4. Формирование диффузионного слоя при ионном азотировании.

При азотировании в тлеющем разряде положительные ионы диффундирующего элемента (азота, аммиака) под действием энергии электростатического поля приобретают скорость, вектор которого направлен нормально к обрабатываемой поверхности (катоду).

При бомбардировке катода кинетическая энергия иона расходится на нагрев поверхности и на отрыв электронов и атомов железа. Атомы железа соединяются с азотом, образуя нитрид железа, который адсорбируется на поверхности катода в виде равномерного слоя. Концентрация азота в нитридном слое варьируется от 5,9 до 17% по массе. Напыленный слой нитридов под действием ионной бомбардировке разлагается с получением низких нитридов Fe (от FeN  Fe₃N  Fe₄N) и азотистого -твердого раствора -Fe_N.

Полученный при распаде низшего нитрида азот диффундирует в поверхностный слой, образуя зону внутреннего азотирования, а Fe, обедненное азотом, вновь распыляется в плазму. Процессы образования нитридов в прикатодном пространстве и их осаждение на катоде непрерывно повторяются. При ионной бомбардировке достигается идеальная депассивация поверхности за счет удаления окисных пленок, напыляется пленка нитридов, происходят сложные физико-технические процессы в поверхностном слое катода, которые приводят к изменению тонкой структуры металла. При соударении ионов азота с атомами кристаллической решетки в тонком поверхностном слое металла возрастает плотность дефектов. При ионном азотировании на начальных стадиях процесса значительная часть азота диффундирует не по границам, а по объему ферритных зерен, по дислокационным каналам. Высокий градиент концентрации устанавливается в первые минуты насыщения (до 20 минут), активация поверхности и эскалация дефектов в поверхностной зоне сопровождается интенсивным поглощением азота и завершением формирования слоя по твердости в течение первых 5 минут процесса 3.

В поверхностно упрочненных материалах на границе раздела поверхностный слой-подложка под действием термических 4 или механических 5 напряжений возникают осциллирующие контактные напряжения. Места максимумов напряжений можно рассматривать как концентраторы напряжений мезомасштабного уровня. При нагружении таких материалов пластическая деформация и разрушение на мезомасштабном уровне играет важную роль с самого начала нагружения. В связи с этим представляет интерес исследование процессов пластической деформации поверхностно упрочненных материалов с позиции физической мезомеханики.

2.Основные положения. Физическая мезомеханика поверхностно упрочненных сталей.

В соответствии с представлениями физической мезомеханики материалов пластическая деформация происходит взаимосогласованно на разных масштабных уровнях.

Для реализации процесса пластической деформации на каком-либо масштабном уровне необходимо наличие соответствующих концентраторов напряжений и возможность локализации на данном уровне. В структурно-неоднородной среде мезоконценраторы напряжений возникают на поверхностях, границах раздела, зонах стесненной деформации. Возникновению мезоконцентраторов напряжений способствует затрудненность деформации на микромасштабном уровне.

Обычно пластическая деформация поликристаллических образцов при статических испытаниях начинаются на микроуровне движением дислокаций.При увеличении деформирующих напряжений, когда деформация на микроуровне в следствии деформационного упрочнения затрудняется, вовлекается мезоуровень деформации.

Процессы на мезоуровне накладываются на процессы движения дислокаций (деформацию на микроуровне), что затрудняет изучение деформации на мезоуровне в чистом виде.

Возможность распространения мезополос локальной деформации определяется видом материала, параметрами его структуры, состоянием поверхности, условием нагружения.

Наличие в образце упрочненного слоя будет препятствовать формированию поверхностного рельефа и тем самым затруднять движение дислокаций на микроуровне. На границе раздела упрочненный слой -не упрочненный объем образца возникают осциллированные контактные напряжения. Величена распределение этих контактных напряжений соответствует мезомасштабному уровню. Их релаксация может происходить путем образования полосовых структур. Таким образом, можно ожидать что при растяжении поверхностно-упрочненных образцов пластическая деформация на мезоуровне с самого начала пластического течения будет происходить на фоне слабо развитого дислокационного скольжения во всем объеме образца.