Дослідження зносостійкості проводились на обладнанні фірми “Kцppern GmbH”, м. Хаттінген (Німеччина). Результати свідчать про те, що зносостійкість (C+N)-сталей при ударному навантаженні не гірша зносостійкості сталі Гадфільда.

Ініційовані ударною обробкою зміни в поверхневих шарах вивчалися за допомогою методів месбауерівської спектроскопії електронів внутрішньої конверсії, просвічуючої електронної мікроскопії та рентгенівської дифракції. Для дослідження використовувались зразки 3х3х0.5 мм після ударної обробки, вирізані із зони найбільшого нагартовування. Товщину зразків механічним шліфуванням зменшили більш ніж вдвічі, до 200 мкм.

Месбауерівські дослідження показали, що спектри досліджуваних сталей складаються із парамагнітної компоненти, яка відноситься до аустенітної фази, та феромагнітної частини, яка є типовою для мартенситної структури. За даними рентгеноструктурних досліджень не виявлено жодних фаз, крім аустеніту (використовувався дифрактометр HUBER з гоніометром -2 і Сu K випромінюванням). Електронна мікроскопія (електронний мікроскоп “JEM 2000FXII” під напругою 200 кВ) виявила складну картину, що характеризується наявністю двох типів мікроструктур: аморфного та сильно деформованої двійникової кристалічної структури. Структура подібна до мартенситу, але дифракційна картина відповідає двійниковому аустеніту.

Як і рентгенівські дані, цей результат знаходиться у протиріччі з даними месбауерівської спектроскопії. Щоб пояснити цей феномен, запропоновано наступну інтерпретацію. Відповідно до орієнтаційної залежності Курдюмова_Закса, атомний розподіл в ОЦК-мартенситі, площина (111), узгоджується із атомним розподілом в аустеніті, площина (110). Беручи до уваги високу густину двійників та їх малу товщину (1-5 нм), можна уявити, що ОЦК-подібна конфігурація атомів на границях двійників перетворює низькоспіновий стан атомів заліза в парамагнітному аустеніті на високоспіновий стан, який спричиняє магнітне упорядкування всередині двійників. Таке перетворення буде супроводжуватися ефектом Зеємана з відповідним магнітним розщепленням месбауерівського спектру.

Таким чином, сильне двійникування в сталях CN1.07, C0.96, MnC викликане ударною обробкою поверхні, можливо створює псевдомартенситну структуру аустенітної сталі.

Висновки

1. Показано різний характер низькотемпературного старіння Fe-N мартенситу у порівнянні з Fe-C. В Fe-C мартенситі до температур вищих 223 К таке старіння супроводжується зниканням поодиноких атомів вуглецю та їх кластероутворенням, в той час як старіння Fe-N мартенситу до кімнатної температури відбувається без помітних змін.

2. Вперше було проведене ЯГР-дослідження сплаву Fe-(C+N). Аналіз показує, що спектр складається із парамагнітної компоненти та феромагнітних секстетів від атомів заліза без атомів втілення в першій координаційній сфері, з одним атомом втілення у найближчому оточенні та від атомів заліза у передвиділеннях, в яких атом заліза має не менше, ніж чотири атоми проникнення найближчими сусідами.

3. Проведено моделювання твердого розчину Fe-(C+N) за методом Монте-Карло для аустенітної та феритної фаз. Отримані ефективні енергії міжатомної взаємодії для двох перших координаційних сфер для аустенітної фази, та для чотирьох - для феритної. Знайдено діапазон концентрацій, при якому досягається узгоджуваність із ЯГР даними: для аустенітної фази Ni/NFe 0.085 0.098, для феритної Ni/NFe 0.075 0.064. На основі цих результатів робиться висновок про існування і в аустенітній, і в феритній фазах сильного відштовхування в межах перших двох координаційних сфер.

4. Запропоновано гіпотезу, згідно якої висока термодинамічна стабільність сплаву Fe-(C+N) забезпечується саме за рахунок ефективного блокування пор в межах перших двох сфер від зайняття їх атомами вуглецю та азоту.

5. За допомогою програми “Thermo Calc ©” було показано, що найбільш широка область гомогенного аустеніту існує в сталях легованих (C+N). Доведено переваги використання (C+N)-легування, які полягають в наступному:

5.1. Більш широка область гомогенного аустеніту при порівнянних концентраціях міжвузельних атомів.

5.2. Відсутність необхідності використання високих тисків азоту для отримання необхідної концентрації міжвузельних елементів.

5.3. Показано, що важливу роль в (C+N)-легуванні відіграє співвідношення C/N. Визначено, що для сталі Cr18Mn18 найкращі властивості досягаються при C/N0.5.

6. Отримано концентрації електронів провідності досліджуваних сталей на основі експериментальних даних СРЕП. Показано, що підвищення концентрації вільних електронів в (C+N)-сталях узгоджується з більш рівномірним розподілом атомів у твердому розчині.

7. Дослідження експлуатаційних характеристик показали, що аустенітні CrMn(C+N)-сталі забезпечують кращі механічні властивості і порівнянну із сталлю Гадфільда ударну зносостійкість. Також вони характеризуються високою корозійною стійкістю до пітінгової та загальної корозії на рівні стандартів нержавіючої сталі.

8. Запропоновано корозійностійкий аналог сталі Гадфільда.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Gavriljuk V.G., Tarasenko A.V., Tyshchenko A.I. Low temperature ageing of the freshly formed Fe-C and Fe-N martensites // Scripta Materialia.-2000.-vol.43, №3.-Р.233-238.

2. Balanyuk A.G., Gavriljuk V.G., Shivanyuk V.N., Tyshchenko A.I., Rawers J.C. Mцssbauer study and thermodynamic modeling of Fe-C-N alloy. // Acta Materialia.-2000.- vol.48.-Р.3813-3821.

3. Berns H., Gavriljuk V.G., Petrov Y.N., Schmalt F., Tyshchenko A.I. Microstructural changes in the wear surface of high strength stainless austenitic steels. // Mat.-wiss. u. Werkstofftech.-2003.-Vol.34, № 10-11.-P.960-965.

4. Пат. №8812 Україна. Зносостійка сталь з високою корозійною стійкістю / Гаврилюк В.Г., Тищенко А.І. // Бюл. Промислова власність.-2005.-№8.

5. Gavriljuk V., Tyshchenko A., Rawers J., Berns H. Thermodynamic stability, structure and properties of Fe-based C+N austenite and martensite. // Journal de Physique IV France.-2003.-vol.112.-P.259-262.

6. Frehser J., Kubisch Ch. Metallurgie und Eigenschaften unter hohem Druck erschmolzenerstickstoffhaltiger Stдhle // Berg und Hьttenmдnnische Monatshefte.-1963.-Vol.108, №11.-Р.369-380.

7. Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steels. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1999. - 378 p.

8. Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Немошкаленко В.В., Полушкин Ю.A., Разумов О.Н. Исследование строения железоуглеродистого мартенсита с помощью эффекта Мессбауэра // Физика металлов и металловедение.-1977.-Т.43, №3.-С.582-590.

9. Gavriljuk V.G., Shanina B.D., Berns H. On the correlation between electron structure and short range atomic order in iron_based alloys // Acta Materialia.-2000.-Vol.48, №15.-P.3879-3893.

10. Sozinov A.L., Balanyuk A.G., Gavriljuk V.G. C_C interaction in iron-base austenite and interpretation of Mцssbauer spectra // Acta materialia.-1997.-Vol.45, №1._P.225_232.

11. Sozinov A.L., Balanyuk A.G., Gavriljuk V.G. N_N interaction and nitrogen activity in the iron base austenite // Acta materialia.-1999.-Vol.47, №3._P.927_935.

12. Berns H., Ehrhardt R., Duz` V.A., Gavriljuk V.G., Tarasenko A.V. Mцssbauer study of tempering of the stainless martensitic steel alloyed with nitrogen and/or carbon // Metal Physics and Advanced Technologies-1995.-Vol.15.-P.561-570.

13. Berns H., Duz` V.A., Ehrhardt R., Gavriljuk V.G., Petrov Yu.N., Tarasenko A.V. Precipitation during tempering of chromium-rich iron-based martensite alloyed with carbon and nitrogen // Z. Metallkunde-1997.-Vol.88, №2.-P.109-116.

14. V.G. Gavriljuk, V.M. Nadutov, K. Ullakko Low temperature ageing of Fe-N martensite // Scripta Metallurgica et Materialia.-1991.-Vol.25, №4.-P.905-910.

15. Rawers J.C. Characteristics of the HIP-Drip process // J.Materials Science.-1999.-Vol.34.-P.941-944.

16. Rawers J.C., Uggowitzer P. Characterisation of Fe-C/N steel // Materials Science Forum.-1999.-Vol.318-320.-P.757-762.

17. Moriya T., Ino H., Fujita F.E. Mцssbauer effect in iron-carbon martensite structure //J.Phys. Soc. Japan.-1968.-Vol.24, №1.-P.60-68.

18. Foct J., Le Caer G., Dubois J.M., Faivri R. Results of Mцssbauer spectroscopy in the studies of carbides and nitrides of steels // Proc. Wegliki, Borki, Azotki w stalach.-Poznan (Poland).-1978.-P.225-269.

19. Ino H., Nasu S., Gonser U. Study of Fe-C martensite using Mцssbauer spectroscopy // J.Physique, Coll. C1.-1980.-Vol.1, №41.-P.377-378.

20. Binder K. Monte Carlo Methods in Statistical Physics // Topics in Current Physics.-1986.-Vol.7.-411 p.

21. Pifer J.F., Longo R.T. Effect of exchange with local moments and hyperfine interaction on the electron-spin-resonance line-shape in metals // Physical Review B.-1971.-Vol.4, №11.-P.3797-3812.

Анотація

Тищенко А.І. Розподіл атомів вуглецю та азоту в твердих розчинах втілення_заміщення на основі заліза та його вплив на фізико-механічні властивості сплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАНУ, Київ 2005 р.

За допомогою месбауерівської спектроскопії досліджено розподіл атомів в свіжозагартованому Fe-N мартенситі та їх еволюцію під час природного старіння. Проведено порівняльний аналіз із існуючими даними по Fe-C мартенситу. Викладено результати комплексного дослідження сплаву Fe-(C+N). Встановлено, що розподіл атомів втілення в цьому сплаві характеризується сильним відштовхуванням в межах перших двох координаційних сфер, що суттєво відрізняється від розподілу атомів як в Fe-C, так і в Fe-N аустеніті і мартенситі. Розраховано фазові діаграми рівноваги із використанням програми “Thermo Calc ©”. Отримано значення концентрації електронів провідності за допомогою спінового резонансу електронів провідності. Показано, що легування вуглецем+азотом підвищує концентрацію електронів провідності. Концепцію (C+N)-легування застосовано для розробки високоміцної зносостійкої сталі з високою корозійною стійкістю. Наведено параметри розроблених економнолегованих високоміцних корозійно- та зносостійких аустенітних сталей. Викладено результати комплексного вимірювання експлуатаційних характеристик та дані структурних досліджень таких сталей. Доведено переваги використання (C+N)-легування.

Ключові слова: мартенсит, аустеніт, месбауерівська спектроскопія, розподіл атомів, корозійностійкий, зносостійкий, високоміцний, сталь.

Аннотация

Тищенко А.И. Распределение атомов углерода и азота в твердых растворах внедрения-замещения на основе железа и его влияние на физико-механические свойства сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов, Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2005 г.

В работе представлены результаты исследования и анализа распределения атомов в Fe-N, Fe-C, Fe-(C+N) твердых растворах. Приведены экспериментальные данные спинового резонанса электронов проводимости, рассчитаны фазовые диаграммы равновесия с помощью коммерческой программы “Thermo Calc ”. На основе имеющихся теоретических обоснований и предварительных расчетов разработаны высокопрочные коррозионно- и износостойкие, аустенитные стали. Проведен комплекс исследований по определению их эксплуатационных характеристик и исследования структуры поверхности сталей после ударной обработки.

Исследовано старение свежезакаленного Fe-N мартенсита. При старении не происходит никаких видимых изменений в распределении атомов, в отличие от образования углеродных кластеров в Fe-C мартенсите.

Комплексное мессбауэровское исследование сплава Fe-(C+N) вместе с компьютерным моделированием методом Монте-Карло показало, что в таком тройном сплаве существует сильное отталкивание между атомами внедрения как в первой так, и во второй координационной сфере, чем объясняется высокая термодинамическая стабильность сплавов, легированных совместно (C+N).

С помощью метода спинового резонанса электронов проводимости показано, что (C+N)-легирование приводит к существенному возрастанию значения концентрации электронов проводимости, т.е. усилению металлической компоненты. Термодинамическими расчетами показано, что использование комбинированного легирования (C+N) приводит к расширению температурно-концентрационной области гомогенного аустенита.

Проведенный комплекс механических испытаний продемонстрировал, что (C+N)-стали обладают сочетанием прочности, пластичности и ударной износостойкости. В то же время, они обладают высокой коррозионной стойкостью, сравнимой с коррозионными свойствами стандартных нержавеющих сталей.

Исследование поверхности (C+N)-сталей после ударной обработки проводилось методами мессбауэровской спектроскопии, рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии. Мессбаэровские исследования показали наличие как аустенитной фазы, так и некой ферромагнитной фазы, характерной для мартенситной структуры. В то же время, ни рентгеновские исследования, ни просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) такой фазы не выявили. Согласно ПЭМ, поверхность характеризуется наличием двух типов микроструктур - аморфной и сильно деформированной двойниковой кристаллической структурой. Последняя подобна мартенситу, но дифракционная картина соответствует двойниковому аустениту с толщиной двойников 1-5 нм. В соответствии с полученными результатами, сделано предположение, что сильное двойникование в исследуемых сталях, вызванное ударной обработкой поверхности, может инициировать создание псевдомартенситной структуры аустенита.

Abstract

Tyshchenko A.I. Carbon and nitrogen atomic distribution in iron interstitial- substitutional solid solution and its influence on physical and mechanical properties of the alloys. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in physical and mathematical sciences on speciality 01.04.13 - physics of metals, Kurdumov's Institute for Metal Physics NAS of Ukraine, Kiev, 2005.

Using Mцssbauer spectroscopy the atomic distribution in the freshly formed and aged Fe-N martensite was studied. A comparison with existing data on Fe-C martensite was made. A results of comprehensive study of the Fe-(C+N) steel are presented. It is established that the interstitial atomic distribution in Fe-(C+N) steel is characterized by strong repulsion within two first coordination spheres. Such a behavior essentially differs from the atomic distribution in both Fe-C and Fe-N martensite and austenite. The phase equilibrium diagrams are calculated by means of “Thermo Calc ©” software. Using conduction electron spin resonance technique, the concentration of the conduction electrons was measured. It was shown that the carbon+nitrogen alloying increases the concentration of conduction electrons. Parameters for the newly developed cost-effective high-strength corrosion- and wear-resistant austenitic steels are given. Mechanical and corrosive properties of such steels as well as data on structural studies are presented. The advantage of the combined (C+N)-alloying is shown and substantiated.

Keywords: martensite, austenite, Mцssbauer spectroscopy, atomic distribution, corrosion-resistance, wear-resistance, high-strength, steel.

Размещено на Allbest.ru