Методика расчёта остаточных концентрационных напряжений

Как показано в ряде литературных источников (в частности в работах [17, 36, 37]), установить связь между технологическими параметрами имплантации и механическими свойствами обработанных изделий возможно путем расчета полей концентрационных напряжений. Возникновение напряжений при имплантации обусловлено внесением в поверхностный слой обрабатываемого материала примеси и различного рода радиационных дефектов в высокой концентрации, которые деформируют кристаллическую решетку [17].

Будем считать, что глубина модифицированного слоя значительно меньше размеров обрабатываемого изделия. Тогда имплантированный инструмент можно схематизировать как полупространство. Предполагаем, что до обработки поверхность была свободна от напряжений, а начальные концентрации дефектов и примесей равнялись нулю, при наличии примесей и дефектов поверхностный слой растягивается или сжимается и затем остается в таком состоянии. Напряжения в поверхностном слое описываются уравнением (2.40).

Величина δV определяется в соответствии с зависимостями, приведенными в [36]. Согласно им релаксационный объем вакансии . Вакансии и примеси замещения, имеющие атомный объем меньший, чем атомный объем матрицы, имеют . В этом случае концентрационные напряжения являются растягивающими. Примеси внедрения и крупные примеси замещения создают поля сжимающих напряжений [36, 37]. Как показано в [36], имплантированные атомы азота являются примесью внедрения.

Для расчета концентрационных напряжений необходимо определить параметры уравнения (2.40) для примесных атомов и вакансий.

Таким образом, методика расчета остаточных концентрационных напряжений включает в себя:

1. Расчет по формулам (3.11) и (3.12) распределений азота и вакансий по глубине материала: C_i(x) и C_v(x).

2. Определение остаточных концентрационных напряжений по формуле (2.40).

Расчет параметров физических процессов, происходящих при ионной имплантации, производился с помощью разработанного для этой цели программного обеспечения (см. Приложение 1). Результаты расчёта по описанным методикам с помощью вышеупомянутой программы приведены в следующем разделе.

4. Результаты расчёта параметров процессов взаимодействия имплантируемых ионов с материалом подложки

В соответствии с предложенной методикой проведён расчёт характеристик распределения азота (средний проецированный пробег R_p и страгглинг пробега ΔR_p) для встречающихся в сталях фаз при различных значениях энергий ионов с помощью программного обеспечения (приложения А и Б). Результаты расчёта приведены в таблицах 4.1 - 4.4.

Таблица 4.1 - Зависимость пробегов ионов азота от их начальной энергии в диапазоне 1 – 10 кэВ (  Дж)

Таблица 4.2 - Страгглинги пробегов ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ (  Дж)

Таблица 4.3 - Зависимость пробегов ионов азота от их начальной энергии в диапазоне 15 – 40 кэВ (  Дж)

Таблица 4.4 - Страгглинги пробегов ионов азота с энергией 15 – 40 кэВ ( Дж)

Из анализа результатов расчётов, приведённых в таблицах 4.1 - 4.4 следует, что значение пробега существенно зависит от элементного состава и характеристик атомов (M₂, Z₂) материала подложки. Большая величина страгглингов пробегов в таблицах 4.2 и 4.4 по сравнению с пробегами в таблицах 4.1 и 4.3 объясняется тем, что для лёгких ионов азота, когда , происходит сильное рассеяние первичного пучка ионов при внедрении в материал подложки и получается большой разброс пробегов по величине.

Рисунок 4.1 – Зависимость пробегов ионов азота в различных фазах, встречающихся в сталях, в зависимости от энергии имплантации.

На рисунке 4.1 изображён график зависимости пробегов ионов азота в различных фазах в зависимости от энергии имплантации, построенный на основе данных из таблиц 4.1 - 4.4.

Значения пробегов из таблиц 4.1 – 4.4 используются для расчёта распределения ионов азота в поверхностном слое подложки после ионной имплантации. На рисунках 4.2 и 4.3 приведены графики распределения концентрации азота и распределения дефектов по глубине подложки из стали Р6М5, полученные на основе результатов расчётов с помощью разработанного программного обеспечения (приложение 1). Вычисления проводились для энергий ионов 2, 4,5 и 7 кэВ. Доза имплантации составляла 10²¹ м^-2.

Рисунок 4.2 – График распределения внедрённой примеси в стали Р6М5 после имплантации.

Рисунок 4.3 – График распределения дефектов в стали Р6М5 после имплантации.

Анализ графиков на рисунках 4.2 и 4.3 показывает, что максимум концентрации дефектов находится приблизительно на 20 Å глубже максимума концентрации примесных атомов. Также получается, что максимальная концентрация дефектов превышает максимальную концентрацию внедрённой примеси, например, при 2 кэВ в 3,4 раза, и, с увеличением энергии, максимумы концентраций резко сближаются до почти полного совпадения при 7 кэВ. Это объясняется тем, что с увеличением начальной энергии иона уменьшается вклад ядерного торможения в общие потери энергии. Например, из (2.4) следует, что при E _кр > 1,7 кэВ для фазы α-Fe ядерные потери, которые определяют величину коэффициента k_di в (3.12), становятся пренебрежимо малыми. Таким образом для 2 кэВ большую часть общих потерь энергии составляют ядерные потери энергии, а для 7 кэВ электронные потери энергии.

Из анализа графиков на рисунках 4.2 и 4.3 можно предположить, что на физико-механические характеристики поверхностного слоя образцов из стали Р6М5 более существенное влияние оказывают вакансии, чем примесные атомы, что согласуется с данными работ [3, 58, 89, 93].

Рисунок 4.4 – График распределения остаточных концентрационных напряжений в стали Р6М5 после имплантации.

По результатам расчёта распределений дефектов и примесных атомов на рисунке 4.4 построены графики остаточных концентрационных напряжений в стали Р6М5 в безразмерных координатах σ/μ, где μ – модуль Юнга стали Р6М5. Для аналогичных условий проведения процесса имплантации азота (сталь Р6М5, энергия ионов 2, 4,5 и 7 кэВ, доза имплантации 10²¹ м^-2) в литературе [3] приведены экспериментальные данные по изменению относительной микротвёрдости η:

, (4.1)

где HV₁ – микротвёрдость образца после ионной имплантации азота, HV – микротвёрдость образца до имплантации.

Экспериментальные данные по изменению относительной микротвёрдости объединены в таблице 4.5 с данными характеристик имплантации ионов азота с энергией 2, 4.5 и 7 кэВ для стали Р6М5, взятых из таблиц 4.1 - 4.4 и из анализа графиков, приведённых на рисунках 4.1 – 4.4.

Таблица 4.5 - Зависимость характеристик материала подложки от энергии имплантируемых ионов

Из анализа данных, приведённых в таблице 4.5 следует, что с увеличением энергии на 2,5 кэВ относительная микротвёрдость увеличивается в среднем на 21 %. Увеличение микротвёрдости объясняется тем, что с повышением начальной энергии ионов они проникают на большую глубину, и их распределение по глубине становится более равномерным. Следовательно, более равномерно распределены и напряжения сжатия, благодаря действию которых происходит упрочнение материала. Также необходимо отметить, что с повышением энергии иона уменьшается концентрация вакансий (они создают напряжения растяжения, разупрочняющие материал), а значит уменьшается вклад создаваемых ими напряжений в остаточные концентрационные напряжения.

Из анализа результатов расчётов, приведённых в таблице 4.5 и графика на рисунке 13 следует, что для стали Р6М5 при дозе имплантации 10²¹ м^-2 максимальные остаточные концентрационные напряжения σ_max меньше предела прочности при разрыве σ_в. Таким образом, модифицированный поверхностный слой материала подложки обладает некоторым запасом прочности и, если напряжения, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации изделия не будут превышать σ_в, то изделие пригодно к эксплуатации; иначе в его поверхностном слое могут возникнуть трещины и произойдёт разрушение материала.

Итак, складывая остаточные концентрационные напряжения σ_max и эксплуатационные напряжения σ_эксп (которые определяются на месте эксплуатации), мы можем предсказать, выдержит ли материал нагрузки при эксплуатации. С помощью разработанной методики и программного ообеспечения можно решить и обратную задачу: подобрать такую энергию иона E₀ и дозу имплантации Ф, при которых для данного материала σ_max+σ_эксп<σ_в. Итак, в работе решена поставленная задача – составление прогноза о эксплуатационном поведении материала в зависимости от ТПО. Взаимосвязь между ТПО и эксплуатационными свойствами поверхностных слоёв материала подложки изображена в виде схемы на рисунке 4.5.

Чем больше ток на катоде, тем больше полная доза имплантированных ионов азота, тем выше лежат максимумы концентраций ионов и дефектов после имплантации на графиках их распределений (рисунки 4.2 и 4.3). Чем больше время процесса имплантации, тем более сглажены (максимумы понижаются) кривые распределений дефектов и остаточных концентрационных напряжений, так как в материале подложки происходят процессы рекомбинации точечных дефектов, уменьшающие их концентрацию.

Рисунок 4.5. Схема связи между технологическими параметрами обработки и эксплуатационными свойствами модифицированных поверхностных слоёв материала.

Чем выше напряжение между промежуточным анодом и катодом, между анодом и катодом, между анодом и экстрактором, тем выше энергия иона, а значит больше и его пробег. Вследствие этого сглаживаются кривые распределения ионов, дефектов и остаточных концентрационных напряжений после имплантации. В конечном итоге это сказывается на повышении микротвёрдости и износостойкости поверхностных слоёв легируемого материала.

В следующем разделе описано экспериментальное оборудование, позволяющее производить имплантацию ионов азота с энергией 1 – 10 кэВ (  Дж) в металлы и сплавы.