эксплуатационную надежность конструкции. Для уменьшения влияния указанных неоднородностей используют разнообразные технологические приемы, такие как специальные режимы сварки или комплексную термическую обработку. Значительное повышение эксплуатационных характеристик сварных соединений, работающих в условиях знакопеременного нагружения можно достигнуть путем их ударной ультразвуковой обработки (УУО).

Поскольку усталостные испытания являются длительными и дорогостоящими, то для оценки эффективности ультразвуковой обработки сварных швов с целью повышения их усталостной долговечности актуальна проблема разработки менее дорогих и трудоемких методов. Был предложен метод оценки эффективности поверхностной упрочняющей обработки алюминиевого сплава с целью повышения его усталостной долговечности по результатам испытания образцов активным растяжением. Метод основан на фрактальном анализе деформационной структуры поверхностно упрочненных образцов при активном растяжении. Сопоставление полученных количественных характеристик с результатами усталостных испытаний образцов позволяет оптимизировать режимы поверхностной упрочняющей обработки.

Целью настоящей работы являлось исследование влияния ударной ультразвуковой обработки на характер формирования фрактальной структуры в области сварного шва и околошовной зоны высокопрочной стали при усталости.

в процессе усталостных испытаний образцов в сварном шве, двух зонах термического влияния и прилегающих к ним зонах основного материала. Образцы и методика исследования Исследовали образцы высокопрочной стали hid-12 со сварными швами, разрушенные в процессе усталостных испытаний. Образцы были двух типов:

а) без ультразвуковой обработки;

б) после ударной ультразвуковой обработки.

Разрушение образцов во всех случаях произошло в зоне термического влияния. С помощью фрактального анализа оптических изображений деформационного рельефа образцов на разном расстоянии от места разрушения проводили их количественную характеристику по методике. Анализ проводили на обеих половинках разрушенных образцов. Изображения снимали, начиная от места разрушения по трем дорожкам вдоль продольной оси образца на длине 25 мм с шагом 1 мм. Полученные результаты для трех дорожек усредняли. Таким образом, были получены количественные характеристики деформационного рельефа.

Изображения поверхности разрушенных образцов вблизи от места разрушения:

а) необработанный образец;

б) образец, после ультразвуковой обработки;

в) зависимость корреляционных сумм от расстояния между точками изображений.

Анализ поведения зависимостей корреляционных сумм от расстояния между точками изображений позволил выделить четыре участка Ц, Ц, L3, L4 (в). На участках Ц, Ц, 13 экспериментальные точки описывали прямыми линиями с наклоном по отношению к осям. На четвертом участке L4 зависимость корреляционных сумм от расстояния обнаруживает флуктуирующий характер, что свидетельствует об отсутствии корреляции между точками изображений.

Фрактальная размерность Dc2 и верхняя граница длины корреляции Lmax2 на разном расстоянии от места разрушения для двух половинок образцов:

а) необработанный образец;

б) образец после УУО.

Фрактальная размерность Dc3 и верхняя граница длины корреляции L на разном расстоянии места

разрушения для двух половинок образцов:

а) необработанный образец;

б) образец после УУО.

По мере удаления от места разрушения обработанного и необработанного образцов характеристики Dc2, Lmax2, Dc3, Lmax3 существенно изменяются. Флуктуации свидетельствует о сильной неоднородности распределения пластической деформации в области сварного шва и зон

термического влияния и ее более однородном распределении при переходе к основному материалу. Ширина зоны интенсивной пластической деформации в области сварного шва и зон термического влияния необработанного образца составляет около 8 мм, что существенно меньше, чем ширина аналогичной зоны для обработанного образца -20 мм (б, 3 б). Наблюдается заметная разница в абсолютных значениях Dc2, Lmax2, Dc3, Lmax3 для левой и правой половинок необработанных образцов при удалении от места разрушения на расстояние Li ± 6 мм. Абсолютные значения указанных характеристик для левой и правой половинок образцов обработанных ультразвуком практически одинаковы на расстоянии L — 10 мм и Li 12 мм. Это свидетельствует о том, что ударная ультразвуковая обработка образцов приводит к уменьшению степени локализации пластической деформации в сварном шве и зонах термического влияния и более однородному ее распределению по рабочей части образцов при усталости. Таким образом, приведенные данные указывают на высокую эффективность фрактального анализа для характеристики особенностей формирования фрактальной структуры в области сварных швов высокопрочной стали при усталости и возможность оценки влияния их ударной ультразвуковой обработки.

Современная технология интегральных схем развивается в направлении уменьшения размеров приборов и увеличения плотности упаковки схем на кристалле. В результате уменьшения ширины и толщины металлических соединений плотность тока в них составляет 10М07 Асм2. Электрический ток такой высокой плотности вызывает значительный нагрев проводящих и изолирующих слоев из-за выделения джоулева тепла. Суммарное действие внутренних напряжений, возникающих в процессе нанесения металлической пленки, напряжений, вызванных электромиграцией, а также термических напряжений, приводит к деградации тонких металлических соединений при пропускании электрического тока высокой плотности. Перенос массы при электромиграции и релаксация внутренних напряжений, развивающихся при термическом воздействии обусловливают формирование полостей и холмиков на поверхности металлических соединений, приводящих разрушение проводящих и изолирующих слоев в многослойных структурах.

Данная работа посвящена исследованию морфологии поверхности пленок Си при повенных температурах. Методика эксперимента Тонкие пленки Си наносили на SiOSi методом термического осаждения. Толщина пленок составляет 450 нм.

Термический отжиг пленок проводили в течение 1 часа в вакууме 1г10-5 Па при температурах от 100 до 500 С.

Исследования морфологии поверхности пленок Си проводили с помощью атомно-силового микроскопа СММ-2000ТА, (ЗАО КПД Москва, МИЭТ). в атмосферных условиях при комнатной температуре. Сканирование кантилевера по поверхности проводилось при поддержании с помощью обратной связи постоянного значения тока фотодиода, что соответствует сканированию в режиме с постоянной силой взаимодействия зонд-подложка.

Экспериментальные данные и их обсуждение Исходная поверхность пленок характеризуется мелкозернистым рельефом со средним латеральным размером зерен 30 нм. Поверхностная структура является однородной, и распределение зерен по размерам — одномодальным.

Изменение рельефа поверхности пленок Си в процессе термической обработки обусловлено развитием двух конкурирующих процессов ростом зерен и формированием холмиков на поверхности пленок. Размер зерна увеличивается с ростом температуры по экспоненциальному закону и при Т500С достигает 350 нм. В то же время, начиная с Т200С на поверхности пленки наблюдается формирование холмиков с латеральными размерами 400-600 нм и высотой до 25 нм.

После отжига при температуре Т500С наблюдается повсеместное образование холмиков. Их латеральные размеры увеличиваются до 600-700 мкм, а высота достигает 70 нм.

Изменение рельефа поверхности тонких пленок под действием термического отжига обусловлено двумя основными факторами внутренними напряжениями, развивающимися в пленке во время нагрева и охлаждения, а также диффузионными процессами вследствие возросшей подвижности атомов.

Из-за различия коэффициентов термического расширения (КТР) Da подложки Si и пленки Си в последней в процессе отжига развиваются сильные биаксиальные напряжения. Величину и знак этих напряжений можно оценить путем умножения биаксиального модуля упругости пленки М на Da. Поскольку КТР Си (гЧО6 град) значительно больше, чем у кремния (З. ОгЧО-6 град), то WCuDaSi Cu -2.4 МПаград. То есть в процессе нагрева в пленке будут развиваться сжимающие напряжения. Величина этих напряжений составляет 420 МПа при температуре 200С, а при 500С термические напряжения могут достигать 1140 МПа.