ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4160 ВСТУП Відомо, що за допомогою лазерного легуван- ня можна формувати поверхневі шари різно- го функціонального призначення. Традицій- но такі шари володіють підвищеною твердіс- тю, зносотривкістю, корозійною тривкістю [1, 2]. Оскільки корозійнотривкі сталі вико- ристовують в різних галузях науки і техніки, то поряд з цими властивостями важливо оці- нити зміну інших функціональних власти- востей поверхневих шарів досліджуваних сталей після лазерного модифікування. При цьому необхідно встановити вплив топогра- фії розташування атомів азоту та хрому на електрофізичні властивості системи як на макрорівні, так і на мікрорівні. Для цього доцільно провести моделювання електрон- ної будови досліджуваної сталі у вихідному стані та після поверхневого лазерного легу- вання. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТУ Основою для створення корозійнотривких сталей є тверді розчини хрому та інших легу- вальних елементів в α-Fe, наприклад Fe α (С, Cr). Змінюючи концентрацію хрому, розчи- неного в кристалічній гратці Fe α (К8), мож- на одержати корозійнотривкі сталі різних структурних класів від ферито-мартенситно- го до чисто феритного. При цьому безпереч- но буде змінюватись електронна конфігура- ція в околі атомів заліза (основи твердого розчину). Під час лазерного легування, коли в по- верхневий шар модифікується велика кіль- кість легувальних елементів, слід очікувати ще більш інтенсивної зміни електронної бу- дови. В такий спосіб вдається суттєво зміни- ти функціональні властивості поверхні, а са- ме електропровідність та магнітні властивос- ті. Про утворення структурних бар’єрів, що змінюють властивості матеріалу, йдеться в наших попередніх роботах [3, 4]. Тому в яко- сті об’єкта дослідження обрані модельні сис- теми “Fe α (С, Cr) – Cr” у вихідному стані та після лазерного легування “Fe α (С, Cr)-Cr, N”, що за хімічним складом відповідають коро- зійнотривкій сталі 12Х17Т ферито-мартен- ситного класу (рис. 1). Лазерне легування проводили на СО 2 -ла- зері потужністю 6,5 кВт неперервної дії фір- ми “TRUMPF” з системою сегментних дзер- кал для трансформації лазерного променя круглої форми у прямокутну, з довжиною хвилі випромінювання 10,6 мкм та швидкіс- УДК. 669.14.018.025 МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОННОЇ БУДОВИ МІКРОКРИСТАЛІЧНИХ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ, ОДЕРЖАНИХ ЛАЗЕРНИМ МОДИФІКУВАННЯМ З.А. Дурягіна * , Н.І.Павленко ** , Н.В. Щербовських * * Національний Університет “Львівська Політехніка” Україна ** Інститут фізики конденсованих систем (Львів) Україна Надійшла до редакції 14.11.2008 Досліджено електронні властивості сталі 12Х17Т шляхом моделювання та аналізу систем методом функціоналу електронної густини (LSDA). Показано вплив топографії розташування атомів хрому та азоту у міжвузлах кристалічної гратки К8 на формування необхідного рівня електрофізичних властивостей. а) б) Рис. 1. Мікроструктура сталі 12Х17Т: а) у вихідному стані (×300); б) після лазерного легування (×500). ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 161 тю сканування променя за поверхнею зразка 990 – 1999 мм/хв. В роботі [5] показано, що при такій обробці на поверхні сталі утворю- ється дрібнокристалічна структура із мікро- твердістю, що у 3 – 5 разів перевищує мікро- твердість вихідного матеріалу. Це поясню- ється утворенням коміркової дислокаційної структури, що сприяє інтенсифікації розчи- нення атомів азоту у твердому розчині Fe α (С, Cr) з одночасним утворенням дрібнодиспер- сних нітридних (TiN, Fe 4 N) та карбідних (Cr 7 C 3 , Cr 23 C 6 ) фаз. Металографічним аналізом виявлено, що зона лазерного легування за глибиною зраз- ків нерівномірна. Легований шар представ- ляє собою дрібнодисперсну структуру з вклю- ченнями карбідів та нітридів (рис. 1б). Розмір зони термічного впливу практично співмір- ний із глибиною легованого шару. Починаю- чи від поверхні розмір зерна градієнтно збі- льшується від оплавленої зони через зону термічного впливу до структури основного матеріалу. Дослідження впливу зміни концентрацій хрому та азоту на властивості поверхневих шарів сталі 12Х17Т проводили аналітично методом функціоналу електронної густини (LSDA) на підставі аналізу розрахунків елек- тронної структури спеціально згенерованих модельних систем. Для цього було здійснено структурну релаксацію згенерованих ґраток, де локальні зміщення атомів отримували із критеріїв мінімуму повної енергії системи та мінімізації сил, які діють на атоми у ґратці. Розташування атомів хрому у міжвузлових позиціях породжує сили, які зміщують атом- ні позиції у модельній суперкомірці. Повна ґраткова релаксація системи із 12% концен- трацією хрому викликає стабілізацію нової низькосиметричної структури типа рутилу. У такій структурі локальні атомні зміщення призводять до кластеризації атомів заліза у підґратці і, як наслідок, до формування двох підґраток вершино поєднаних октаедрів Fe 6 (рис. 2). Перший тип таких октаедрів CrFe 6 містить іон хрому у центрі, тоді як октаедри другого типу Fe 6 характеризуються коротки- ми зв’язками між атомами заліза та не містять атомів хрому. Виявлено, що додаткове впро- вадження атомів азоту призводить до проти- лежної тенденції формування більш однорід- ної структури, що пов’язано із видовженням зв’язків між атомами заліза в октаедрах Fe 6 другого типу. При дослідженні магнітних властивостей кластеризованого фериту виявлено локаль- ний антиферомагнітний стан у безпосеред- ньому оточенні до атомів хрому, тоді як більш віддалені атоми заліза поєднані взаємодіями феромагнітного типу. Локальний антиферо- магнетизм та неоднорідний просторовий роз- поділ магнітних моментів характеризується зменшенням магнітних моментів атомів залі- за у октаедрах CrFe 6 , що може мати важливі наслідки для формування магнітних власти- востей сталей. Порівняння одержаних нами результатів із відомими обчисленнями, виконаними для сплавів заміщення Fe-Cr показали, що в та- ких системах заміщення атомів заліза атома- ми хрому не викликає появу значних додат- кових локальних деформацій. Це своєю чер- гою виключає явище кластеризації атомів заліза та всі інші ефекти безпосередньо по- в’язані із локальними зміщеннями. У цьому випадку імплантація атомами хрому криста- лічної гратки Fe α призводить до формування явища локального антиферомагнетизму [6]. Це додатково підтверджує унікальні можли- вості зміни електронних властивостей сис- Рис. 2. Розміщення атомів хрому у міжвузлових по- зиціях у модельній системі, що містить 12% Сr. З.А. ДУРЯГІНА, Н.І.ПАВЛЕНКО, Н.В. ЩЕРБОВСЬКИХ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4162 тем на основі кристалічної гратки К8 отри- мані завдяки локалізації розташування ато- мів хрома саме у міжвузлових позиціях. При аналізі електронної структури мето- дом спін-поляризованого функціоналу гус- тини встановлено, що в структурах типу Fe α , легованих атомами хрому, релаксація цих атомів може викликати якісну зміну елект- ронних властивостей. Зокрема, у спіново-по- ляризованій системі “Fe α (С, Cr) – Cr” зафік- совано значне зниження густини електронів біля рівня Фермі для спінових станів одного напрямку (випадок “spin up” на рис. 3). В той же час густина спінових станів біля рівня Фермі для протилежного напрямку спіну (випадок “spin down” на рис. 3) залишається суттєвою. Таким чином, структурна релаксація кри- сталічної гратки твердих розчинів у дослід- жуваних системах тісно пов’язана із можли- вістю виникнення нового напівметалічного стану, де перенесення заряду може відбува- тись лише для електронів із тим самим зна- ченням спіну, що приводить до виникнення спін-поляризованого струму. Зокрема в такій спіново-поліризованій системі зафіксовано значне зниження густини електронних ста- нів одного напрямку біля рівня Фермі. Ви- явлений ефект може мати пряме технологічне використання у пристроях спінтроніки, де сформовані у такий спосіб структурні моди- фікації могли б застосовуватись як поля- ризатори струму у транзисторах. ВИСНОВОК В результаті проведених досліджень нами підтверджена концепція регульованої зміни функціональних властивостей поверхні шля- хом регулювання її структурних параметрів. Зокрема, лазерне легування атомами хрому або азоту поверхневих шарів сталі ферито- мартенситного класу марки 12Х17Т дає мож- ливість змінювати густину електронних ста- нів, а, відповідно, і електронні властивості поверхні. ЛІТЕРАТУРА 1. Дурягіна З.A., Лизун О.Я., Пілюшенко В.Л., Сплави з особливими властивостями. – Львів, вид-во Львівської політехніки, 2007. – 236 с. 2. Duriagina Z., Yeliseyeva O. Tworzenie siе warstw ochronnych na stalach nierdzewnych po zanurzeniu w stopionym oBowiu//Inzynieria powierzchni. – 2005. – № 1. – Р. 43-48. 3. Дурягіна З.А., Лазько Г.В. Вплив комплекс- ного лазерного легування Nb та N на характер структуроутворення в приповерхневих шарах нержавіючих сталей//Машинознавство. – 2005. – № 4 (94). – С. 52-55. 4. Патент №17292UA, B 21F21/00, D21C9/00. Структурний бар’єр на поверхні конструк- тивних елементів атомного енергетичного обладнання/Дурягіна З.А., Алімов В.І., Теп- ла Т.Л., Штихно А.П. Заявл. 03.04.2006. Опубл. 15.09.2006, Бюл. № 9. 5. Дурягіна З.А., Лазько Г.В., Пилипенко Н.В. Комп’ютерне моделювання оптимальних па- раметрів лазерного легування корозійнот- Рис. 3. Інтенсивність електронної спінової густини структурно оптимізованого Fe α , що містить 12% Cr у міжвузлових позиціях для енергетичного проміжку E від –0,4 еВ нижче рівня Фермі до E F . МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОННОЇ БУДОВИ МІКРОКРИСТАЛІЧНИХ ПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ, ОДЕРЖАНИХ ЛАЗЕРНИМ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 163 ривких сталей//Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. Запоріжжя, ЗНТУ. – 2008. – № 1. – С. 20-25. MODELLING OF ELECTRONIC CONSTRUCTION OF MICROCRYSTALLINE SURFACE LAYERS OBTAINED BY LASER MODIFYIG Z.A. Duraygina, N.I. Pavlenko, N.V. Zhcerbovskix It was research the 12X17T steel electron proper- ties by modeling and analysis system by local spin density approximation (LSDA). Was show the in- fluence topography placing of the atoms chromium and nitrogen in the interstitial site in the lattice К8 on the formation necessary level the electrophysical properties of the steels. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЛАЗЕРНЫМ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ З.А. Дурягина, Н.И. Павленко, Н.В. Щербовских Исследованы электронные свойства стали 12Х17Т путем моделирования и анализа систем методом функционала электронной плотности (LSDA). Показано влияние характера топографии расположения атомов хрома и азота между узла- ми кристаллической решетки К8 на формирова- ние необходимого уровня электрофизических свойств. 6. Paduani C. and Krause J.C. A first principles study of Cr impurities in iron. Braz//Journ. of Physics. – 2006. – № 1262. – С. 36. З.А. ДУРЯГІНА, Н.І.ПАВЛЕНКО, Н.В. ЩЕРБОВСЬКИХ