Механизмы неупругих явлений в высоколегированных твердых растворах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

г

Л

На правах рукописи

УДК 539.67

ГОЛОВИН ИГОРЬ СТАНИСЛАВОВИЧ

МЕХАНИЗМЫ НЕУПРУГИХ ЯВЛЕНИЙ В ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ

Специальность 01.04.07. - Физика твердого тела.

Автореферат

• диссертации lia соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Москва -1998

Работа выполнена в ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина и Российском Государственном Технологическом Университете МАТИ им. К.Э. Циолковского.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, член-корреспойдент РАН ИльКн А.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Н. А. Тяпунина

доктор физико-математических наук, профессор В, А. Удовенко

доктор физико-математических наук, профессор Э. В. Козлов

Ведущая организация:

Физико-технический институт

им. А,Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации срстоится « ? » декабря

1998 г.

в 1] час. на заседании диссертационного Совэта Д 141.04.02 Центрального научно-исследопательского института черной металлургии им. И.П. Бардина по адресу: 107005, г.Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИчермет.

Автореферат разослан « 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, с.н.с.

н. М. Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Основой развития физики твердого тела н физического материаловедения является разработка ровых методов структурного анализа, создание и обоснование адекватных эксперименту теоретических моделей н создание на этой основе материалов с заданным» свойствами. Аналитические возможности механической спектроскопии материалов и, а частности, метода внутреннего трения широко используются при изучении атомного строения материалов и процессов, формирующих их физические, механические К эксплуатационные характеристики. Наиболее пристальным вниманием исследователей пользуются металлы и сплавы г ОЦК и ГЦ« решетками, являющиеся базой многих перспективных конструкционных материалов в промышленности и новой технике.

Созданная Кларенсом Зйнером и развитая в работах зарубежных и отечественны* научных школ Ч. Всрта, К. Шайка, А. Граната, Н, Н. Давиденкйва, Б. И. Фянкельштейна, В, С. Постникова и многих других ученых теория неупругих явлении в твердых телах остается предметом самого пристального изучения в связи с ее широким!? информационными возможностями при изучении атомко-кристаллйческого строения металлов и сплавов. Среди наиболее актуальных вопросов, которые интенсивно обсуждаются на различных специализированных конференциях и Симпозиумах, остается проблема анализа, температурных, частотных, амплитудных и временных спектров поглощения энергии Механических колебаний в легированных твердых растворах внедрения и выявления закономерностей проявления неупругостц при механическом и фазовом упрочнении. Эффективное использование-метода механической спектроскопии в физическом металловедении и, прежде всего, при изучении комплексно легированных си п-вов ограничено отсутствием фундаментальных теоретических н экспериментальных исследований. Такие релаксационные процессы, как эффекты Снука и Фин-• келынтейна-Розина, обусловленные миграцией атомов внедрения (АВ) я металлах с ОЦК и ГЦК решетками, в тройных системах (Ре-АВ-ЛЭ) в широкой области концентраций легирующих элементов (ЛЭ) не получили споего объяснения. Модельные представления, разработанные для чистых металлов, не досппочпы для описания неупругих явлений'в мнпгокдмноиентных системах. Весьма огра-

ннчеиы экспериментальные данные и практически отсутствует анализ механш мов дислокационно-примесного взаимодействия и наведенной дислокационно! релаксации в ГЦК сплавах, хотя при обоснованном выборе объектов изучена такие исследования позволяют выявить новые закономерности структурообразс вания для широкого круга материалов. Последнее требует Не только накогшени фундаментальных Представлений о поведении материалов иод нагрузкой, Но . теоретического анализа механизмов протекающих процессов, разработки физи четких моделей и обоснования критериев их применимости.

Основным результатом таких исследований становится качественная и коли честпенная информация о растворимости И взаимодействии атомов внедрения - атомов замещения (АЗ) между собой и с другими дефектами кристаллическог строения, о характеристиках и механизмах поглощения энергии в сплавах высс кого демпфирования, с высокой добротностью и с эффектом запоминания форм (системы Ге-(Сг, А1, Мо), Ге-Ы!, МЬ-Т1, И-КЧ). Высокая чувствительность и изби рательность неупругих эффектов является основой для использования механиче скон спектроскопии сплавов совместно с другими методами структурного и фи знческого анализа для »»учения кинетики и механизмов фазовых Превратим изотермического, атермического и термоупругого типа (системы Ре - №, II - № упорядочения (Ре - А1) или расслоения твердого раствора (Те - Сг), деформащ онного упрочнения на микро и макроскопическом уровне. Актуальность таки исследований подтверждается фундаментальной и практической значимость! разработок для задач современного материаловедения, связанных с фордШроа; пнем необходимого комплекса физико-механических свойств и прогнозирован}' ем эксплуатационной надежности конструкционных материалов.

Основные научные и практические разработки по теме диссертации выпол нялись в соответствии с планами НИР ЦНИИЧермег и МАТИ, койрдиннру емыми Научным советом АН СССР "Новые процессы получения и обработк металлических материалов" (раздел 2.13.4,5Л.2), Государственной стандартизг ции (раздел ТК-180: Государственная служба стандартных справочных данных Межвузовской научно-технической программой «Физико-химические процеса при взаимодействии водорода с металлическими материалами и водородны технологии» (ГКРФ по высшему образованию, приказ №. .162 от 22.03.1993).

Цель работы - развитие методов анализа, установление закономерностей и механизмов термически активированной И »термической неупругости в ОЦК И ■ ГЦК сплавах; изучение на этой основе особенностей строения легированных тверды* растворах внедрении, процессор межатомного взаимодействия при упорядочен)^!, расслоении, фазовых превращений и формировании высоко-демпфирующего состояния.

В рамках указанного Сравнения поставлены следующие задачи:

1. Установить закономерности формирования низкочастотного релаксационного спектра, обусловленного диффузионной подвижностью атомов внедрения в поле напряжений для легированных неупорядоченных ОЦК-твердых растворов.

2. Разработать и обосновать соответствующие физические модели не;пруго-ст!1, методы анализа и принципы их компьютерного моделирования; получить количественную информацию об атомном строении и параметрах межатомного взаимодействия в многокомпонентных системах.

3. Выявить- роль упорядочения и расслоения сплавов со структурой твердых растворов замещения на основе систем Ра - Сг, Ре - А1 и ТГ* № на характер перераспределения АЗ и обусловленную этим перераспределением неупругость . сплаиов и их охрупчивание.

4. Определить механизмы ц Закономерности проявления релаксационной и гистерезисной неупругости и твердых растворах с ГЦК (Ре-ЬЧ, Ре-№-Мо, Р'е-Сг-N1) и ОЦК (И-М) упаковкой и на этой основе установить влияние строения высокотемпературной фазы на кинетику-фазовых бездиффузиошшх превращений при охлаждении.

5. На основе изучения упругих и неупругих характеристик дислокационной и доменной субструшуры определить принципы формирований высокодемПфи-рующего состояния в ОЦК сплавах с магиитоупругим механизмом поглощения энергии и сделать практические рекомендации по выбору их составов и способов обработки. -

Научи«« новзшй- •

На основе экспериментального и теоретическогр анализа температурных зависимостей внутреннего трения (ВТ) легированных сплавов на основе желрза, хрома, ниобия и титана разработаны физические модели релаксационных Процессов, обусловленных диффузией под напряжением Д0, позволяющие с единых физических цозиций описать влияние атомов замещения и внедрения на акпша-ццонные параметры диффузии углерода, азота и кислорода;

Предложены и обоснованы методы анализа н моделирования релаксационного спектра внутреннего трения в приближении короткодействующего и дально-действующего межатомного взаимодействия в легированных ОЦК твердых растворах, включающие анализ распределения растворенных зюмов в модельном кристалле с использованием ЭВМ/

Определен количественный вклад межатомного взаимодействия в первой И более удаленных- координационных сферах с учетом деформационнрго и ' химического" межатомного взаимодействия при легировании карбидообраэую-щими и некарбидообразукшшми элементами. Получены новые данные р пёре-т распределении атомов внедрения в твердом растворе вокруг атомов замещения при закалке и старении, упорядочении и расслоении.

. Установлено значение критической концентрации карбидообраэующнх легирующих элементов в твердой растворе, выше которой ДЗ не оставляют для А|] в твердом растворе позиций, в которых они не испытывали бы присутствия АЗ. На этой основе предложен и апробирован критерий легировашюсти сплавов со структурой твердых растворов.

Обнаружен эффект расщепления температурных кривых ВТ, обусловленных.

: ' о

диффузионной релаксацией АВ й высоВДхромистам феррите и дана<д о физическая интерпретация на основе процессом спянодального распада (расслоещч) твердого раствора замещения Ре-Сг. Комплексный анализ распада твердого раствора внедрения-замещания позволил .установить кинетику и стадийнбЬть процессов расслоения и охрупчнвания высокохромчстого. феррит, выявить дисло-кацнонно-црнмесный и сегрегационный механизмы завышения сопротивления микронлас пиеской деформации и проявления хрупкости. ' " •

Выявлены закономерности перераспределения атомов углерода при упоря-гочеиии в системе Ре-Л1 ь 1 типу БОз и соответствующие им проявления редакционной, дислокационной и магнитомеханической неупругости. Перераспределение атомов углерода и изменение количества межатомных С-А1 взанмидей-ггвий в процессе упорядочения Изменяет параметры диффузионной релаксации ш механизму Снука. Упорядочение снижает подвижность как Дислокационной, -ак и доменной структур, при воздействии внешних напряжений.

Установлено, что присутствие Водорода В твердом растворе МЬ и Р-Т1-МЬ ¡плаве снижает диффузионную подвижность "тяжелых" ЛВ (на примере кисло-юда). Взаимодействие с атомами водорода повышает энергию активации мигрант атомов кислорода в поле напряжений, Время образования термодинами-1ески стабильных водородных атмосфер на дислокациях при комнатной температуре значительно превосходит время перераспределения водорода в твердом застворе,

Обнаружен эффект дислокационио-усилениоЙ релаксации а ГЦК сплавах на 1СНове железа, определены термоактизационные параметры процесса, влияние :остава, содержания примесей внедрения, степени деформации и деформационного старения, В рамка?< представлений а миграции АВ в "активированных" трисутствием дислокаций объемов нетвердом растворе предложена пшотеза о механизме этого эффекта,

Определена влияние дислокациоцйо-примесного строения высокотемпера-гурной (аустенитпой) фазы ГЦК сплавов железа на ее релаксационную стой-шеть, ккнетику и механизм последующего низкотемпературного бездиффузион-иого превращения. В сплавах ^е-М-Мо, закрепление дислокаций атомами внедрения приводит к смене.кзотермической кинетики МП на атермнческую. Развиты методы построения диагремм изотермического МП по данным ВТ и р. .чета знерпш'активации в системах Ре-№-Мо и Ге-Сг-КЧ-Мо,

Выявлено, что механизм отрыва дислокаций под действием приложенных напряжений в высокотемпературной В 2 фазетщкелида титана (~П-50,6%№) может быть атёрмическим. или термически активированным. Атермическому механизму отрыва соответствует хорошо развитое-МП (В2-> В19') при охлаждении, высокие эффекты запоминания формы и демпфирования, переход к термически

активированному механизму дислокационного отрыва в высокотемпературной фазе затрудняет МП, снижает эффект запоминания формы и демпфирующую способность материала. ,

Установлены закономерности влияния внутренних и внешних факторов на демпфирующую способность ОЦК сплавоп на основе железа с развитым мапш-томеханическим рассеянием энергии механических колебаний, предложена модель поглощения энергии, основгшная на учете взаимодействия границ магнитных доменов с различными дефектами кристаллического строения.

На защиту выносятся следующие положений!

Общие закономерности и систематические данные О влиянии карбндооб-разующах и некарбидообразуюших легирующих элементов на параметры низкочастотного спектра »¡.-'лаксгцин в легированном феррите, обусловленные миграцией атомов внедрения п ОЦК сплавах железа, при. расслоении и упорядочении твердою раствора замещения и в процессе распада пересыщенного твердого раствора внедрения.

2. Физические модели коротко- л дадьцодействующего межатомного взаимсь действия в ОЦК решетке, методы и результаты компьютерного моделирования соответствующих релаксационных процессов для неупорядоченные и упорядоченных сплавов на основ® Бе, Сг, №.

3. Установленные закономерности концентрационного, термическогр и мет ханического влияния на температурный и амплитудный спектр Поглощения энергии и эффект дислокационно-усиленной релаксации в ГЦК сплавах железа, Результаты анализа строения высокотемпературных фаз и их влияния на кинетику и механизм атермического, изо термического и термоупругого мартенситных превращений в сплавах на основе Ре и "Л, Кинетические и энергетические параметры изотермического МП в сплавах систем Ре-КьМои ре-Сг-И,

4. Экспериментальные результаты и концепция влияния закрепления дислокаций в высокотемпературной фазе на тип, кинетику и параметры бездиффузи-ониого изо- и атермического фазового превращения сплавов на основе Ре-№ и 'ЛГчЧ. Данные о влиянии водорода на релаксационные, микродеформационные характеристики и свойства ОЦК сплавов на основе №>; физические представления о перераспределении и взаимодействии водорода и "тяжелых" внедренных

атомов в твердом расг нора я на дислокациях.

5. Данные р влиянри структурных и внешних факторов на мапштоупругое и дислокационнра поглощение энергии и структурную модель взаимодействия доменной структуры и дефектов решетки npj't формировании высокодемпфи-рующего состояния, основанную на принципе аддитивности вкладов внутренних напряжений различного структурного происхождения. Составы и режимы термических обработок сплавов на Fe-Cr основе с добавками Mo, Al, Nb, Zr на вы-сокодемпфирующее состояние с' регламентированным уровнем прочностных характеристик,

Практическая значимость работы.

Обоснованы принципы выбора состава и режимов обработки сложиоли иро-ванных сплавов с регламентированным уровнем демпфирующих и экс.луата-ционых характеристик, Разработки нащли использование:

- при рекомендациях по выбору состава и оптимизирующей свойства обработки для изделий новой технику (КБ Приборостроения), при выборе материалов для шумопогловдающих бытовых компрессоров (ЦНИИМО), при разработке технологии передела' сЛцткоэ прецизионных высокохромистыч сплавов (Электромедаллургический завод "Днепроепецсталь") и обработки мартенепто-старегощей стали ("Sandvik Steel"). "

- при составлении таблиц справочных данных о демпфирующих характеристиках широкого круга Металлических материалов ("Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях. Справочник", М.: Металлургия, 1991); при. разработке и аттестации ГОССТАНДАРТОМ стандартных справочных данных на свойства коррозионно-стойких,;! прецизионных сплавов с заданными коэффициентом теплового расширения И упругими свойствами (Таблицы ССД, ГССД 7584, Изд. стандартов, 1984; СТД СЭй 23-88, Инфцентр системы ССД СЭП, 1988; Таблицы ССД, ГССД 162-93, Изд. стандартов, 1993).

Результаты исследований обобщены в соавторстве в монографии "Механическая спектроскопия металлических материалов" и используются в качестве учебного пособия при подготовке инженеров-физиков, бакалавров и магистров по напранлеш; о "Материаловедение и технология новых материалов''

Алроба[(»Р работы,

Основные результаты по теме диссертации ^ЬЩ доложены и обсуждены;

- на Всесоюзных и Российских совещаниях по механизмам внутреннего тр ния в твердых телах (Кутаиси - 1982, Батуми ч 1985, Ереван - 1987, Воронеж 1993, 1995 гг ). 1V-VIJI Всесоюзных савешдошк по взаимодействию между ди! локациями я атомами примесей и свойствах сплавов (Тула - 1979, 1982, 198 1У88, J991 гг.); конференциях iio вопросам рассеяния энергии при колебания механических систем (Киев - 1986, Каменецк-ПододьскиЙ - 1989 гг.); научи! технических конференциях "Демпфирующие металлические иатерцады" (Кире - 1984, 1988, 1991, 1994 гг), "Новые материалы и технологии манщцостроенш (Москва, МДТИ - 1993, 1994, 1995, 1997 гг.), "Новые конструкционные стали сплавы" (Запорожье - 1986 г.), "Проблемы повышения технического уровг производства черных металлов и сплавов" (Донецк-1987 г.), Выездной научш технический семинар (Волгоград - 1989г.), Школах-семинарах ДНИИЧерм< "Фазовые превращения" (Руза - 1982-1989 гг,); . .

- на Международных и Ёвропейскух Конференциях, в том числе г "Внутреннему трению и рассеяншо ультразвука в твердых телах": ICIFLTAS-

. (Пекин, Китай, 1989), EC1FUAS-6 (Краков, Польша, 1991), ICIFUAS-10 (Рш Игалия, 1993), 1CIFUAS-11 (Пуатъе, Франция, 1996)); по "Маргенснтному пр; вращению" ICOMAT-95 (Лозанна, Швейцария; 19.93); ро тематике создания н< вых материалов и Методов их исследования; Euromat-95 (Венеция/Падуя, Итали ¡995) и Euromat-97 (Маастрихт, Нидерланды, 1997), "Materials Week" (Розенмо США, 1994), Materials Congress (Сайренеестер, Великобритания, 1998), по прс блеме "Взаимодействие дефолтов и неупругие явления в твердых телах" (Тул;

о

1997), на Симпозиумах "Механика и механизмы демпфирования в материалам (Норфолк, США, 1995), "Водород В металлах" (Ле Диабляре, Швейцария, 1996 "Неразрушающие методы исследования матергзлов" (болдер, США, 1997),

- на научных семинарах Института металлофизики ЦНИИЧермет (Г983-199'. 199К гг.), кафедры физики Каирского Университета (Египет, 1993), департамег

л

го в материаловедение (1995) и фишки (199(5) Федеральною Технологкче'сгсог 11нсrirrs it 'Лозанна, Швейцария).

Публикации, По результатам выполненных по теме диссертации исследований имеется 76 публикаций в отечественной и зарубежной печати (в том числе, монография и справочник в соавторстве). Список 46 работ, Приведенных в автореферате, отражает основные положения и содержание диссертационной работы.

Структура н обьвм работы. Диссертация состоит из введения и 6 глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающею 350 наименований. Работа изложена на 274 страницах машинописного текста и содержит 108 рисунков, 47 таблиц.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность проблемы, ее научная и практическая значимость, сформулирована цель проводимого исследования. Указаны основные направления развития теории неупругих явлений в твердых телах. Отмечены достижения и нереализованные возможности механической спектроскопии при изучении строения многокомпонентных сплавов тел путем анализа пеупругого отклика 'физического объекта на внешнее возмущающее механическое поле. Приведена таблица обозначений и сокращений, использованных в работе.

Глава 1. Обзор состояния вопроса.

В первой главе сделан, критический обзор экспериментальных данных и современных теоретических представлений о релаксационной и гистерезисной неупругостн в металлах и сплавах со структурой твердых растворов внедрения и замещения е ОЦК и ГТЦС решетками, Особое внимание уделено вопросам днф: фузии под напряжением атомов внедрения в твердых растворах замещения и анализу низкочастотных релаксационных эффектов как механизму исследования структуры твердых раствороврнедрепця - замещения па атомном уровне. А .цен-тировано внимание иа том', Что при аналитическом описании экспериментальных релаксационных максимумов Снука и Фшткельштенна-Розина в сплавах необходимо учитывать параметр распределения времени релаксации и обусловленное им уп'шрение пиков внутреннего трения. Обсуждены существующие подходы к описанию спектров релаксации и физические модели диффузионной релаксации в легированных твердых растворах внедрения. Рассмотрены механизмы проян-

лсния дислокационной релаксации, механического и магнигоупругого Гистерезиса, основные источники структурного демпфирования и неупругости, обусловленной бездиффузионнымн фазовыми превращениями, а также пути разработки перспективных высоколегированных ферритных сплавов с заданным комплексом эксплуатационных характеристик. Указаны области нерешенных вопросов и сформулированы задачи настоящей работы.

Глава 2. Ma icpmi.ibi и методика исследования.

Обоснован выбор объектов н методов Исследования, сделан анализ погрешностей результатов измерений и расчетных данных. В соответствии с поставленными задачами выбраны следующие объекты исследования:

- модельные материалы:- металлы (Fe, Сг, Nb); сплавы со структурой ОЦК и ГЦК твердых растворов внедрения на основе ре, Cr, Nb, Ti, Легированные Ni, Mo, Al, Nb, Ti и др.;

- экспериментальные сплавы (Х16М4Ц, 08Ю, H24MS, IRK91 Saiidvik Steel);

- промышленные сплавы (20X13, Х17Т, Х25Ю5Т, 36Н, BTl-QO, НТ-50);

Исследованные металлические материалы представляли следующие классы:

сплавы с ОЦК, ОЦТ и ГЦК решетками на основе Fc, в том числе ферритные: Fe-Cr, склонные к расслоению, Fc-Al, склонные к упорядочению, Fe^Cr-Al и др:; аустенитные: Fe-Ni, Fe-Ni-Mo, Fe-Ni-Cr, Fe-Cr-NI-Mo, Fc-Mn-AI, претерпевающую МП в широком интервале температур по атермической и изотермической кинетике, мартенситные: Fe-Cr-ЛЭ, Fe-Cr-Ni-Mo, а также ОЦК сплавы на основе 7i стабильные в широком интервале температур (Ti-Nb) и претерпевающие МП при понижении температуры или приложении напряжений (Ti-Ni).

В общей сложности использовано около 100 различных сталей и сплавов, составы которых обобщены в таблицах в тексте диссертационной записки. Исследованные'материалы относятся к легированным сталям И сплавам с особыми физическими и механическими свойствами, это - нержавеющие и высокопрочные стали, сплавы высокого демпфирования и запоминания формы, сверхпроводящие сплавы, сплавы - накопители водорода. .

Основными методами и~учения структуры и свойств выбранных материалов явились механическая спектроскопия и современные методы структурного и фпзпко-иеханнческогр анализа. ■ -

Использовалась разнообразная текинка измерений внутреннего трения (ГОТ) и модулей упругости (МУ). Описаны возможности и погрешности методик измерений низко- и средиечастотных-установок, работающих с использованием различных схем напряженного состояния: кручение, чистый ц консольный изгиб, рзстяжение-сжатие в диапазоне амплитуд деформаций.(10"1 + 10"2), температур (ВО +1000 К), частот измерения (0,01 Гц + 21 КГц), внешних магнитных полей (0 т 24000 А/м), статического растяжения (0+60 МГГа), микро и макродеформа-цни (Ш6 + 10"'), в условиях вынужденных и свободно затухающих колебаний. Определены неискДшченные погрешности при измерениях значений ВТ и расчетных значений энергий активации релаксационных процессов при использовании различных методик. Апробирован» методы математического анализа сложных (параметр распределения времени релаксации р 5 4) релаксационных эффектов ВТ (несколько дебаенских максимумов с неизвестными параметрами, неизвестное количество максимумов и др.), позволяющие получить наиболее полную информацию о поведении исследуемого объекта и выбрать адекватную физическую модель релаксации.

Приведены характеристики использованных а работа методов ешалнчд I испытаний материалов! дифракционные Методы - рентгенографический и нейгро-по}рафнч£ский анализ, оптическая н электронно-микроскопическая дифракционная и'сканирующая микроскопия, «также использованных методоп механических, физических и технологических пепшаннй: п том числе статических: испытания на растяжение н ежпгое, тр«гго»1ечный- изпаб, релаксацию напряжений, измерения твердости и динамических ударных испытаний (ударная вязкость при температурах от азотной до 600'Р); шпшгнл.чцип позитронов, магнитометрия, тепловые методы, днлатоме грйй; определения коррозионной Стойкости.

Достоверность полученных результатов подтверждается н.ч широкой апробацией » иечащ, »мучных конференциям и аттестацией стандартнш справочных данных на свойства сплавов Рссстандартом РФ.

Глава 3, Иехдокмм рлаксацци в ОЦК твердцх растворах внедрения с хаотическим распределением атомов замещения.

Задачами настоящего раздела являлись экспериментальное изучение спектра релаксации, разработка физических Моделей ц методик компьютерного анализа и собственно анализ распределения атомов внедрения в ОЦК легированных твердых растворах сплавов на основе железа с хаотическим расположением АЗ в узлах кристаллической рещегки. - ' ..

Низкочастотный температурный спектр ВТ систематически изучен для закаленных ферритщдх сплавов на основе железа систем [:е-(0+1001Ь)Сг, Ре-(до 30°/о)А1, 1-е-(до 6%)Мо, Ре-(до 35%)Сг-(до 6%)А1, Ре-Сг-(до 6%)Мо и др.; выявлены температурцо|-частотные области н условия проявления (химический состав, режимы термической обработки) релаксационных процессов в твердом растворе сплавов, идентифицирована природа обнаруженных пиков.

Согласно общей теории релаксационных ярлёний в твердых телах максимумы на температурных зависимостях ВТ описываются уравнением:

д-'(Т) = <з„с1г

н 4-^ь ■■ ■ <п

[гг(Р).кчТ- Тга

г де О,!,'1 - высота, Т,„ - температура максимума ВТ, Н - эффективная энергия активации релаксационного процесса, Г}(1)) - уширенне пика а соответствии с параметром распределения времени релаксации р. Экспериментальные релаксационные пики ВТ в исследованных сплавах (пики Снука, Зинера, Финкельиггей-иа-Розина и др.) описывали в соответствии с уравнением (1). "

Параметры релаксации Снука 6 ряде ОЦК сплавов железа, рассчитаные на основе собственных и литературных данных, приведены в табл. 1. В сплавах со . структурой легированных карбндообразующими элементами (Сг, Мо) твердых растворов с < 5 ат. % ЛЭ релаксационный спектр характеризуется наличием двух релаксационных .эффектов, обусловленных диффузией под напряжением АВ (двух пиков Снука), соответствующих миграции атомов углерода в позициях око ни атомов железа и в позициях около АЗ. В концентрированных твердых растворах замещения Наблюдается только один значительно уширенный (|1>2) релаксационный максимум с энергией активации, превышающей энергию активации мшрашиГигомов углерода и твердом растворе как в.ц-Ре, так и в ОЦК твер-. :юи р,и- пюре внедрения на основе соотиетсгв) ющега легирующего элемента.

Таблица 1.

Параметры максимумов Снука в сплавах систем Fe-Cr, Fe-Mo, Fe-Al.

р.......""................ '"" *'" ......... Содержание легирующих элементов и углерода, аг, % Параметры пиков Снука I

40"пик «Высокотемпературный» пик 1

Qm-'.IO4 (^''.ю4 | Тт, °С 1 0 | Н, кДж/моль

Г в (0,03% С) Tm=41°C, íi=0,06 отсутствует

система Ге-Сг

- 0,9 % Сг (0,06 % С) 50 7 167 0,2 112

2,0 % Сг (0,16% С) 27 10 170 0,5 116

5,0 %Сг (0,07% С) ■ 5 14 220 i;6 123

Г 6,1 %Сг (0,16% С) отсутствует 4 230 »2 130

«Объединенный» пик |

Q«1.10J Тт, "С Р Н, кДж/моль

16 % Сг (0,05% С) 43 250 2,0 ' 132

¡6,7%Cr(0,04->0,|5%N) 15—»30 285-»260 2,1 . 139->133

21,2 %Сг (0,08% С) 45 265+273 2,8 * 137

25,3 % Сг (0,04->0,5 % С) 20-И 80 282-+273 3,2 139-+136

31,5 % Сг (0,09 % С) 42 285+290 2,7 * 139

' 36,6 %Сг (0,09% С) 39 290+300 2,7 140 1

47,8 % Сг (0,05 % С)- 11 210 2,1 ПО

50,8 % Сг (0,05 % С) 10 200 2,6 118 Til

71,5 %Сг (0,05% С) 1С. 175 1,6

' система Fe-Mo 40° пик «Высокотемпературный» пик

Qm'' , Ю"4 . Qm »10 ¡ Т п-^С JL Р 1 кДж/моль отсутствует

0,4 %MQ (0,17% С) 42

0,6 %Мо (0,17% С) ■31 2 (определение параметров затруднено)

2,2 %Мо (0,17% С) И 4 180 1,6 108 138

i 5,1 %Мо (0,17 %'С) отсутствует 10 275 2,2

система Fe-Al Qm'.lO"4 Тш, °с Р 11, кДж'моль

5,9 %А1 (<0,04 % С) 40 83 1,9 87 W ..... - ~ 105 1—> 103 HV>......

7,9 % Al (0,03 % С) 20 100 _ 2,0 2,3+2,6

11,7% АГ (<0,04 %-С) 15+12 122

16,3 %'А1 (0,03 %С) 19,6 % Al(<0,04 % С)' " 145 2,7-+1,6 (ус)

23->26 (ус). 1G6—> 143 (ус)

2 Í,7% Al (0,03 % 'cY 22,5% Á1 (<0,0;Г% С)" ~ Г 152 (у) 3,1

— ___ ... l-^íyi +2,6 IOS

* Имеет место частичное упорядочение при закалке (у) или старсшт (ус). Содержание АЗ приведено с точностью до десятых, АВ - до сспих долей аг. "А; мме-ратуры пиков определены при 0,9+1,6 Гц. Максимальные неисключепиые иогргсшоеч! ' определения <2"' до 4,5%, р до 15%, Н до б %; ■

Легирование железа хромом, алюминием, молибденом и их комбинациями, хрома железом, ниобия титаном повышает энергию активаций релаксационного процесса даже в тех случаях,- когда ЛЭ имеет более низкое сродство к углероду, чем основной компонент сплава (легирование хрома железом, железа алюминием)- Увеличение содержания АВ в твердом растворе приводит к росту высоты пика и снижению его энергии активации.

Применительно к легированным твердым растворам внедрения развиты методы анализа и моделирования диффузии под напряжением атомов внедрения с учетом коротко- и дальнодействуюшего межатомного взаимодействия, определены 1раннцы применения моделей.

В основе модели короткодействующего межатомного взаимодействия лежит статистическая термодинамика регулярных твердых растворов. Полагали, что основная доля конфигурационной энергии взаимодействия растворенных атомов (А В и АЗ) сосредоточена в первой координационной сфере и определяется количеством АЗ вокруг октаэдрического междоузлия, занимаемого АВ.

Изменен! : энергии Гиббса легированного твердого раствора внедрения с учетом конфигурационной энергии .энергии ДЕ и конфигурационной энтропии Д$ учитывали согласно термодинамической модели И.А, Томилина кай:

ДО = ДЕ-Т-Д8 = ¿(П;-Е,)-к1(у,!/п,!(у,-п,)!), (2)

1.0 1=0

где щ - число АВ, VI -' число междоузлий с различным количеством атомов хрома и шести ближайших узлах кристаллической решетки (1 = 0, 1 ... 6), Согласно модели изменение энергии АВ в междоузлии линейно зависит от количества АЗ в его первой координационной сфере: Е; « Е0 + ¡ДЕ, где Е„ - энергия активации АВ в нелегированном Ре, ДЕ - изменение энергии на каждый новый атом АЗ в первой координационной сфере АВ (- 12+-13 кДж/моль для Сг в Ре).

Степень равновесного заполнения атомами углерода окгаэдрических междоузлий, окруженных различным количеством атомов хрома, определяли исходя из распределения Больцмана и условия минимума энергии твердого раствора для реального содержания в сплаве хрома (0+50 %) и углерода (0,01+0,1 %) при выбранной температуре. Суммарный спектр релаксации представляли аддитивной суммой парциальных пиков ВТ, даваемых каждым типом междоузлий с учетом их удельного вклада, то есть степени их заполнения углеродом:

. (з)

температурное положение результирующего расчетного пнка:

Температурное положение максимума зависит от содержания хрома (изменение доли октаэдрических междоузлий с большим количеством атомов Сг в узлах) и углерода (изменение доли атомов углерода в позициях различного типа), высота пика - от содержания углерода и его перераспределения по энергетически неэквивалентным междоузлиям (уншрение пика).

Определены области эффективного применения использованной термодинамической модели н установлены концентрационные интервалы, в которых модель описывает экспериментальные релаксационные спектры. В высоколегированных твердых растворах и в том случае, когда атомы замещения, не являясь карбидообразукпцими элементами, сильно отличаются размером от атомов железа и вносят упругие искажения, целесообразно перейти от приближения регулярного твердого раствора к моделям, учитывающим далыюдействующее деформационное межатомное взаимодействие, Тонный вид зависимостей сил межатомных взаимодействий от расстояния может быть получен из фундаментальных теорий, описывающих взаимодействие ядер и электронов, однако такие вычисления для реальных многокомпонентных твердых растворов внедрения-замещения практически неосуществимы,

Для металлических твердых растворов внедрения целесообразно использовать модель деформационного (упругого) дальнодействующего (Ну1,р ~ 1/г в удаленных сферах) взаимодействия, возникающего за счет смещения атомов металла - растворителя вокруг растворенных атомов (модель А.Г. Хачатуряна). Однако, для описания реальных структур и свойств легированных твердых растворов внедрения одного упругого взаимодействия не достаточно, так как при введении в твердый раствор внедрения АЗ наряду с упругим межатомным взаимодействием возникает дополнительное "химическое" взаимодействие между А0 и АЗ, обусловленное локализацией электронной плотности.'К хорошему согласованию с экспериментом приводит допущение, Что зависимость энергии лонфиГурапи-ониого "химического" взаимодействия АВ и АЗ от межатомного расстояния описывается законом Ленарда-Джонса (Нхим ~ 1/г6).

Моделирование релаксационных спектров в легированных О ЦК твердых растворах внедрения в рамках разрабатываемой модели далыюдейстру ющего межатомного взаимодействия осуществляли в два этапа:

1) Моделировали распределение подвижных АВ в кристалле с неподвижными АЗ и определяли энергию ДЕР для каждого АВ а силовом поле АЗ И других АВ с использованием метода Монте-Карло; а) для системы Ре-Сг на основе энергий парных взаимодействий С-С и С-Сг в ре или С-Ре в Сг; б) для системы Ре-А1; на основе энергий парных взаимодействий С-С и С-А1 в ре в разупорядочен-ном и упорядоченном (,Р03) состояниях; в) для систем ЫЬ-О-Н и ЫЬ-ТРО-Н : на основе энергий парных взаимодействий О-О, О-Н, Н-Н, О-И, Н-Т1 в решетке ЫЬ.

АВ случайным образом распределяли по октаэдрическим междоузлиям, АЗ распределяли случайным или упорядоченным образом по узлам кристаллической решетки в ОЦК кристалле объемом 12x12x12 а3 с периодическими граничными условиями. Гамильтониан системы Ре-С-АЭ определяли как сумму энергий парных межатомных взаимодействий растворенных атомов;

£ У/(С"С|(г; - г^ • С(Г|) ■ С(?|) + £ \\'1С~АЗ)(г, - г,) • С(г;) ■ С(гга)|, (5)

где: г^ - октаэдрические позиции, - позиции узлов кристаллической решетки, - энергия парного взаимодействия С-С, \\/">А''(г|- г111) - энергия парного взаимодействия С-АЗ, С(?1) к С(?т) - числа заполнения октаэдрических междоузлий и узлов, С(г) = 1, если междоузлие или узел Заняты АВ или АЗ, С(|) = 0, если не заняты.

Подвижные атомы углерода и одно из ближайших четырех октаэдрических междоузлий выбирались случайно и рассчитывалась разница А% для соответствующею прыжка. После многочисленных повторений процесса-устанавливается ' устойчивый ближний порядок. Ддя установившейся таким образом атомной конфигурации каждый р-ый растворенный атом имеет энергию взаимодействия ДЕР с другими подвижными АВ и неподвижными АЗ:

= . (6) ' 1 т

' 2) Рассчитывали вклад каждого АВ в релаксационный эффект согласно эа-ииснмосш тр = тц ехр (Нр / кТ) в соответствии с его энергией активации < Нр ): II 11, - где - энергия активации диффузии АВ в твердом растворе в ои-у имени АЗ. Суммарный вклад от всех АВ (К) при температуре (Т);

Х=0/2)

. Q-'(T) = (S /Т) • ¿[(ш ■ tp) /(1 + (со ■ тр):)], ( 7 )

p'i

где 8 - величина релаксации па один АВ, га = 2n-f - циклическая частота колебании.'

Применение модели дальнодействуюшего межатомного взаимодействия возможно для объяснения релаксационного спектра ко всей области однофазных твердых растворов Fe-Cr. Наиболее сильное притяжение С-Сг в a-Fe наблюдается в 1-й и 2-ft координационных сферах и слабое в 3-й и. 5-й сферах. Однако, притяжение в первых двух сферах еще не определяет полностью С-Сг взаимодействия, Даже относительно слабое взаимодействие в более дальних сферах существенно влияет на температуру пика ВТ (рис. 1): с увеличением радиуса дальности расположения сфер среднее изменение энергии атома углерода из-за его взаимодействия с атомами Сг сильно растет и выходит на насыщение при

дальности, равной радиусу 3-й координационной сферы. В соответствии с изменением энергии ДЕР изменяется температура максимума. При взаимодействии во 2-й координационной сфере энергия (ДЕр)ср соответствует сумме нескольких энергий взаимодействия а 1-й н 2-й сферах. Это означает, что атом углерода взаимодействует одновременно с несколькими АЗ. Тот факт, что суммарная энергия взаимодействия АВ с АЗ в удаленных координационных сферах становится сравнимой с энергией их взаимодействия в 1-й координационной сфере из-за существования большого числа связей между АВ с АЗ является основной причиной снижения прогнозирующей возможности модели короткодействующего взаимодействия в высоколегированных твердых растворах.

Результаты моделирования позволили определить энергию "химического" взаимодействия С-АЗ (| Нхим''11 » 0,15 эВ) (рис. 2) и рассчитать параметры ближнего порядка атомов углерода вблизи АЗ. Моделирование выявило, что в сплавах на основе Fe атомы углерода в основном находятся в октаэдричссг'х 'междоузлиях 1 и 2-Й сфер вокруг агомон Сг.

Расстояние Сг-С взаимодействия; г/а. Рис. 1. Влияние расстояния С-Сг взаимодействия, учитываемого в расчетах, на величины (ДЕр)ср и Тт.

Из-за большого числа междоузлий 2-й сферы и перекрытия таких сфер вокруг соседних атомов Сг в междоузлиях 2-й сферы оказывается почти вдвое

больше атомов углерода, чем в 1-й, несмотря на то, что притяжение сильнее в 1-й сфере. Такое распределение означает, что при измерении ВТ атомы углерода преимущественно перескакивают по октаэдрическим междоузлиям 1 и 2-й сфер вокруг атомов Сг, Показано различие во взаимодействии углерода с атомами Fe и Сг в сплавах системы Fe-Cr. Разная интенсивность изменения величин (ДЕ|))ср и Тт для сплавов на основе железа и хрома связана с особенностями упругого и ^химического" взаимодействия углерода с A3. Диффузия углерода под напряжением в сплавах на основе железа происходит в 1-2, а в сплавах на основе хрома -в 2-3 координационных сферах.

Легирование железа хромом повышает температуру углеродных пиков намного интенсивнее, чем легирование хрома железом. С усилением "химического" взаимодействия от 0 до -0,15 эВ в 1-й и 2-й координационных сферах вокруг Сг в a-Fe усиливается притяжение С-Сг (V>'<c~c" <0), тогда как в случае C-Fe в Сг из-за положительного знака H^m'1' = +0,15 эВ это притяжение ослабляется и в первой координационной сфере переходит в отталкивание (WÍC"F,:) ~ 0,14 эВ), притяжение сохраняется во -0,035 эВ) и в 3-й сферах (-0,006 эВ),

что намного слабее, чем в случае С-Сг взаимодействия в a-Fe: -0,218 , -0,085 и -0,012 эВ в 1, 2 и 3-й координационных сферах соответственно. Поэтому средняя величина ДЕР (ур. 6) оказывается намного меньше по абсолютному значению в случае C-Fe взаимодействия в Сг, чем в случае С-Сг взаимодействия в Fe и соответственно ДЕР сильнее изменяется с концентрацией Сг в Fe, чем с концентрацией Fe в Сг, что обьяспяет экспериментально наблюдаемое более интенсивное влияние атомов Сг в Fe, чем атомов Fe в Сг. Это приводит к большему изменению энергии активации релаксации Снука в сплавах на основе Fe, чем в сплавах на основе Сг и к большему сдвигу температуры (табл. 1 и рис. 2);

300 4—

о

Н = 0 эВ 11=0,05

3) —t— ¡J = 0,10

4)—4 = 0,15

• Эксперимент

25

а Ат.%Сг 100

1'ис. 2. Расчетное (1-4) и эксперимент аньное положение максимума Снука в системе Fe-Cr.

Глава 4. Механизмы релаксации в ОЦК твердых растворах внедрения с нсхаогичеекнм распределением атомов замещения.

Задачей настоящего раздела явилось исследование кинетических, структурных и энергетических аспектов диффузионно обусловленной неупругоепц твердых растворов, склонных к перераспределению АЗ при старении (упорядочение и расслоение), а также влияния более подвижных АО на диффузию менее подвижных АВ на основе развития методов анализа и моделирования низкочастотной неупругости.

На основе систематического изучения и анализа изменения формы релаксационных максимумов ВТ при старении Ре-Сг ферритных сплавов обнаружено перераспределение АВ в твердом растворе, изучен его механизм и кинетика в интервале температур расслоения высокохромистого феррита. Установлено, что при иаргшщ'в интервале 400+550 °С происходит не только выделение АВ из твердого раствора на дислокации и их закрепление (рис. 3,а), но и перераспределение АВ в твердом растворе вокруг АЗ, приводящее у потере унимодальности эффекта Снука (рис. 3,6) на температурных зависимостях ВТ (аналогичный эффект исследован и обобщен для сталей с содержанием хрома 15+35 % в ходе старения при 200+540 °С) и сопровождающееся существенным изменением комплекса механических свойств (рис. 3,в). Обнаруженные закономерности позволили конкретизировать причины схрупчиваппя выгокохромистого фгррита при расслоении в присутствии АВ, построить диаграмму изотермического распада твердого раствора внедрения-замещения Те-25%С'г сплава (рис. 3,г).

Как следствие процессов расслоения в системе ^с-Сг, подтвержденных методом малоуглового рассеяния нейтронов, расшемлеяне максимума Снука на два уширенных инка-гпутника связано с перераспределением ЛВ по образующимся областям с различным содержанием хрома: Ь'цзчоюми^шурный ник обусловлен диффузией АВ (С+Ю но областям с пониженной, высокотемпературный - с повышенной концентрацией хрома. Для исследуемой ситуации, когда образующиеся в результате расслоения твердые ¡.асгр.оры имеют такую же кристаллическую решетку, что и сплав в исходном состоянии, конфигурационная энергия, обусло-

^ 4 п

пленная взаимодействия АВ с АЭ имеет вид: "АЕ - ^^(п!-" -Ё]). где п, - число

И1=и

АВ в междоузлиях )-ой фазы (| = 1 - твердый раствор, обогащенный Ре, j == 2 -

обогащенный С г относительно среднего состава сплава). Полагая, что каждый из сосуществующих твердых растворов внедрения-замещения дает вклад в формирование 'ГЗВТ, моделировали результирующий релаксационный спектр ВТ путем суммированием вкладов, даваемых двумя твердыми растворами (j 1 и 2) с концентрациями хрома ССг < Со* 0 ~ 1) и CCr > CCtcp (j = 2), считая, что окончательное распределение АВ устанавливается в ходе старения при Т = 475°:

Т,.

ш

Результаты, полученные методом внутреннего трения и малоуглового рассеяния нейтронов, позволили получеть количественную информацию о размерах образующихся в ходе расслоен!« комплексов и содерясания в них АВ и АЗ на различных стадиях старения.

'«».час

400

500

600 .J. ^700

Ю0(4г5,час

т/с 11.3

SCO LL. / , 11.2

SCO \ _ ~

- 400

зоо Г. 4U 13 \f о

t, чао

1'пс. 3. Распад высокохромисюго феррита: а) относительное содержание углерода: (Q '/Qiuxi'1), закрепление дислокаций (tgcc/tga„„) , радиуса (R) обокйценных Сг зон, б) перераспределение углерода (Q'VQniav["'), п) изменение механических свойств при старении; г) изотермическая диаграмма распадл высокохромистого феррип» ста_щ тина Х25:1 - распад твердого расп зра внедрения, II - образование s-i комплексов и III • зон, обогащенных Сг, 1-4 разные степени расишвд

Покачано, что при старении феррита наблюдается закрепление днслокаинй примесными атмосферами, в твердом растворе образуются локальные мнкрообь-емы твердого раствора, обогащенные атомами углерода и хрома одновременно (комплексы внедрения - замещения), которые при более длительном ciapeiuni в определенных Т -1 условиях оформляются в виде зон, обогащенных хромом. По параметрам диффузионной релаксации определено влияние концентрации Ali на кинетику и стадийность распада твердого раствора и изменения механических свойств при охрупчивании высокохромнетого феррита. Сдвиг порога хладноломкости при старении есть результат увеличения значений температурно-зависимого напряжения локального течения и изменения наклона температу рной зависимости предела текучести. На основе полученных закономерностей уточнены составы суперферритцых сталей типа 01X25 с учетом требований к механическим свойствам (охрунчивание) и коррозионной стойкости.

На основе систематического анализа результатов экспериментального исследования спектра релаксации в системе Fe-Al при старении установлено, что процесс упорядочения приводит к сужению углеродного пика Снука, понижению его энергии активации пика и увеличению его высоты (рис. 4). Получены соответствующие кинетические зависимости для сплавов с различным содержанием AI и различных температур старения.

Компьютерное моделирование методом Монге Карло распределения углерода при упорядочении решетки на основе энергий взаимодействия с по типу 1Ю3 (по ур-м (5)-(7)) и сравнение рассчитанных и экспериментальных максимумов позволило выявить основные закономерности распределения AB при упорядочении и их влияние на параметры диффузионной релаксации! Распределение атомов углерода по энергиям ДЕР существенно зависит ог расположения атомов Al (степени их упорядоченности). Для структуры D03 это распределение сдвинуто в сторону меньших абсолютны., значений АЕр (рис. 5,а). Среднее значение ЛП.р"т1

10 100 юоо .

Продолжительность старення, мин

Рис. 4. Относительное изменение высоты пика Снука без учета (а) и с учетом его уширени* (б) при старении сплава Ре-19,6 ат %А1 при 290 "С.

изменилось за счзт уиорядочеиця от -0,76 до -0,36 эВ, распределение атомов углерода по энергиям становится более узким. Уменьшение средней энергии атомов углерода Д Ер<ср! и сужение распределения позволяют объясщггь наблюдаемые в эксперименте изменения углеродного максимума Снука (рис.5,б).

- неупорядоченное -упорядоченное состояние

■0.4 -(у -щ ~й1 Энергия, эВ а.

Рис. 5. Моделирование распределения углерода но энергиям (ЛЕ) в сплаве Ре-20УрА1 •и соответствующего пака Снука в неупорядоченном и упорядоченном состояниях.

В неупорядоченном твердом растворе иозникают случайные сложные группы атомои А1 и возле них находятся позиции с максимальной энергией связи. Из-за взаимодействия с несколькими атомами А! распределение атомов по энергиям в целом сдвиную в сторону- больших абсолютных значений АКр и уширено по 'сравнению с упорядоченным состоянием. Эффект изменения параметров релаксации количественно объяснен снижением упругих напряжений в матрице и уменьшением Числа возможных позиций для атомов углерода к твердом растворе при упорядочении. " - - ' . •

В качестве концентрироиашгых твердых растворов 'внедрения рассмотрены сплав НТ-50 (50 мае. % ЫЬ) и КЬ с различным содержанием водорода. Проанализированы спектры ТЗВТ II АЗВТ ЫЬ, №-50 мае. % Т|, "Л р области положительных температур. Выделены температурно-частотные области проявления кислородной, азотной релаксации и условия проявления гидридного пика. На основе полученной информации изучен механизм влияния водорода на подвижность "тяжелых" АВ (на примере кислорода). Для анализа релаксационного спектра использована модель далышдействующего межатомного взаимодействия, дополненная кулоновским отталкиванием АВ друг от друга в ближайших координационных сферах. Выполнено компьютерное моделирование релаксации, обуслов-

ленной кислородной диффузией под напряжением в р-П-ИЬ и в ниобии, результаты моделирования сопоставлены с данными эксперимента. Гамильтониан системы ЫЬ-Т1-0-Н рассчитывали как:

Х = {1'2)[^\\г'"ьН'(?|-^).С(?|)'С(г)) + ^Ш'0_0'(!!|-г1П).С(Г|).С(гт)+ (9)

^-"Нг, - -7к)-С(гк)-С(г,)+ £ - гп-см-ад'

где: векторы и показывают положение тетраэдрических междоузлий, Г| к г„ • октаэдрических, г у. - позиции узлов кристаллической решетки, \\'"ып(г|-Г)), \у,0"°'(г|-?„), №(0'">(г| - Т|), \УСП-Т°(?| - гк) П и,(0"т°(Г1 - Тк) - энергии парных взаимодействий Н-Н, О-О, Н-0, Н-Тл и 0-Т1, соответственно.

Для каждой атомной конфигурации каждый р-ый атом кислорода имеет энергию ДЕР взаимодействия с другими подвижными АВ и неподвижными АЗ:

га I к

Получены количественные характеристики влияния наводороживання образцов П-КЬ и ЫЬ на кислородную релаксацию и на спектр ТЗВТ в целом (рис. 6).

а б

Рис. 6. Расчетные значения изменения энергии атомов кислорода и октаэдрических междоузлия^ (а) в кислородных максимумов Снука (б) в K'i с различным содержанием водорода.

Сопоставление экспериментальных данных по влиянию водорода на кислородную релаксацию Снука в Nb и в ОЦК сплаве Nh-Ti и расчетных Т,„ и Qm"' выявляет их качественное и количественное совпадение. Моделирование показывает, что в сплане с титаном сдвиг Т,„ более выражен, чем в ниобии (как и в эксперименте): при (Н/Ме) - 0,1 он составляет 7 К и Nli и 13 К в Nb-Ti, при

(Н/Ме) = 0,2 - 13 н 18 К соответственно. Такое поведение объясняется распределением водорода н кислорода, Которые из-за взаимодействия с атомами 'П имеют более высокую концентрацию вблизи атомов 11 , чем №. Введение водорода в количестве до я 0,2 (1 {/Ме) с/двигает температуру кислородного максимума Скука в КЬ и сплаве ИТ-50 (ЫЬ - 68 ат. % "П) в сторону более высоких температур и понижает его высоту и дополнительно уширяет. Водород снижает диффузионную подвижность атомов кислорода как в КЬ, так н в сплаве ЫЬ-68 ат. % Т1.

»

Сдвиг температуры кислородного максимума в сторону более высоких температур с ростом содержания водорода связан с увеличением среднею изменения энергии атомов кислорода I ЛЕр!ср из-за их взаимодействия с атомами водорода и другими растворенными атомами. Увеличение IАЕР1ср приводит к росту энергии активации диффузионного прыжка и к сдвигу температуры максимум! кислородной релаксации Снука (рис. 6). При этом одновременно расширяете! распределение |ДЕ,,| , это приводит к более широкому набору релаксациошш: вкладов отдельных атомов кислорода и, соответственно,, к уширению и сниже пню пика. С увеличением концентрации атомов Т1 величина |ДЕР|ср растет I именно поэтому в сплаве МЬЛЧ сдвиг температуры максимума несколько боль ше, чем в ЫЬ или в сплазс ниобия с 1 ат. % Ть В целом моделирование показало что использование разумных величин энергий взаимодействия растворенпы: атомов и модели, связывающей энергии активации диффузии атомов кислорода изменением их энергии за спет такого взаимодействия, приводит к количествен ным оценках!, подтверждаемым экспериментальными результатами.

Предложенный механизм влияния водорода на кислородную релаксацию за ключается в увеличении среднего абсолютного Значения энергии атомов кисло рода в междоузлиях и расширении этого распределения по энергиям. Непользе ванная модель диффузии АВ под напряжением адекватно описывает эксперт ментальные данные для состояния, когда атомы третьего, элемента ¡более по; важны, чем атомы диффундирующего элемента. ' •

Таким образом, как влияние упорядочения в системе железо-алюминий и диффузионную подвижность углерода, так и влияние насыщения водородо ниобия и его сплава с титаном на диффузионную подвижность кислорода и п: рамегрм соответствующих релаксационных пикон может быть объяснено вза! модействием атомов диффундирующего элемента с другими растворенным атомами внедрения и замещения с учетом характера распределения последних кристаллической решетке.

Глава 5. Неупругость при безлиффузионных фазовых превращениях сплавов со структурой ГЦК и ОЦК твердых растворов внедрении.

Задачей настоящего раздела являлось изучение строения высокотемпературных ГЦК (Ре-М, Ре-ЬП-Мо, Ре-Сг-№-Мо) ц ОЦК (ТМ и №>-П) фаз с использованием анализа релаксационных спектров низкочастотной неупругости, кинетики изменения параметров фазовой И механизмов проявления гистерезисной дислокационной неупругости при бездиффузионном (атермическом и изотермическом МП высокотемпературной фазы в сплавах Ре-№, ре-Ы1-Мо, Ге-КЧ-Со-Мо, Ре-Сг-№-Мо), термоупругом МП в ИМ и гидридном (ЫЬ, П, (5-Т1-КЬ) превращения ч.

Измерения температурных зависимостей ИТ и модулей упругости п сплавах системы Ре-(284-42)%№ с изотермической и атермическим МГ1 выявил.различный характер изменения этих характеристик в интервале температур МП, вклад магнитомсхаиической компоненты рассеяния энергии и позволил определить методику исследования кинетики МП методами неупругости.

На основе анализа параметров релаксации Финкельштейна-Рознна (С)'1, [1, 11) и дислокационного гистерезиса (в, приближении модели- струны Кйллсра-Гранато-Люкке: tga, у кр) получены данные о структурном состоянии закаленного аустенитного сплава Ре-24%№-5%Мо с различным содержанием углерода: от 0,002 до 0,09 мае. % (рис. 7) и установлена связь между состоянием твердого раствора внедрения, (перераспределение углерода между твердым раствором и дислокациями) на основе у-Ре и типом последующего МП, в сплавах Ре-ЬМ-Мо, склонных к протеканию как зтермического, так и изотермического МТ1. При формировании в результате закалки ненасищешкга твердого раствора внедрения (отсутствие пика Финкелыцтейна-Розина свидетельствует об отсутствии образования пар АВ в блнжайишх. координационных сферах) при последующем охлаждении имеет место изотермическое МП, Если в результате закалки образуется пересыщенный АВ аустенит (полное закрепление дислокаций примесными атмосферами ц образование комплексов гантельного типа из АВ в твердом растворе) при последующем охлаждении имеет место атермическое МП.

Выполнены систематические исследования температурных и амплитудных зависимостей ВТ и физических свойств (теплоемкости, намагниченности насыщения) в йодном цикле прямого и обратного мартенситного превращения Ре-№ сплавов с изотермической и атермической кинетикой. Особенностью изотерм«-

о,оо о,оа о,м ,о,Ьв ' о.ое 0,10

неской кинетики рассеяния энергии при МП (в отличии от ^термической) является плавный термовременной характер ее изменения, рбусловлшщцй протеканием фазового превращении при охлаждении нцже комнатных температур и при последующем отогреве.

Смена кинетики МП при изменении концентрации углерода в сплаве связана с различным состоянием дислокационных атмосфер, а, следовательно, е различной дислокационной подвижностью (|$<хлзвт. ,У*рз) И величиной релаксации напряжений (До^,). Смена типа МП обусловлена изменением термодинамического барьера МП никелевого аустенита и повышением его релаксационной стойкости в присутствии « 0,04 цас. % С для сплавов типа Н25М4. Аналогичный эффект подавления изотермической кинетики МП обнаружен при наводорожииацни Ре-24%№-5%Мр сплава с минимальным содержанием углерода (0,002 мае. %).

Исследованы механизмы диссипации энергии непосредственно в ходе прямого превращения, а также низкочастотный спектр мартенсита различного строения. Высота пиков ВТ при МЦ вТе-№, Рс-Ы1-Мо и Ре-Сг-Ы|-Мо сплавах зависит от скорости охлаждения и частоты колебаний ((? ' ~ (0Т/д()/Т, где 5 Т/ 51 - скорость изменения температуры (Т) во времени (I)), причем эта зависимость одинакова для изо- и атермического МП. Пики ВТ, обусловленные Изотермическим МП, наблюдаются как при охлаждении, так И при отогреве.Те-№-Мо и Те-Сг-М-Мо сплавов от азотных температур. При отогреве их высота дополнительно зависит от степени завершенности МП при охлаждении, пики при отогреве имеют место даже в случае атермического МП (Ре-№-Мо) при охлаждении.

0,04 0,06 О, %

Рис. 7. Влияние содержания углерода в стали Н24М5 на ^ОлЗвт н высоту пика Фиикелыдтейна-Розина в температуру начала изотермического Мн'1"" н атермического М„*т МП.

Изотермическая выдержка при температурах МГ1 (режим ступенчатою охлаждения) приводит к падению уровня амплитудонезавцснмого ВТ и изменяет параметры ^адзвт. у,Р2) амплитудных зависимостей ВТ, дакая возможность количественно оценить степень завершенности мартенснтного превращения.

На основе анализа амплитудных зависимостей ВТ при разных темпера турах построены диафаммы изотермического распада аустенита (системы Ре-М-Мо и Ге-Сг-№-Мо) и определены температуры начала фазовых превращений изо- и атермического типа. Наряду с модельными сплавами системы Рс-|\Ч-Мо исследовано изотермическое МП в промышленном сплаве Ре-12%Сг-9°/Ш1-4%Мо, подвергающемся в со.мнетствии с технологией обработке холодом при температуре в районе носа С-образной кривой (»240 1С). Активационные характеристики изотермического МП определены в рамках теории скоростей реакций С. Гласстоуна с соавт. с учетом поправок М. Хиллерта с соавт. и уравнения Аррениуса. Для сплава Ре-25№-4Мо-0,002%С с "двойной" кинетикой (изотермическое превращение предшествует атермическоиу) энергия активации превращения уменьшается от носа С-образной кривой («200 К) до температуры начала атермического МП (« 100 К) от 5+7 до 2+3 кДж/моль (по Аррениусу) или от 10 до 5 кДж/моль (по Гласстоуну-Хилдёрту). Энергия активации в сплаве системы Ре-12%Ст-9%№4%Мо с чисто изотермическим МП во всем интервале температур составила » 14 и и 20 кДж/моль, соответственно.

Пики ВТ, наблюдаемые непосредственно в мартенситно" фазе, существенно зависят от строения мартенсита. Пики при »160 "С (I Гц) обусловлены движением двойниковой структуры в.изотермическом мартенсите и растут с увеличением содержания углерода в сплаве. Пики при 220 "С аналогичны пикам в углеродистых сталях и типичны для мартенсита с дислокационной структурой. Анализ эффектов ВТ при отогреве от промежуточных температур после различных режимов закалки выявил суперпозицию 220°-пцков и инков Фпнкслыпгешгл-Рош-на а остаточном аустените. -

Влияние дислокационной структуры высокотемпературной фазы на параметры бездиффузионного фазового превращения является общей закономерностью МП. Исследование дислокационно-примесного взаимодействия в высокотемпературной фазе на основе иикелида титана выявило температурные области действия различных механизмов отрыла дислокаций от петров закрепления. [)

холоднодеформированном состоянии (е * 17%) в области температур выше комнатной наблюдаются три различных интервала дислокационно-примесного взаимодействия в поле приложенных напряжений; термоактивационный (£ 300 атермический (300+450 °) и атермическое движение дислокаций с Ненасыщенными атмосферами (> 450 °С). В рекрнсталлизованном состоянии (закалка от 900°С) в области существования упорядоченной высокотемпературной В2 фазы никелида титана действуют только два последних механизма. Различным механизмам дислокационно-примесного взаимодействия в высокотемпературной фазе соответствуют разные схемы фазового перехода в низкотемпературную фазу, параметры эффекта запоминания формы и демпфирующей способности.

Изучены параметры поглощения энергии механических низкочастотных колебаний непосредственно при мартенейтиом превращении сплава на основе "ПЩ индуцируемом понижением температуры иди приложением напряжений определено влияние режимов и скорости охлаждения, частоты колебаний. Пока зано, что случаю агермического отрыва дислокаций от центров закрепления ) высокотемперату рной фазе никелида титана соответствует облегченное протеза ние МП (В2->В19') при охлаждении. Поглощение энергии при термоупругои МП описывается зависимостью вида: С}"1 = (к/1) '(дп/ д\)/{, где 1 - податливост; системы, п - доля материала, претерпевшая МП, к - константа материала, приче( скорость превращения контролируется как изменением во времени как темпера туры, так и напряжения: (дп/д^ (3п/д7у(дТ/д1)+(дп1даУ((до/д1).

При формировании эффекта запоминания формы действуют два конкурс рующих механизма деформации: нормальный, обусловленный эволюцией (ДВ1 жеиием и размножением) дефектной-структуры кристаллов, и путем образован« мартенсита, дающие противоположный вклад в АЗВТ. Смена обратимого накот лени» деформации в результате образования мартенсита накоплением деформ; цин по механизму скольжения соответствует его максимальная демпфируюпд способность, т.е. приводит к появлению экстремума на амплитудных срезг АЗВ'Г при гомологических напряжениях при измерениях АЗВТ. Получены обобщены данные по влиянию режимов обработки на соответствующие .крип чсские деформации.

Насыщение водородом !МЬ и р-№>-71 сплавоп усиливает эффект гистерезн на кривых АЗВТ при нагрузке-разгрузке, что свидетельствует о преодолею

г

31

дислокациями дополнительной силы связн с закрепляющим,*! их примесными атмосферами в наводороженных образцах по отношению к ненаводорожениым. Формирование термодинамически устойчивых водородных атмосфер на дислокациях, введенных деформацией, при естественном старении протекает в течение нескольких часов, за это время наблюдается сильное изменение вида амплитудных зависимостей ВТ в области малых амплитуд деформации. Увеличение содержания водорода в сплаве приводит к увеличению амплитудной области проявления аномалии АЗВТ. Столь продолжительное с точки зрения перерае-

4

пределения водорода в твердом растворе время закрепления дислокаций равновесными атмосферами является следствием сегрегационных процессов в ядре дислокации. Закрепление дислокаций при насыщении образцов водородом япли-ется причиной появления зуба текучести на кривых деформации при сжатии.

Высота пиков гидридного превращения в МЬ, [З-КЬ-'П, ВТ 1-00 зависит от концентрации-водорода в сплаве, помимо того им присущи черты бездифузнон-ных превращений; зависимость высоты пика от частоты и скорости изменения температуры, что свидетельствует о сдвиговом механизме перераспределения водорода при гидридном превращении.

Глава 6. Дислокационные и мапштомеханнческие явления иеупругости в легированных твердых растворах на основе железа. ,

В- настоящей главе рассмотрены механизмы Дислокационного влияния на проявления релаксационной неупругости (дислокационно-усиленные эффекты Снука в ОЦК сплавах и Финкельштейна-Розина в ГЦК сплавах), гистереэисного дислокационного и магцнтоупрутого поглощения энергии при формировании высокодемпфируюшего состояния в высоколегированных ферритцых сплавах . ■ ' Из общего спектра ТЗВТ деформированных ОЦК и ГЦК сплавов на основе железа с применением методов, компьютерного анализа (разложения унимодальных пиков на составляющие) выделены неупругие эффекты, вызнанные пласш-ческой деформацией (2 +50 %), Определено влияние степени предварительной деформации и содержания АВ на параметры деформационно-усиленных релаксационных максимумов в ряде ферритных (8+35 % Сг) и аустешт :лх (24+42 "/а №, 0,009+0,09 94 С) сплавах (табл, 2). Общими закономерностями проявления дислокационно-усиленной релаксации являются: 1) необходимость наличия

"ерелнх" дкздкаьий к лБ; "> ршдорвдо температур« пика с увеличением

3) ушцрецие инка в сравнит« с исходным пиком в нрдефорчнрованном состоянии; 4) энергия ектявацщ! близка к энергии активации диффузии АВ (по механизму ФР-релаксациц, температурное положение 0,95+1,0 Т«,Р); 5) величина степени релаксации растет пропорционально концентрации АВ до некоторого предельного значения, зависящего от степени деформации.

Таблица 2.

Влияние степени холодной пластической деформации на параметры дислокационно-усиленного пика Фиикельштейиа-Рознна в. никелевом аустеннге •

! мае. % С Степень предварительной деформации, %

в сплаве поел 'закалки 7 10+12 17 •

1 П2-Ш5 От"' Н Р ' От и & <3* Н р Н Р

0,009 %С 1,25 135 0,25 4,5 133 1.21 5,0 131 1,49 5,2 129 1,69

| 0,09 % С 3,5 135 0,78 ' 5,0 132 1,47 11,8 130 2,70 11,8 129 1,74

Значения (}"' приведены в 104ГН - в кДж/моль,

Проведенный анализ температурного сцсктра релаксации в аустенишых сплавах позволил выявить близость рктивационных параметров исходного Фпи-келышснна-Розьна (при 250 "С, 1Г« 1 Гц) и дислокационно-усиленного эффектов и установить их единую природу, Высказана и обоснована гипотеза о природе усиленной дислокациями в пластически деформированном аустените релаксации по механизму ФннкельЩтейна-Рсшща за счет мшрации АВ в полях упрушх напряжений, создаваемых дислокациями.

Иснользопана методика изучения гисгерезиспой пеупругости и нелинейности (амплитудные зависимости ВТ у модуля упругости (Е ~ Г )) в фгрритных н ау-сгсннгных сплавах, включающая выделение магнитной и дислокационной ком-

1 ** I 1

попент затухания. Комплексный параметр К = лО" /(ДО/О) н ЛИ Г ^йКС^ -■/(лг/г) использован для анализа применимости феноменологической модели механическою гистерезиса в упругопластической облас н нагруження. На кривых О'1 (у) и (у) выделено несколько амплитудных интерпалов с различным параметром Ц.

С целью обеспечения статистической достоверности при анализе дислокацн-0Ш1ЫХ механизмов пеупругости за исходную принимали кривую АЗВТ, полученную л сре чепием параллельных измерений 10 идентичных образцов, каждого соещьа. Обобщенные кривые АЗВТ рассчитывали по трем ближайин?м точкам с

использованием параболического приближения и двойного сглаживания. Наличие линеаризации экспериментальных полученных таким образом кривых АЗВТ анализировали в соответствующих координатах моделей Граната-Люкке, Бар-детга, Пеквена, Мэзона-Бешерса,

Анализ показал, что линеаризация экспериментальных данных АЗВТ для сплава a-Fe и Fe-25 % Сг в приведенных для различных моделей координатах выполняется только в определенных амплитудных интервалах для моделей струны Гранато-Люкке п микропластичности (мЬдель Бардетга). В рамках этих механизмов дислокационной неупругости сделана оценка энергетических (AUa.r< « 0,75, ДУгс.2!'.;г( »1,4 эВ) и активационных (V/b3 = 80+100) Параметров, а также параметров микродеформации (Цп, e^j) Ц геометрических (1.с , LN ) характеристик дислокационной структуры,

Проведены систематические измерения демпфирующей способности н AG-эффекта сплавов различного состава (более 60 составов - нержавеющих высокохромистых феррйтных (0+100 % Сг) и мартенситных сталей, сплавов Fe-Al н Многокомпонентных Композиций (Ni, М.о, Со, TI, Nb, Zr й др) на их основе) с применением разнообразной'измерительной низко- к высокочастотной техники и реализацией различного напряженного состояния (кручение, растяжение-сжатие, изгиб) в широком интервале амплитуд деформаций (10'7+10 2), режимов отжига и температур испытаний (80+1000 К) (рис. 8,а), частот колебаний (0,01 Гц+21 кГц), магнитных полей (0+24TÓ3 А/м), статического растяжения (0+100 МПа), мцкро и макродеформации (¡0"6+10'' ), п условиях .упорядочения и расслоения (рис, 8.6) и т.д.

Определено влияний состава, структурного состояния (степени дсформиро-вйнирсти и рекристаллизации, упорядочения, расслоения, плотности дислокаций, внутренних Напряжений, размера зерна и проч,) и Внешних факторов (амплитуды деформации, температуры испытаний, статических напряжений и др.) на ДС исследованных'сталей и сплавов и выделен вклад матнитомеханического и дислокационного поглощения энергии. ,

Результаты Проведенных испытаний позволили оптимизировать свойства сплавов по комплексному Параметру Сугимото ( а = O Git ). Оптимизированы режимы термической Обработки.и предложены принципы легпроп.'ння, позволяющие реализовать максимальную вибропоглошаюшую способность сплавов.

Выявлены основные направления легирования высокохромистых сталей с цельк повышения их демпфирующей способности с учетом требований к их прочност ным характеристикам. На этой основе разработан сплав Х16М4Ц и режим en термической обработки: 850 °С/1ч. + 1000 °С/45 мин., охлаждение с п.ечыо (v =: К/мин) до 600 °С, далее на воздухе. Установлены амплитудные и температурны границы проявления высокого внутреннего рассеяния энергии, ата^е выявлен немонотонная реакция диссипативных характеристик исследованных сталей пр их предварительном деформирований или статическом нагружении. Показанс что упорядочение и расслоение феррита способствуют снижению демпфирую щей способности исследованных материалов из-за дополнительного закреплеии закрепления границ магнитных доменов,

Рис. 8, а. Влияние температуры испытаний б. Влияние расслоения (Ре-Сг) и

на высоту пика ВТ (1) (а) и величину упорядочения (ре-А1) при старении

дефекта модуля (II) (б) на амплитудной на относительное изменение высоты

.зависимости: 1 - магнитная, 2 - дислокаци- • пика ВТ на кривых АЗВТ.

онная компоненты. - ■

По соотношению дислокационного н магиитомехвиического механизмов тп глощения энергии механических колебаний в высокохромистом ферртгге выя; лены три основных интервала, демпфирования: до температуры конденсаци примесей внедрения на дислокациях (Тх), от Тх до температуры точки Кюри (Т и выше Т«. Ферритные демпфирующие стали могут эффективно эксплуатир!

вагься'в первом температурном интервале (до 5 450 ''С, для Х16М4Ц), где основным механизмом поглощения энергии ( й 95% ) является магнитоупругое поглощение энергии, а механически!) гистерезис практически отсутствует; во втором интервале вклад магнитной и немагнитной неупругосги сопоставим, в третьем • высокое рассеяние энергии обеспечивается за счет микроиластнческой деформации кристаллической решетки и сопровождается деформационной неустойчивостью сплавов.

Демпфирующую способность ферромагнитных сплавов определяют параметры магнитной структуры, параметры атомно-кристаллического строения и характер взаимодействия между движущимися под действием приложенных напряжений границами доменов и дефектами кристаллического строения. Основываясь на этом подходе, предложена и обоснована феноменологическая модель . магцитомеханическогр структурного демпфирования, заключающаяся в учете , вкладов в. демпфирование от взаимодействия границ доменов с различными структурными несовершенствами кристаллического строения .(границы зерен, дислокации, когерентные и некогерентнце выделения и др.) посредством учета вкладе последних в формирование внутренних напряжений при упрочнении 'сплавов, приводящем к торможещпо границ доменов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ II ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ,

На основе развития экспериментальные и теоретических методов.механической спектроскопии металлических материалов, разработки принципов расшифровки-сложных низкочастотных спектров внутреннего трения, у.егодов их Компьютерного анализа и моделирования изучены общие закономерности формирования- атомно-кристаллического строения и свойств легированных твердых растворов ОЦК и ГЦК сплавов. Проведен анализ релаксационных спектров легированны?; сплавов железа, хрома, ниобия и титана и разработаны физические модели процессов, обусловленных диффу?"ей под напряжением АВ, .позволяющие с единых физических позиций описать влияние атомов замещения И внедрения на активационные параметры диффузии углерода, азота и кислорода. На базе развитых физических Представлений о межатомном и атомно-дислоканионном взаимодействиях в легированных сталях, и сплавах выявлены механизмы процессов'стру^турообразопания при распаде, расслоении

и упорядочении твер^щ растворов, определены законоиернрст1Г ирртекар фазовые бездиффузионцых превращений, накопления водорода, сделен! ррактические рекомендации но выбору составов и способов обработки сплаво; Для материалов с дцслокацирнным и магнитрупрушм рассеянием энерги определены принципы формирования виброиоглощагащих свойств разработаны сплавы с регламентированным сочетанием демпфирующих и про1 постных характеристик. Для решения поставленной цели и задач в работе наряд с механической спектроскопией, использовались методы структурного физического анализа, механические и технологические испытания модельные промышленных сплавов,

Совокупность . проведенных . теоретически* и. экспериментальны исследований ~ обобщает новые знания физики твердого' тела и являете актуальным научным направлением, связанным о развитием физически представлений и ыехаццзмоз цеупругих явлений в высоколегированных тверды растворах внедрения и изучением на этой-основе процессов межатомног взаимодействия, фазовых превращений И высокодемцфирующего состояния.

Основное выводы по работе:

i. На основе систематического изучения низкочастотных релаксацнониы спектров неупругостц двойных и 'многокомпонентных сплавов Па базе систем F( Cr, Fe-Al с ОЦК-решетко1Г установлен механизм влияния типа и кенщентраци атомов замещения (АЗ) на диффузионную подвижность »томов внедрения (АВ) поле напряжений, В низколегированных (£ 5 ат. %) карбидорбразугощими эл! ментами твердых растворах замещения проявляется два типа твердорастнорно релаксации (углеродный максимум' Спука); с энергией активации, близкой энергии активации диффузии атомов углерода в кристаллической рейетке жел( за 0,8 эВ), и с энергией актвации, близкой к энергии активации а ОЦК кр1 сгаллической решетке второго компонента (например, 1,1 эВ для Сг). В выа колетнрованных твердых растворах замещение обнаружен только одцн.тип р< лаксации, характеризующийся значительным уширеиием ((i > 2) По отношению деоаевскому пику для стандартного твердого тела и 'Л; .-ртией активации, превь щшощей энергию активации ди4 ¡)узии углерода, в кристаллических решетка компонентов (1,1 -5-1,4 эВ).

2, Разработаны физические,модели коротко- и дадЬнодействуюшего меж-гомного взаимодействия, позволяющие получать количественную информацию структуре твердых растворов и перераспределении АВ вокруг АЗ в нескольких оординационных сферах на основе анализа спектров внутреннего трений. По ринципу перекрытия'межатомных связей растворенных атомов в кристалличе-кой решетке выделены два типа твердых растворов; 1) ненасыщенные, для ко-орых обоснованной и достаточной является физическая модель короткодейст-ующего межатомного взаимодействия в приближении статистической термодч-амики регулярных твердых растворов, учитывающая параметры взанмодейст-ия между АВ и АЗ только в первой координационной сфере, и 2) конЦентриро-анные (высоколегированные) сплавы па основе твердых растворов, для описа-ии которых предложена модель дальнодействующего межатомного взаимодей-Твия, учитывающая энергии упругого и "химического" межатомного взййМо-:еНствия в нескольких координационных сферах,

В сплавах системы Бе - (0+100 %)Сг определена единая величина энергии химического" взаимодействия в первой координационной сфере (НХ1Ш(1,| * 0,15 В. Изменение энергий "химического" взаимодействия в зависимости от рас-тояния описывается законом Ленарда-Джонса, его учет целесообразен в двух ;ферах, а упругого взаимодействия - в пяти координационных сферах,

3, Характер межатомного взаимодействия в легированном твердом растворе щедрения предложен в качестве классификационного признака сталей с соот-ютствующей структурой: критерием высоколегированного (насыщенного) со-тоянйя для сплавов железа с карбидообразугощпми элементами является струк-ура твердых растворов, где замешенные атомы не оставляют для атомов вне-фения позиций, в которых атомы внедрения не испытывали бы взаимодействия : одним или более атомами замещения. Для ОЦК сплавов Ре-Сг-С. и Ре-Мо-С юответствующая концентрация легирующих элементов составляет * 5 ат,

4, Разработан метод изучения кинетики упорядочения в системе Ре-А1-С на основе комплексного анализа (Н, Q"1, Р)-параметровг релаксационного спектра шффузии атомов внедрения под напряжением. Путем моделирования спектра щффузиониой релаксации С.чука й рамках модели дальнодейстн^тощет меж-1томного "занмодействга. выявлены закономерности перераспределения агомов знедреппя в кристаллической решетке. наиболее пероятш.п! набор позиций и

диффузионных путей для внедренных атомов в кристаллической решетке, определены их актнвацнонные характеристики. Переход от неупорядоченного расположения атомов алюминия в узлах кристаллической решетки к упорядоченному по типу приводит к уменьшению числа возможных позиций для атомов углерода и снижению его энергии активации и уширеНия.

5. На основе комплексного анализа эффектов ВТ, малоугловоги рассеяния нейтронов, статических й динамических механических испытаний и структурных исследований изучен механизм распада высокохромистого феррита и предложена соответствующая модель влияния АВ на его термодинамику И кинетику, заключающаяся в формировании на ранних стадиях старения высокохромнстого феррита в интервале развития "хрупкости 475°С" вокруг запятых АВ окгаэдри-ческнх междоузлий, окруженных 5-6 атомами Сг, комплексов внедрения-замещения, которые при более длительном старении провоцируют образование зон, обогащенных Сг.

Определена роль взаимодействия и перераспределения атомов внедрения н замещения в процессе распада пересыщенных твердых растворов в интервале температур проявления хрупкости высокохромистых сталей, выявлены кинетика и стадийность охрупчивания. Построена диаграмма изотермического распада высокохромистого ферртгга.

6. Установлены общие закономерности проявления диффузионной И дйсло-кационПо-усиленной' неупругости в аустенитных спл'авах систем Ие-М!, ре-№-Мо, Ге-Сг-№. Определено ••влияние содержания АВ на 'кинетику изменения свойств сплавов прн последующем охлаждении в интеррале температур мартен-ситного превращения и роль закрепления дислокаций атомами внедрения в механизмах мартенептшго превращения. Образование насыщенных примесных атмосфер на дислокациях: 1) снижает роль дислокаций как мест зарождения мартенсита за счет компенсации энергии упругих искажений вокруг дислокации и повышения энергии образования зародыша мартенсита, 2) уменьшает подвижность дислокаций и поаьгщает релаксационную стойкость аустенита, ,3) препятствует развитию изотермической кинетики зарождения и развития МП; По изотермическим зависимостям ВТ найдены акгивациони'ые характеристики изотермического МП; Энергия активации изотермического. МП в сплаве Бе-Сг-М-Мо Составила к 20 кДж/моль, в сплавах системы Ре-М!-Мо с двойной кинетикой МП

шергия активации изменяется ст » б кДж/моль у носа С-кривой до » 2+3 кДж/ «оль при понижении температуры к точке атермического МП.

7. Показано, что в зависимости от режима предварительной обработки механизм отрыва дислокаций под действием приложенных напряжений в высокотем-зературной В2 фазе никелида титана (Ti-50,6%№) может быть атермическим или термически активированным. Дтермнческому механизму отрыва соответствует {Орошо развитое иартенситное превращение (В2--> В19') при охлаждении, высоте эффекты запоминания формы и демпфирования, переход к термически активированному механизму дислокационного отрыва в высокотемпературной фазе затрудняет иартенситное прекращение, снижает зффект запоминания формы и земпфирующую способность материала. Смена механизма накопления деформации при формировании эффекта запоминания формы от сдвигового (мартен-:цп|ого) к "нормальному" (скольжение й размножение дислокации) отвечает тоявлению экстремума поглощения энергии при гомологических напряжениях.

8. Установлен механизм воздействия водорода на снижение диффузионной збдвижности атомов кислорода в Nb и ОЦК сплаве Nb-Ti, обусловленный изме-¡енкем величины энергии атома кислорода в октаэдрнческом междоузлии (L "р)ср п-за О-Н взаимодействия и расширением температурных границ релаксационного Процесса из-за разброса значений (ДЕр)с,1с ростом концезгграции водорода, предсказан Ii экспериментально подтвержден эффект концентрационного насы-деиия. Выявлены'пики ВТ, связанные с'образованием гидридов, и на основе эпределения их параметров подтвержден бездиффузионный характер гндридно-о.превращения. Показано, что время образования термодинамически стабильных водородных атмосфер на дислсказдаях при комнатной температуре значи-ггльно превосходит время перераспределения водорода в твердом растворе и зршюдит к появлению зуба текучести при актзтной деформации из-за отрыва Зислокацнй от водородных нтмосфер.

9. Предложен И экспериментально апробзтрован способ описания машитоун-lyroro гистерезиса, основанный на принципе аддитивности вкладов различных (сточников мнкронапряжений в рассеяние энергии в ферритных сплавах. Провезен аззализ применимости существующих моделей отрыва и микропластичзюсти УТЯ описания дислокационной деформации и Получены энергетические и reo-

метрически? параметры дослодаионно-примесных структур. На основе комплексного анализа саойстя модальны* и промышленных сплавов системы Fe-Cr с добавкаци Mo, Al, Nh, Zf оптимизированы их составы и режимы термических обработок на высокодемпфируюшее состояние, разработаны сплавы « регламентированным сочетанием демпфирующих и прочностных характеристик.

Список основных работ по теме диссертации!

1. Головин И.С, » Актинацицнные параметры микропластинности железа H В ки; "Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов", Тула: ТЦИ, 1981, с. 102-107, ;

2. Саррак В.И., Томилин И.А,, Суворова C.Q,, Грловин Й.С., Косарева М.Н, -Растворимость углерода в высокохромистой стали и ее' свойства ¡1 В. кн. «Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов», Тула: ТНИ, 1983, с, 149-156,

3. Qolovin S.A., Oolovin I.S„ Рцзкаг А, г Mechanisms and activation parameters of cypliç miçroplasticlty У/ ^Covové ijiateriâly, 1983, № 3, v- 21, p. 305-313:

4. Головин И.С., Саррак В.И., Суворова С.О' - Исследование поведения углерода в высокохромистой стали типа Х25 в ходе разлития "хрупкости 475 "С" методом внутреннего трения // ФММ, 1984, т- 57, вып, 5, с. 1031-1033. '

5. Головин И.С., Саррак В.И., Суворова C.Q., Чевакина" М.И, - Старение сплава Х25 с различным содержанием азота в твердом растворе при 475 °С // ФММ, 1985, т, 60, вып.б, с. 1197-1202.

6. Головин Й.С., Саррак В.И., Суворова С,О., Дмитриев В.В. - Распад твердого раствора внедрения и расслоение высокохрсмвстого феррита при развитии ''хрупкости 475 °С" // ФММ, .1987, т, 64, вый, 3, с. 540-548.

7. Саррак В.И., Суворова С.О., Горонкоаа А.Д., Головин И.С. - Исследование свойств корроэишшостойких суперферритнык сталей для химической машиностроения//МиТОМ, 1987,'Хз 12. с. 18-20. . '

8. Головин Й-С., Саррак В.И., Суворова С.О. - Влшние предрарнтельной деформации на спектр температурной зависимости в.[утреннего трения высэдедхрпмиг стых ферритпых сталей // В ют.: "Внутреннее тренм в исследовании металлов; сплавов и HiopraniPiecio.ix материуюв",М.: Наука, 19$?, с.142-146.

9. Головни Й.С., Суворова С,О., Наумов В.В. • Влияние структурного состояния на демпфлрущую Способность высркохромистых сталей // Изв.АН ÇCCP. Металлы, 1989, выи. 4, с. 162-165. ' * .

10. Golovin I.S., Sarrak V.I,, Suvorova 8.0. - Relaxation Spectrum oflntemal Friction of Ferrltic High Chromium Steels // В кн. «Internal Friction and Ultrasonic Attenuation in Solids», PergamOn Press, 1990, p. 95-98.

11. Головин Й.С., Сарра к В.И., Спасский М.Н., Суворова С,О. - Кинетика развития "хрупкости 475 6С" и структура высокохромистой ферритной стали // ФММ, 1990, йыц. 6, с. 145-151,

12. Головин И.С., Суворова С.О., Саррак В.И. и др. - Демпфирующая способности хромистых сложнолегированных сталей И Изв. АН СССР. Металлы. 1990, Ма 6, с. 153-160.

13. Головин И.С. - Сплавы о особенностями демпфирования (Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях, Справочник, разд. 5) // М.: Металлургия, 1991, е.133-147.

14. Головин И.С. - Механизм рассеяния энергии механических колебаний в высокохромистых сплавах при температурах -190+700°С // В кп; «Влияние дислокационной структуры На свойства металлов и сплавов», Тула: ТГЩ, 1991,с.105-120.

15. Golovin I.S., Sarrak V.I., Suvorova S.O. • Influence of Carbon and Nitrogen on Solid Solution Decay and "475 "C Embrittlement" of High-Chromium Ferritic Steels H Met. Trans., V.23A, Xa 9, ¡992, p.2567-2579:

16-. Golovin I.S., Sarrak V,I., Suvorova S.O. - Investigation of "475 °C embriitlement" of high chromium ferritic steels with the use of internal friction // Materials Science Forum, v, 1 i9-121 (1993), p. 419-424.

17, Голошш И.С., Кануиникоза И.Ю. - Влияние предварительной деформации на демпфирующую способность ферритной стали типа XI6 // МиТОМ, 1993, № 7, с.35-38.

18. Голошш И.С., Рохманои Н.Я, - К вопросу о формировании высокодемпфи-рующего состояния Л МиТОМ, 1993, N° 9, с. 29-35.

f9, Головин И.С,, Варвус И,А. - Влияние температуры на демпфирующую способность высококохромистой^тали // МиТОМ, 1994, № 1, с. 26-30. 20, Golovin I.S. - Mechanisms of Damping Capacity of High-Chromium Steels and ' a-Fe and Its Dependence on Some External Factors // Met.Trans., v. 25A, 1994, № 1, • p,111-124.

■ 21. Golovin S., Golovin 1., Rodionov U., Seleznev V. - The influence of chemical - composition and thermal treatment on the temperature dependent internal friction of Fe-Ni alloys in the range ol the phase transfonnation II. I. of Alloys and Compounds, 2i (/212 (¡994), р_Л94-197.

22. Golovin I,S. - Internal friction end modulus defect in a-Fe-based high alloyed (Cr, Mo) hidamet//J. ofAiloys and Compounds, 211/212(1994), p.147-151.

23. Саррак В.И., Суворова C.O„ Головин И.С., Мишин B.M., Кислюк И.В. Природа отпускной хрупкости высокохромистого феррита // Проблемы прочности, 1994, №7,с,71-75

24. Блантер М. С., Головин И. С., Головин С. А., Ильин А. А„ Саррак В. И. -Механическая спектроскоп!« металлических материалов. М.: Межд, Иаж.-академия, 1994,256 с.

25. Головин И.С., Суворова С.О., Береднев А.Г. Разработка стали для KœKyxa компрессора холодильника. Бюллетень ТШТ. Черная металлургия, 1995, № 7, с. 1В-2\

26. Rokhmanov N.Y., Golovin I,S. - The magnetornechanical hysteresys аз thé main mcchanisrn of decay of small, deformation in the soft ferromagnetic alloys // Proc. of the 4th European Conf. on Advanced Materials and Processes, Padua/Vepice, 1995, p. 383-386. ..•"'••

27. Golovin S.A., Golovin I.S., Seleznev V,N. - Isothermal and athermai phase transformation of FeNiMo Alloys // J. de Physique, IV, C8, v.S, 19.95, p, 305-510.

28. Golovin I.S. • Analysis of Relaxation Effects Caused by Interstitiels in High Alloyed BCC and FCC Solid Solutions // Proc. ICAM'96, in: Progress in Advanced Materials and Mechanics. Beijing: Peking University Press, China, 1996, p. 1008-1013.

29. Ilyin A.A., Golovin I.S., Koiierov M.U., Schinaev A,A. - The investigation of deformation and damping mechanisms in Ti-50,6%Ni alloy // Proc; III Intern. Conf. of Intelligent Materials, SP1E, v. 2779,1996, p. 463-468.. -,

30. Головин C.A., Головин И.С. - Неупругие эффекты и мартенситные превращения в сплавах Fe-Ni-Mo // ФММ, 1996, т, 82, вып. 2, с. 71-82. -

31. Golovin I.S., Gorr.j'narov S.S., Golovin S.A. - The contribution of dislocation-impurities interaction to kinetics .of martensitic transformation of quenched f.c.c. Fe-Ni-Mo alloys//J. de Physique, C.8, v.6 (1996), p. 409-412. '■

32. Golovin IS., Golovin S.A. - The Dislocation-Enhanced Finkelshtain'-Rosin Effect (DEFRE) in Austenitic Steels // J. de Physique, C,8, v.6 (1996), p.143-146.

33. Golovin I.S., Bianter M.S., Vasiliev A.V. - The hydrogen influence upon oxygen Snoek relaxation in Nb-Ti alloys // J. de Physique, C.8, v.6 (1996), p.107-110.

'34. Golovin I.S., Koiierov M.U., Schinaeva E.V. - The study of microplasticity mechanism in Ti-50 \vt.%Nb alloy with high hydrogen content - J. de Physique, C.8; v.6 (1996), p.289-292. ■ ' . •

55. Головин И.С., Бвгайярд Л,, Шинаева В,В. - Механизм дислокационно примесного взаимодействия в В? фазе никелида титана и кинетика бездиффузиоино-го превращения В2 фазы при охлаждении // Изв. АН, Металлы, 1997, №2,с.78-90.

36. Oolovin 1.8., Blanter M,S., Schaller R. - Snoek type relaxation In Fe-Cr alloys // Phys. Stat. Sol. (a), 1997, v. 160, p. 49-60.

37. Ilyin A.A., Kollerov M.Yu., Oolovin I.S. - Hydrogen influence on plastic deformation mechanism of (5-tltanium alloys and Ti-Nb alloy // J. of Alloys and Compounds, y, 253-234 (1997), p, 144-147.

38. Головин И. С. • Спектр внутреннего трения и строение ОЦК сплавов со структурой твердых растворов // ФММ, 1997, Xs 6, о. 137-148.

39. Chudakov I.B., Goiovin I.S. - Effect of Crystalline and Magnetic Structure on Magnetomechanical Damping of Fe-Cr-Based alloys // В кн. «Mechanics and Mechanisms of Material Damping», ASTM STP 1304, American Society for Testing and Materials, 1997, p. 162-178,

40. Жарков P.B., Головин И.С„ Головин С,А, • Параметры релаксации Финкель-штейна-Розина в закаленных и холодиодеформированных FeNiMo сплавах // Известии АН, Физическая серия, т.60, № 9,1996, с.148-154.

41. Сержантова Г.В., Матвеева Hi!., Головин И.С. и др. - Влияние пластической деформации на температурный спектр внутреннего трения аустенитных и фер-ритных сталей // МиТОМ, 1997, N 9, с.14-20.

42. Головин И,С,, Бдаитер М.С., Магалас Л, - Влияние водорода на кислородную релаксацию Снука в ниобии и его сплаве с титаном // ФММ, 1998, т. 85, вып. 2, с. 86-97,

43. Головин И,С., Поздова Т-В-, Головин'С.А. - Неупругие эффекты при упорядочении Fe-Al сплавов // МиТОМ, 1998, Кз 4,. с. 3-9,

44. Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Головин И.С., Шйнаев А.А. - Исследование механизмов формоизменения при деформации и нагреве титановых сплавов с эффектом запоминания формы // МиТОМ, 1998, № 4, с. 12-16,

45. Oolovin I.S., Blanter M.S., Pozdova T.V., Tanaka К., Magalas L.B. - Effect of substitutional ordering on the carbon SnOek relrxatlcn in Fe-AI-C alloys. // Phys. Stat. Sol. (a), 1998, vol. 168, n 2, p. 403-416.

46. Goiovin I.S. - Interatomic Interaction and Alloying Criterion for Ferritic Alloys. // In "Nondestructive Characterization of Materials VIII" Edited by: Robert E. Green, Jr., Plenum Press, New York, 1°98, p. 163-168.

,, яг- а ж-з 59Я/с>р

//. -Г/* ) ¡Г) г Г о

Институт Металлофшйки рЩЩЧермеФ- тлЖ П. Бардина и Российский Государственный Технологический Университет МАТИ им. К. Э. Циолковского

—: Ир о сиди ^ м БАК России.......|---

Ц :: шение от " 19 №<&/£> I

¡7 ^^ ~~ Ща правах рукописи

// -судил ученую степень ДОКЛ =

„^у, ^ ' ~ УДК 539.67

гчалышк управления ВАК Россию-

Игорь Станиславович

МЕХАНИЗМЫ НЕУПРУГИХ ЯВЛЕНИЙ В ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ

Специальность 01.04.07. - Физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Научный консультант: член-корр. РАН, проф. Ильин А.А.

Москва -1998

Содержание.

Введение 5

Список обозначений и сокращений 8

9

Глава 1. Механическая спектроскопия высоколегированных сплавов со структурой твердых растворов (состояние вопроса)

1.1. Диффузионные эффекты температурного спектра ВТ 14

1.1.1. Диффузия атомов внедрения в ОЦК металлах (релаксация Снука) 16

1.1.2. Диффузия атомов внедрения в ОЦК сплавах 19

1.1.3. Релаксация внедренных атомов в металлах с ГЦК решеткой 24

1.1.4. Релаксация в твердых растворах замещения (релаксация Зинера) 25

1.1.5. Водородная и кислородная релаксация в сплавах 26

1.2. Дислокационная неупругость 30

1.2.1. Усиленный дислокациями эффект Снука 30

1.2.2. Дислокационно-примесная релаксация - 31

1.2.3. Дислокационный и механический гистерезис 32

1.3. Сплавы высокого демпфирования 35

1.3.1. Основные источники структурного демпфирования 3 5

1.3.2. Магнитоупругий гистерезис 37

1.4. Неупругость, обусловленная фазовыми превращениями 41

1.5. Задачи исследования 48

49

Глава 2. Материалы и методика исследования

2.1. Выбор материалов 49

2.2. Методы исследования 55

2.2.1. Методы механической спектроскопии 56

2.2.2. Методы структурного и физико-механического анализа 70

2.3. Выводы по главе 74

75

Глава 3. Механизмы релаксации в ОЦК твердых растворах внедрения

с хаотическим распределением атомов замещения

3.1. Особенности формирования спектра релаксации сплавов железа 75 с хаотическим распределением атомов легирующих элементов

3.1.1. Релаксация Снука в двойных ферритных и суперферритных сплавах 75

3.1.2. Релаксация Зинера и примесный зернограничный максимум 82

3.2. Разработка методов аналитического описания релаксации Снука 84 3 .2.1. Модель релаксации Снука в приближении регулярного твердого раствора 84

3.2.2. Модель релаксации Снука в приближении нерегулярного твердого 90 раствора (модель дальнодействующего межатомного взаимодействия)

3.2.3. Анализ результатов моделирования и механизмы межатомного 96 взаимодействия в высокохромистом феррите

3.3. Выводы по главе 102

104

Глава 4. Механизмы релаксации в ОЦК твердых растворах внедрения с нехаотическим распределением атомов замещения

4.1. Механизмы расслоения хромистого феррита 104

4.1.1. Перераспределение растворенных атомов в процессе термического старения 105

4.1.2. Роль атомов внедрения в расслоении легированного феррита 111

4.1.3. Механизм и стадийность охрупчивания хромистых сталей при старении 112

4.1.4. Влияние углерода на свойства суперферритных сталей 120

4.2. Механизм релаксации в сплавах системы Бе - А1 при упорядочении 123 4.2.1. Анализ релаксационного спектра Ре - А1 - С при упорядочении 126 4.2.2 Межатомное взаимодействие в системе Бе - А1 - С 130

4.3. Механизм атомной диффузии в концентрированных твердых растворах 136

4.3.1. Температурный спектр релаксации ОЦК сплавов на основе ниобия 137

4.3.2. Компьютерное моделирование спектра внутреннего трения 141

4.3.3. Результаты моделирования 144

4.4. Выводы по главе 146

Глава 5. Неупругость при бездиффузионных фазовых превращениях ^

сплавов со структурой ГЦК и ОЦК твердых растворов внедрения

5.1. Релаксационная и фазовая неупругость Бе - № сплавов 148

5.1.1. Строение твердого раствора аустенитных Бе - N1 сплавов 148

5.1.2. Кинетика изотермического и атермического мартенситного превращения 155

5.1.3. Влияние строения матричной фазы на кинетику МП 157

5.1.4. Строение изо- и атермического мартенсита и его релаксационный спектр 163

5.1.5. Механизм изотермического МП в сплавах на основе железа 166

5.2. Неупругость при фазовых превращениях в сплавах на основе титана 172

5.2.1. Дислокационно-примесное взаимодействие в В2 фазе NiTi 172

5.2.2. Поглощение энергии при мартенситном превращении в NiTi 178

5.2.3. Взаимосвязь параметров неупругости и эффекта запоминания формы 181

5.2.4. Неупругость при гидридном превращении титановых сплавов 186

5.2.5. Деформационные эффекты и механизмы АЗВТ при наводороживании 189

5.3. Выводы по главе 192

194

Глава 6. Дислокационная и магнитомеханическая неупругость в легированных ОЦК и ГЦК твердых растворах внедрения на основе железа

6.1. Релаксационные эффекты, обусловленные взаимодействием атомов внедрения 194 и дислокаций в ферритных и аустенитных сплавах железа

6.1.1. Влияние деформации на релаксационный спектр ферритных сплавов 195

6.1.2. Влияние деформации на релаксационный спектр аустенитных сплавов 198

6.1.3. Компьютерный анализ дислокационно-усиленной релаксации 201

6.1.4. Механизм дислокационно-усиленной релаксации 205

6.2. Выделение дислокационного рассеяния энергии и анализ моделей АЗВТ 213

6.3. Магнитоупругий гистерезис в высоколегированных ОЦК сплавах железа 218

6.3.1. Сплавы системы Fe - Сг 219

6.3.2. Сплавы системы Fe - А1 225

6.3.3. Влияние внешних силовых и температурно-временных факторов 227

6.3.4. Принципы создания высокодемпфирующего состояния 233

6.3.5. Структурная модель формирования высокодемпфирующего состояния 239

6.4. Выводы по главе 244 Заключение и выводы по работе 246 Литература 251

Введение.

Прогресс при разработке перспективных конструкционных и новых материалов с заданными свойствами связан с развитием физических представлений о закономерностях их реального строения и процессах структурообразования. В этой связи вопросы развития новых методов анализа и изучение механизмов межатомного и дислокационно-примесного взаимодействия в легированных твердых растворах внедрения с ОЦК, ГЦК и ГПУ упаковкой, являющихся базой многих конструкционных материалов в промышленности, одни из наиболее актуальных задач современного физического и прикладного металловедения.

Настоящая работа посвящена решению этих вопросов путем экспериментального и теоретического изучения закономерностей проявления неупругих явлений, обусловленных межатомным и дислокационно-примесным взаимодействием, и их механизмов в многокомпонентных твердых растворах с хаотическим и закономерным распределением атомов легирующих элементов при расслоении, упорядочении, механическом и фазовом воздействии; разработке принципов моделирования и обоснованию физических моделей описания соответствующих низкочастотных спектров релаксации и демпфирования. Наряду с механической спектроскопией строения твердых растворов методом внутреннего трения (ВТ) на всех этапах исследования использовались методы структурного и физического анализа (оптическая и электронная микроскопия, фрактография, рентген, нейтронография, комплекс статических, динамических и циклических механических испытаний и др.).

Теоретические основы неупругих явлений в твердых телах впервые были изложены в известной монографии Кларенса Зинера [1]. Позже фундаментальные разработки в области теории неупругих явлений в твердых телах зарубежных и отечественных научных школ Ч. Верта, А. Новика, Т.С. Ке, А. Гранато, К. Люкке, H.H. Давиденкова, Б.Н. Финкелыптейна, B.C. Постникова и многих других ученых создали основу эффективного метода анализа релаксационных и гистерезисных процессов, фазовых превращений и структурообразования металлов и сплавов. Результаты, полученные с использованием метода ВТ, принесли новые представления о строении многих традиционных (железо, медь, алюминий, уголь и др.), промышленных (кристаллические и аморфные стали и сплавы) и экзотических (метеориты, предметы быта Египетских фараонов и др.) материалов, о механизмах распада твердых растворов при старении, при фазовых превращениях и упрочнении материалов, позволили сформулировать и обосновать новые идеи о термически активированных и атермических

процессах движения дислокаций, выявить особенности строения дислокационных скоплений и границ зерен и т.д.

В настоящее время на различных конференциях и симпозиумах особое внимание привлекают проблемы изучения атомного строения комплексно легированных твердых растворов путем анализа температурных, частотных, временных и амплитудных спектров упругих и неупругих характеристик сплавов. Несмотря на несомненные достижения метода при изучении модельных или двухкомпонентных систем, результаты таких исследований не могут быть использованы для анализа многокомпонентных металлических сплавов. Механизмы взаимодействия различных типов атомов внедрения и замещения в многокомпонентных системах существенно отличаются, а разработанные ранее методы для их анализа оказываются количественно, а порой и качественно, недостаточными. Для решения задачи необходимо систематическое экспериментальное изучение неупругих эффектов, обусловленных миграцией атомов внедрения и замещения в легированном феррите и аустените сплавов с ОЦК и ГЦК решетками (релаксации Снука, Финкелыптейна-Розина, Зинера) в широкой области концентраций. Только на этой основе возможна разработка новых физических моделей, методов анализа и принципов компьютерного моделирования релаксационных процессов, обусловленных диффузионной подвижностью атомов в поле напряжений.

К неупругости дислокационно-примесной природы в многокомпонентных твердых растворах следует отнести релаксационные (релаксация Снука-Кестера, водородная и наведенная дислокациями релаксация Снука), гистерезисные (микро- и макропластическое поглощение энергии, магнитомеханический гистерезис) эффекты и температурно-временные зависимости внутреннего трения, отражающие фазовые превращения. Эволюция дислокационной и доменной структуры в процессе фазовых превращений и пластической деформации существенно влияет на формирование свойств многокомпонентных сплавов. В теориях гетерогенного зарождения второй фазы основное место отводится дислокациям, как областям с отличными от основного твердого раствора термодинамическими свойствами. На основе анализа примесных дислокационных атмосфер возможно развитие новых представлений о термоактивированных объемах при фазовых превращениях. В этом случае требуется не только накопления фундаментальных представлений о поведении материалов под нагрузкой, но и анализ как самих механизмов неупругого отклика сплавов со структурой твердых растворов при механическом и фазовом наклепе, так и разработки соответствующих физических моделей и обоснования критериев их применимости.

Практическим результатом таких исследований становится информация о растворимости, взаимодействии атомов внедрения и замещения между собой, с другими дефектами кристаллического строения; о природе формирующихся в поле напряжений локальных термоактивированных объемов и механизмах деформационного упрочнения на микро и макроскопическом уровне; о кинетике и характере фазовых превращений изотермического, атер-мического и термоупругого типа, упорядочения или расслоения легированного твердого раствора. Получение систематических данных об упругих характеристиках и рассеянии энергии в сплавах лежит в основе разработки новых сплавов высокого демпфирования, высокой добротности и с эффектом памяти формы. Актуальность исследований подтверждается практической востребованностью таких разработок в современном материаловедении при формировании необходимого комплекса физико-механических свойств конструкционных материалов и прогнозированием их эксплуатационной надежности.

Цель работы - развитие методов анализа, установление закономерностей и механизмов термически активированной и атермической неупругости в ОЦК и ГЦК сплавах; изучение на этой основе особенностей строения легированных твердых растворах внедрения, процессов межатомного взаимодействия при упорядочении, расслоении, фазовых превращений и формировании высокодемпфирующего состояния.

Базовыми для решения этих задач являлись модельные и промышленные стали и сплавы на основе железа с Сг, А1, N1 и др., а также сплавы на основе титана с № и N1).

Основные научные и практические разработки по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами НИР ЦНИИЧермет, координируемыми Научным советом АН СССР "Новые процессы получения и обработки металлических материалов" (раздел 2.13.4.5.1.2), Государственной стандартизации (раздел ТК-180: Государственная служба стандартных справочных данных), межвузовской научно-технической программой "Физико-химические процессы при взаимодействии водорода с металлическими материалами и водородные технологии" (ГК РФ по высшему образованию, пр. №. 162 от 22.03.1993); а их апробация - в рамках грантов международных, национальных и университетских фондов.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному консультанту член-корр. РАН профессору А. А. Ильину за постоянное внимание к работе, профессорам М. С. Блантеру, Д. М. Левину, Э. И. Эстрину, своим коллегам и соавторам за сотрудничество, товарищескую помощь и многочисленные дискуссии по работе.

Список обозначений и сокращений, использованных в работе.

МС -ВТ -

тзвт-

АЗВТ -

ДС-

СВД-

дм -

ТЗМУ-АЗМУ -

мп-лэ-

АВ-

АЗ-

УДС-

ФР-пик -

УДФР-

МУГ-

ГД-

т-

Тс-Тк -Т± -

а®-

ств-

ат и сто,2 -

СЧос "

8 (у) ■

бкрь екр2 или

УкрЬ Укр2 -к-Я-

8-

V-

шД-

механическая спектроскопия, внутреннее трение,

температурная зависимость внутреннего трения, амплитудная зависимость внутреннего трения, демпфирующая способность, сплав(ы) высокого демпфирования, дефект модуля,

температурная зависимость модуля упругости, амплитудная зависимость модуля упругости, мартенситное превращение:

(АМП - атермическое, ИМП - изотермическое, ТУМП - термоупругое), легирующий(е) элемент(ы), атом(ы) внедрения, атом(ы) замещения,

усиленный дислокациями Снука эффект (или пик), пик Финкелынтейна-Розина,

усиленный дислокациями Финкелыптейна-Розина эффект (или пик), магнитоупругий гистерезис, граница(ы) домена(ов),

температура (температура расчетных и некоторых экспериментальных данных

приведена в градусах Кельвина, температура термической обработки и некоторых

других параметров традиционно приводится в градусах Цельсия)

температура Кюри,

температура Курнакова,

температура конденсации АВ на дислокации,

нормальное (касательное) напряжение,

временное сопротивление разрыву,

физический и условный пределы текучести,

внутренние напряжения,

локальное внутреннее напряжение,

нормальная (сдвиговая) деформация,

критические амплитуды деформации при измерениях АЗВТ, константа Больцмана, универсальная газовая постоянная, внутреннее трение (ВТ),

Ро ^ Од"' и СЬ,"1 - фоновая, дислокационная и магнитноупругая компоненты ВТ, логарифмический декремент (8 = (1пА2/А1)/п), относительное рассеяние энергии за цикл колебаний (ДС), частота колебаний.

Глава 1.

Механическая спектроскопия высоколегированных сплавов со структурой твердых растворов (состояние вопроса).

Измерения линейных и нелинейных неупругих характеристик в твердых телах принято называть методом внутреннего трения. Используются и другие термины: физическая акустика, поглощение ультразвука, динамическая петля гистерезиса, внутреннее рассеяние энергии, демпфирование и т.д. [1 - 15]. Обобщенная концепция механической спектроскопии (МС) как одного из разделов спектроскопии была выдвинута Р. Де Батистом и Л. Магаласом и обсуждена на VI Европейской Конференции по внутреннему трению и затуханию ультразвука в твердых телах [16]. Механическая спектроскопия изучает спектры поглощения механической энергии при наложении внешнего, как правило периодического, механического поля. В зависимости от природы возмущающего поля в системе "источник возмущения - физический объект, подвергнутый воздействию возмущающего поля, - отклик" (рис. 1) спектроскопия анализирует характеристики поглощенной или выделяемой энергии и определяется физической моделью объекта.

Возмущающее Поле (Г) Физический объект Отклик (II)

Рис. 1.1. Схема "источник возмущения - физический объект - отклик".

Приложение внешнего возмущающего поля (Б) приводит к новому равновесному состоянию, которое устанавливается во времени. Разрыв между возмущением и откликом (II) при периодическом нагружении приводит к возникновению петли гистерезиса в координатах: Я = £ (Б). Гистерезис сопровождается диссипацией энергии, обобщенный модуль (или "податливость системы") могут быть определены из соотношения:

Б = (а' +1 а")11. (1.1)

Если возмущающее поле имеет механическую природу, например Б - напряжение и II -деформация, то функция отклика а = (а' +1 а") имеет смысл комплексного модуля упругости М (жесткость) системы, ес�