Мессбауэровское исследование распределения легирующих элементов в ОЦК решетке железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

1. Изучение влияния примесных атомов меди на мессбауэровские спектры об -Fe

1.1. Анализ существующих моделей сверхтонких взаимодействий и природы Нэфф на ядрах Fe в оцк решетке железа •

1.2. Свойства сплавов железа с малым содержанием

1.3. Мессбауэровское исследование сплавов на основе ot - Fe с малым содержанием меди.

2. Применение мессбауэровской спектроскопии для исследования распада твердых растворов на основе оС-Ге

2.1. Анализ теорий образования специальных карбидов • 38 2.1 Л. Описание установки и методики измерений ••••••••• . «

2.2. Применение мессбауэровской спектроскопии для исследования процессов распределения атомов в твердых растворах на основе оС - Fe . • • •

2.3. Исследование процессов карбидообразования в стали I2XH3A.

2.4. Исследование процессов распределения легирующих элементов в стали 15ХН5МФ после повторно-статического разрушения.

3. Образование карбидов при отпуске сталей

3.1. Применение мессбауэровской спектроскопии для изучения процессов образования карбидов при отпуске сталей.

3.2. Влияние легирующих элементов на свойства карбидов железа ••

3.3. Исследование структуры карбидов, выделенных из сталей -5М1-1.3№о и

Ге-0.5С - 5Ы1 -О.бМо.

3.4. Исследование процессов карбидообразования в стали Ре- 0.5С - -0.92&

3.5. Исследование карбидных фаз, выделяющихся при отпуске сложнолегированной стали

12ХНЗА

Выводы

Изучение сверхтонких магнитных полей (нэфф) на ядрах атомов в магнетиках представляет большой интерес для физики твердого тела, поскольку значения Нэфф чувствительны к атомному окружению исследуемого атома, типу магнитного упорядочения, электронным свойствам матрицы. В настоящее время установлены основные, принципиально возможные механизмы формирования сверхтонких полей на ядрах атомов. Однако этих знаний недостаточно для понимания конкретных механизмов магнитного упорядочения в кристаллах. Речь идет не столько о том, какой из механизмов формирования Нэфф на данном ядре играет определяющую роль, а скорее об отсутствии адекватных моделей, связывающих электронную структуру металла, его магнитные свойства, с одной стороны, с наблюдаемыми величинами Нэфф - с другой.

Одним из ключевых вопросов этой проблемы является вопрос о теоретическом и экспериментальном исследовании сверхтонких взаимодействий в бинарных сплавах железа с такими элементами, как V, Мо , Сг , Си . Необычность поведения атомов меди в оцк решетке железа дает основание сомневаться в правильности существующих моделей сверхтонких взаимодействий (СТВ). Построение непротиворечивой теории позволило бы использовать информацию о величинах параметров СТВ, наблюдаемых в эксперименте, для понимания процессов магнитного упорядочения в таких системах.

В первой главе диссертации предлагается и рассматривается новый подход к вычислению изменений Ндфф на ядрах атомов железа в сплавах, вызванных присутствием в ближайших координационных сферах атомов примеси. На основании этого подхода удалось объяснить результаты по мессбауэровскому исследованию бинарных сплавов А - Ре (Си ).

При создании вторичнотвердеющих конструкционных сталей с заранее заданными свойствами и разработке технологии для получения их оптимальных характеристик, необходимо знать распределение и перераспределение легирующих элементов в процессе: различных термообработок, образования и выделения новых фаз. Так как параметры сверхтонких взаимодействий чувствительны к ближайшему окружению атомов, то решение отмеченных выше проблем с помощью мессбауэров-ской спектроскопии оказывается весьма эффективным. К тому же при решении прикладных задач физического металловедения применение традиционных методов часто бывает затруднено по различным причинам. Так успешное проведение количественного анализа дифракционными методами в значительной мере зависит от степени дисперсности и текстуры образца. Магнитные измерения хотя и позволяют определять интегральное содержание магнитной фазы, однако, они не позволяют ее идентифицировать и обладают низкой избирательностью. Описанные выше трудности не проявляются при изучении подобного рода задач с помощью мессбауэровской спектроскопии. С ее помощью можно не только определять уже сформировавшиеся фазы в образце, но и изучать превращения в матрице, предшествующие образованию новой фазы, упорядочение атомов примеси, расслоение твердого раствора и т.д.

Во второй главе представлены результаты изучения процессов перераспределения легирующих элементов в некоторых твердых растворах на основе а - Ре . В качестве объектов исследования были выбраны важные для практики низкоуглеродистые (0.5 ат.% С ) стали, содержащие в качестве легирующих элементов никель (5 ат.#), молибден (I а.т.%) и хром (I а.т.%). Данные стали способны упрочняться в результате процесса вторичного твердения, протекающего при определенных термообработках. Наблюдаемые, и часто значительные, изменения прочностных свойств образца связаны с незначительным перераспределением легирующих элементов и появлением малого количества новых фаз. Количественное изучение таких процессов чрезвычайно важно с точки зрения понимания механизма вторичного твердения, оптимизации режимов: термообработок и количеств дорогостоящих легирующих элементов. Результаты мессбауэровских исследований, приведенные в этой главе, позволили понять кинетику выхода легирующих элементов из твердого раствора при процессах вторичного твердения и оценить роль отдельных легирующих элементов.

Изучаемые с помощью мессбауэровской спектроскопии образцы обычно представляют собой фольги, свойства которых значительно отличаются от свойств массивных образцов. Поэтому в данной главе результаты традиционных исследований "на просвет" сравниваются с результатами исследований массивных образцов в геометрии обратного рассеяния и показывается, что к результатам экспериментов с фольгами следует подходить с большой осторожностью.

Процессы вторичного твердения связаны с образованием в сплаве так называемых специальных карбидов. Вопрос образования специальных карбидов является ключевым для понимания процессов вторичного твердения. Поэтому 3-я глава посвящена мессбауэровскому изучению карбидных фаз, выделенных из сталей после различных термообработок. В результате удалось выяснить роль цементита при образовании специальных карбидов и обсудить возможные механизмы их образования.

I. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ МЕДИ НА МЕССБАУРОВСКИЕ СПЕКТРЫ

Экспериментальное и теоретическое изучение магнитных сверхтонких взаимодействий для немагнитных атомов в металлических магнетиках представляет большой интерес при решении фундаментальных задач теории магнетизма. Хотя в последние годы в этой области и достигнут определенный прогресс, существующие представления ещё далеки от совершенства. И неудивительно, что при интерпретации одних и тех же экспериментальных данных разные авторы предлагают различные подходы. Более того, мессбауэровские спектры согласно существующим представлениям, трудно объяснить. Интерес к этим сплавам вызван и тем, что эти сплавы важны с практической стороны при получении низкоуглеродистых сталей с повышенными прочностными свойствами. Изучению этих вопросов и посвящена настоящая глава.

В параграфе 1.1 дан критический анализ существующих моделей магнитного сверхтонкого взаимодействия.

В параграфе 1.2 приводятся краткие, но достаточно полные сведения о механических и магнитных свойствах сплавов железа с малым содержанием меди и о их изучении с помощью традиционных методов и с помощью мессбауэровской спектроскопии.

В параграфе 1.3 рассмотрены экспериментальные результаты, полученные с помощью эффекта Мессбауэра в сплавах железа с малым содержанием меди. Экспериментальные результаты сравниваются теоретическими расчётами.

1. Van der Wou.de F., Vincze I. Magnetism from Mossbauer spectro-cpy. J. de Physique. 1980, v. 41, p. c1-151-54.

2. Теория ферромагнетизма металлов и огшавов. М. : Ш1., 1963, 536 о.

3. Daniel Е., Friedel J. Sur la polarisation de spin des electrns de conductiblite dans les metaux ferromagnioues. J. Chem. Solids. 1965, v. 24, p. 1601-7.Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах. М. : Мир, 1970, 368 с.

4. Blandin A., Campbell I.A. Phys.Rew.Lett. Ruderman-Kitel-Ka-syua-Yosida spin Polarization in a strongly pertubed medium and applications to hyperfinr field, v.31, 1, p. 51-54* 1973.

5. Stearns M.B., Origin of the hyperfine fields in pure FE and soulte atoms in Fe. Physical Review. В., 1971, v. 4, 11, p. 4081-91.

6. Campbell I.A. Hyperfine fields on impurieties in ferromagnetic metals. J.Phis. C2. 1969, p. 1338-51.

7. Stearns M.B. Hyperfine fields dn nonmagnetic elements in ferromagnetic metal hosts. Phys. Rev. В., 1976, v.13,6, p.4180-82.

8. Sterns M.B. Itinarant 3d-electron spin-density oscillations surronding solute atoms in Fe. Physical. Rev. В., 1976,v. 13, p. 1183-97.

9. Stearns M.B., Norbeck J.M. Hyperfine fields at nonmagneticatoms in metallic ferromagnetics. Phys.Rev. В., 1979, v. 20, 9, p. 3739-52.

10. Sterns M.B., Feldkamp L.a. Comparision of d-moment perturbations from hyperfine fields and neutron scattering in Fe alloys. Phys. Rev. В., 1976, v. 13, p. 1193-1204.

11. Коlk В., Model for the temperature dependence of hyperfine fields a diamagnetic impurities in magnetic metals. Hyperfi-ne Interactions. 1981, v. 9, p. 419-26.

12. Кондратьев А.С., Уздин B.M. Ферми-жидкоотный подход к теории переходных магнит неупорядоченных металлов. Веотник ЛГУ, 1982, № 22, о. 86-89.

13. Гитцович В.Н., Кондратьев А.С. Межэлектронная корреляция в модели Авдерсона. ФТТ, 1980, т. 22, ïh 9, 0. 2854-56.

14. Гитцович В.Н., Ковдратьев А.С., Уздин В.М. Ферми-жидкоотный подход к описанию локализованных магнитных моментов в переходных металлах. ФММ, 1983, т. 55, вып. 3, с. 649-654.

15. Гитцович В.Н., Ковдратьев А.С., Уздин В.М. Ферми-жидкостный подход к описанию магнитных свойств сплавов. ФММ, 1984,т. 58, вып. 3, с. 443-50.

16. Силин В.П. Теория вырожденной электронной жидкости и электромагнитные волны в металлах. ФММ, 1970, т. 29, вып. 4, с. 68137.

17. Каданов Л., Бейм Г. Квантовая статистическая механика. М. : Мир, 1964, 255 с.

18. Харрисон У. Квантовая теория твердого тела. М. : Мир, 1972, 616 с.

19. Aldred А.Т. Magnetization of iron-rich solid solution alloys with non-transition elements. J.Phys.G. 1968, v. 1, р.1ЮЗ-11.

20. Kaizar F., Parrete G. Magnetic moment distribution in bcc Fe-Cu alloys. J.App.Phys. 1979, v. 50, p. 1966-68.

21. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978, 792 с.

22. Клейнер Jl.ivl., Коган I.И., Энтин Р.И. Свойства низкоуглеродистой' стали. ФММ, 1972, т. 33, вып. 4, с. 824-830.

23. Клейнер Л.М., Коган JI.И., Косматенко И.Е. Бюллетень ЦНИИ информации и технико-экономических исследований черной металлургии. М. : 1974, J8 4(720), с. 3.

24. Гулнев А.11. Металловедение. М. : Металлургия, 1977, 647 с.

25. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. 1962, т. 2, 982 с.

26. Buchholz Н., Koster W. Stahl ind Eisen. Ueber die Anlabhar-tung Kupperleigerten Stahls. 1930, v. 50, s. 687-95.

27. Hornbogen E., Glen R.C. A metallagrafhic study o-g precipitation of copper from alpha iron. Trans. Met. Soc. Aime. 1960, v. 218, p. 1064-70.

28. Flinn P.A., Rubu S.L.- Local magnetic fields in Fe-Al alloys. Phys.Rev., 1961, v. 124, 1, p. 34-6.

29. Эффект Мессбауэра. M.: Атомиздат, 1969, 438 с.

30. Sawer W.E., Reynik G.J. Phjs.F. Metall Phys., 1973, v. 3,3, p. 645-663.

31. Vincze I., Campbell I.A. Hyperfine field and magnetic moments in bcc Fe-Oo, Fe-Ni. Solid State. Comm. 1974, v. 15, p. 1495.35« Dubiel S.M., Korgul P. Influence of dislocations on the Mossbauer spectrum linewidth.

32. Седов B.JI. Магнитные моменты атомов железа в ГЦК решетке переходных металлов. ЖЭТФ, 1978, т. 74, с. 2066-77.

33. Сато Т., Нисизава Т. Нихон Кивдзоку Гаккайои. Т. 20, № 6, 1956, с. 340-44. Перевод ВИНИТИ В II3I4I/9. М.: 1959/.

34. Меськин B.C. Основы легирования стали. М.: Металлургия. 1964, 684 с.4.2. Wever F., Koch VI. Versuche zur Klarring les um wandlungverhaltens eines sonerkarbid bildenden Chromstahles. Stahl und Eisen. Bd. 74, 6, S. 989-1000.

35. Mukherjll Т., Stumpf W.E., Seiars 0. Kinetics of coarsening of carbides in chromium stell at 700° C. J. Iron and Steel Inst. 1969, v. 207, 5, p. 621-31.

36. Апаев Б.А. Фазовый магнитный анализ сплавов. М.: Металлургия. 1976, 284 с.

37. Уотиновщиков Ю.И., Кирененко В.И., Прожерин А.Е., Ковенокий И.М. Структура и морфология фаз внедрения в матрице оС -Ре. Металлофизика, 1982, т. 5, с. 31-37.

38. Устиновщиков Ю.И., Гаврилов A.B. Электроннодифракционное исследование начальных стадий образования специальных карбидов. 'ФММ, 1977, т. 44, вып. 4, с. 781-89.

39. Устиновщиков Ю.И., Кириенко В.И., Прожерин А.Е., Ковенский И.М. Структура и морфология фаз внедрения в матрице -Ре. Металлы, 1983, № I, с. 62-70.

40. Казаковцева В.А., Усиков М.П. Структура ванадиевой и молибденовой сталей на стадии образования специальных карбидов. ФММ, 1982, т. 53, Jfe I, с. 764-71.

41. Казаковцева В.А., Усиков М.П. Прямое электронно-микроскопическое наблюдение процессов карбидообразования в мартенсите хромистой стали. ФММ, 1982, т. 54, №3, с. 533-40.

42. Бахтияров А.Ш., Бобров В.И., Васильев Л.И., и др. Мессбауэ-ровскае исследование карбидных фаз, выделяющихся при отпуске низколегированной стали, содержащей хром, уШ, 1979, т. 47, вып. 6, с. I2I3-I2I9.

43. Лившиц Л.С., Гринберг Н.А. Влияние углерода и легирование стали на карбидообразование при отпуске. МиТОМ, 1963, № 3, с. 533-40.

44. De Cristafaro N., Kaplow R. Interstitial Atom Configurations in Stable and Metastable Fe-N, Fe- С Solid Solutions. Met, Trans. 1977, 8A, p. 55-44.

45. Seal A.K. Carbide precipation in several Steel containing Cr, Mo, and V.J. Iron and Steel. 1958, v. 31, 6, p. 221-25.5^. Smith. E. Effects of tempering on some types containing Cr, Mo, V.J. Iron and Steel. 1958, v. 31, 6, 226-235.

46. Голиков И.Н. Ванадий в стали. М.: Металлургия, 1968 , 290 с.

47. Irani J.J., Honeycombe R.W.K. Clustering and presipitation in iron-molybdenum-carbon alloys. J. Iron and Steel. 1965, v. 203, p. 826-33.

48. Rayner D., Whiteman J.A., Honeycombe R.W.K. Precipitation of molybdenum and vanadium carbides in high-purity iron alloys. J. Iron and Steel Inst. 1966, v. 2o4, p. 349-354.

49. Rayner D., Whiteman J.A., Honeycombe R.W.K. Transformation of Fe^C to Mo2C in iron molybdenum-carbon allys. J.Iron and Steel. 1966, v.204, Ю, p. 1114-17.

50. Установщиков Ю.И. Некоторые вопросы теории образования специальных карбидов. ФММ, 1976, т. 42, вып. 4, с. 994-1005.

51. Устиновщиков Ю.И., Прожерин А.Е., Ковенский И.М. Вторичное твердение молибденовых и ванадиевых сталей. ФММ, 1981, т. 51, вып. I, с. 172-76.

52. Белозерский Г.Н., Каргин Н.И., Малышевский В.А., Рыбин В.В., Семичева Т.Г. К вопросу о механизме образования специальных карбидов вторичнотвердеющей стали. Вопросы судостроения. Серия: Металловедение, вып. 32, с. 14-17, 1980.

53. Белозерский Г.Н., Рыбин В.В., Малышевский В.А., Семичева Т.Г. Влияние дислокаций на механизм вторичного твердения. ФММ,т. 54, вып. I, с. 990-1000, 1982.

54. Келли А., Николсон Р. Дисперсионное твердение. М.: Металлургия, 1966, 300 с.

55. Гольдштейн М.И., Фарбер М.И. Дисперсионное упрочение стали. М.: Металлургия, 1979, 207 с.

56. Horhbogen Е. In Grundlagen Festigeits and Brucherhaltens. Dusseldorf, S. 85-100, 1974.

57. Swason K.P., Spijkerman J.J. Analysis of thin surfase lauers by "Fe-57 mossbauer backscatering spectrometry. J.of. Applied Phy s. 1970, V. 41,9, 2687-91.

58. Белозерокий Г.Н., Гитцович B.H., Мурин A.H. определение параметров локальных полей из спектров ядерного гамма-резонанса. ФТТ, 1971, т. 13, В 13, с. 2687-91.

59. Omsen A. The anneling of high-speed steel. J. Iron and Stell Unst. 1969, v.207, 5, p. 610-20.

60. Dubiel S.M., Krop K. Influence of neichbaurig chromium atoms of hyperfine fields at Fe-57 nuclei and isomer shifts in Fe-Cr alloys J. de Phys.Coll c6, Sup.1 v 35, p. 459-64, 1974.

61. Ройг Буньенс Х.Х. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физ.-мат.наук. М., МГУ, 1974, 17 с.

62. Stearns М.В. Spin denesity oscilations in ferromagnetic allyus. 1. Localized solute atoms: AL, Si, Mn, V, and Cr in Ее. Fh.ys.Rev. 1966, v. 147, 2, p. 439-53.

63. Oranshow Т.Е. The disterbance produced in an iron lattice by Or atoms and some the solutes. J.Phys. F: Metal Phys. 1972, 2, p. 613-24.

64. Macus H.L., Pine M.E. Mossbauer effect study of solid solution and precipitated. J. Appl. Phys. 1967, v. 38, p. 4730-58.

65. Гудремон .i3. Специальные стали. M.: Металлургия, 1966, ч. I-2, 1274 с.

66. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978, 390 с.

67. Лашко Н.Ф. О кубических карбидах, содержащих молибден и вольфрам. (В изд. СССР М-во авиационной промышленности). Труды. М.: 1952, 390 с.

68. Белоус М.В., Черепин В.Т., Васильев М.А. Превращение при отпуске отали. М.: Металлургия, 1973, 232 с.

69. Лысак Л.И., Николин Б.И. Физические основы термической обработки стали. Киев: Техника, 1975, 304 с.

70. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. M.'i Наука, 1977, 236 с.

71. Кутсар А.Р., Родионов Ю.Л. Изучение превращений при отпуске стали методом ядерного гамма-резонанса. ФММ, 1980, т. 49, вып. 3, с. 644-48.

72. Кутсар А.Р. О природе третьего превращения цри отпуске стали. ДАН СССР, 1975, т. 223, № 3, с. 1061-64.

73. Ino H., Moriya Т., Fuita У. A Study of the Mossbauer effect during the tempering of iron-carbon martensite. J.Phys. Soc. Jap. 1968, v. 25, 11, p.88-99.

74. Duggin M.J., Hofer L.J. Nature of -iron carbide. 1966, 212, 5059, p.248.

75. Hernas H., Campbell I.A., Fruchart H. Electronic exchange and the mossbauer effect in iron-based interestital componds. J. Phys. Chem. Solid. 1967, v. 28, p. 17-24.

76. Genin J.M.R., Flin P.A. Mossbauer eggect study of the clucte-ring of carbon atoms during the room-temperature aging of iron-carbon martensite. Trans. Met. Soc. АШЕ. 1968, v. 242, p. 1419-30.

77. Matholone Z., Ron M., Pipman J. Mossbauer characteristics ofJC and Q- iron carbides. J.Applied. Physics. 1971, v. 42, 2, p. 687-95.

78. Le Caer G., Simon A., Lorenzo A., Genin J.M. Mossbauer effect of carbides. Influence of Pactiele sizl.phys. Stat. Sol. 1971, N 6, k. 97-101.

79. Hufman G.P., Frrington P.R., Ficher P.M. Mossbauer Study ofthe Fe-Mn carbides (^«х^х) G and ^Pe1 1 Me3 9^з°'Р11У3' Stat. Sol. 1967, v. 22, 2, p. 473-81.

80. Shigmatau Т. Magnetic properies of cementite С.J.phys. Jap. 1974, v. 37, 4, p.940-45.

81. Ron M., Matholone Z. Hperfine Interactions Fe-57 in Pe^ C. Phys. Rev. В., 1971, v.4, p. 774-77.

82. Kuzman E., Bene E., Nagy S. Yertes A. Structure investigation and phase analisiose of Fe-Cr carbides. J. de Physioue. 1976, v. 37, p. 409-11.

83. Shinojo Т., TaKki H., Жакатига K. Pe-57 Mossbauer effect in Pe2B and Pe^O. J.Phys. Soc. Japan. 1964, v. 19, p. 1252. Vertes A. Kocecez L., Burger K. Mossbauer spectrocopy. 1979, Elsevier, Amsterdam, 440 p.

84. Завьялов А.С., Сенченко М.И. Влияние легирующих элементов на процессы отпуска. МиТОМ, т. 12, № 2, 29-31.

85. Gielen P.M., Kaplow В. Mossbauer effect in iron-carbon and iron nitrogen alloys. Acta. Met. 1967, v.18, p. 49-63.

86. Лашко Н.Ф. Фазовый соотав, структура и свойства легированных сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1965, 256 с.

87. Кораблев В.А., Устиновщиков Ю.И. Карбидные превращения и меха-ничеокие свойства хромистых сталей. ФММ, 1974, т. 37, вып. I, с. 133-36.

88. Ковенский И.М., Никольский Г.С., Устиновщиков Ю.И. О диффуции карбидообразующих элементов в цементит. ФШ1, т. 41, вып. 2, с. 56-58, 1976,

89. Устиновщиков Ю.И. Вторичное твердение в конструкционных сталях. М.: Металлургия, 1982, 252 с.