Кристалоструктурні зміни на початкових етапах відпуску мартенситу високовуглецевих Fe-Al-сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Спеціалізована вчена рада Д64.845.01

УДК 621.785.54:620.181:669.11.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

КРИСТАЛОСТРУКТУРНІ ЗМІНИ НА ПОЧАТКОВИХ ЕТАПАХ ВІДПУСКУ МАРТЕНСИТУ ВИСОКОВУГЛЕЦЕВИХ Fe - Al СПЛАВІВ

Спеціальність 01.04.13 - фізика металів

ГНАТЮК Ігор Євгенович

Харків - 2002

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

Науковий керівник: Андрющенко Владислав Андрійович, доктор фізико-математичних наук, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН У країни, ст.н.с.

Офіційні опоненти: Ільїнський Олександр Іванович, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри Національного технічного університету України "Харківський політехнічний інститут".

Копань Василь Степанович, доктор фізико-математичних наук, професор кафедри фізики металів Київського Національного університету.

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І. Францевича НАН України, відділ фізики міцності та пластичності матеріалів.

Захист відбудеться “29” жовтня 2002 р. о 16 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д64.845.01, ННЦ ХФТІ, 61108, м. Харків, вул Академічна, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ННЦ ХФТІ, 61108, м. Харків, вул Академічна, 1.

Автореферат розіслано 25 вересня 2002 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Айзацький М.І.

термічний механічний сплав мартенситний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час у металофізиків викликають особливий інтерес гетерогенні системи, у яких друга фаза формує макроґратку. Ізоморфна когерентна упорядкована фаза Fe_4-yAl_yC_x (К-фаза) сплавів системи Fe-Al-C може бути прикладом такої фази. Сплави цієї системи цікаві самі по собі тим, що радіус атома алюмінію значно більше радіуса атома заліза і цей розмірний ефект дозволяє утримувати у твердому розчині рекордну кількість атомів вуглецю. Однак головною особливістю цієї системи є наявність самої ізоморфної К-фази. Її кристалічна ґратка - кубічна, принципово відмінна від ґратки цементиту й інших складних карбідів. К-фаза може знаходитися в пара- чи феромагнітному станах. Залишаючись когерентною оточуючій її аустенітній матриці, вона ініціює створення полів пружних спотворень, що впливають на зміну структури і властивостей.

Особливо цей вплив проявляється в процесі мартенситного перетворення при виникненні аномально високої тетрагональності мартенситу й особливостей орієнтаційних співвідношень між мартенситом і залишковим аустенітом. Термічні впливи ініціюють виникнення задовільних магнітних і міцнісних властивостей у загартованих сплавах системи Fe-Al-C. Знання фазових і структурних змін у цих сплавах на початкових стадіях розпаду мартенситу дозволяє формувати їх необхідні фізичні і механічні властивості.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами.

Основна частина даної науково-дослідної роботи була виконана відповідно до відомчої тематики Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України. Автор, у якості аспіранта відділу індукованих мартенситних перетворень, брав участь у виконанні наступних науково-дослідних робіт:

1. Дослідження впливу лазерної і термоциклічної обробки на характеристики мартенситних перетворень у метастабільних сплавах. Номер державної реєстрації - 0196021694.

2. Вплив імпульсної обробки на характеристики мартенситних перетворень і структурний стан поверхневих шарів метастабільних сплавів. Номер державної реєстрації - 0199U002752.

Основна частина роботи, яка подана до захисту, увійшла до загальних і річних звітів про виконання вищезгаданих науково-дослідних тем.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи - скласти фізичне уявлення про особливості формування та початкової стадії розпаду мартенситу в загартованих сплавах системи Fe-Al-C, а також про виникнення цих особливостей під дією лазерних імпульсів на поверхню. Для досягнення цієї мети ставились наступні задачі:

1. Встановити вплив фазових і кристалоструктурних змін на фізичні і механічні властивості сплавів у вихідному, після загартування стані, після термічних зовнішніх впливів, а також на початкових стадіях низькотемпературного відпуску.

2. На монокристалічних зразках дослідити орієнтаційні співвідношення і кристаллоструктурні особливості термічно індукованого мартенситу, що містить ізоморфні когерентні частки карбіду та еволюцію такого мартенситу в процесі низькотемпературного відпуску.

3. Вивчити особливості змін кристалічної структури в сплавах Fe-Al-C в умовах термічних і імпульсних зовнішніх впливів.

Наукова новизна. В широкому концентраційному інтервалі досліджено особливості змін кристалічної структури сплавів системи Fe-Al-C: у загартованому стані, на початковому етапі відпуску та при зовнішніх термічних впливах.

Змодельовано та експериментально досліджено на монокристалічних зразках еволюцію орієнтаційних співвідношень кристалічних ґраток мартенситу та аустеніту при мартенситному перетворенні та низькотемпературному відпуску. Встановлено кореляцію змін кристалічної структури -мартенситу, відносного електроопору, твердості і коерцитивної сили на початкових етапах відпуску загартованих Fe-Al-C сплавів.

Встановлена еволюція орієнтацій -мартенситу в умовах імпульсного лазерного впливу. Виявлено стійкість до розпаду -мартенситу при низькотемпературному відпуску загартованих спалавів після їх попередньої лазерної імпульсної обробки.

Практичне значення отриманих результатів.

Наукові результати, отримані в роботі, встановлюють причини змін кристалічної структури сплавів Fe-Al-C в умовах зовнішніх температурих та імпульсних впливів.

Виявлені і досліджені особливості фазових і структурних змін у високовуглецевих залізних сплавах, легованих алюмінієм, можуть бути застосовані для розвитку теорії фазових перетворень і, зокрема, мартенситних перетворень. Основні результати роботи можуть бути використані як фізичні основи для створення нових конструкційних матеріалів на основі заліза і для удосконалення технології їхньої обробки.

Особистий внесок автора. У дисертаційній роботі представлені результати досліджень проведених автором особисто та разом із співавторами наукових праць. Автором особисто проведений огляд літератури за даною темою. Особисто автором проведені дослідження твердості, мікротвердості та міцності на зразках досліджуваних сплавів.

Усі дослідження фізичних характеристик, рентгенографічні дослідження монокристалічних зразків, розрахунки і побудова полюсних фігур мартенситу при його еволюції в результаті зовнішніх термічних і імпульсних впливів, дослідження мікроструктури сплавів виконані автором разом із співавторами публікацій. Автор брав участь у аналізі результатів та формулюванні висновків роботи. Особисто представляв матеріали даних досліджень на наукових конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були повідомлені й обговорювалися на 4 конференціях :

1. XVIII конференції з прикладної кристалографії, 4-7 вересня 2000 р., Катовіце, Польща;

2. Міжнародній конференції "Матеріали і технології в новому тисячолітті", 2000 р., Україна, Алушта.

3. 11-тій чешсько-словацькій конференції з магнетизму "CSMAG'01", 20-23 серпня 2001 р., Кошіце, Словаччнина.

4. VI Всеросійській конференції "Структура і властивості аустенітних сталей і сплавів", 10-14 вересня 2001 р., Єкатеринбург, Росія.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи розкрито в 8 публікаціях, 7 з яких відповідають вимогам ВАК України та у тезах 4-х міжнародних конференцій. Список публікацій і тез конференцій наведено в кінці автореферату.

Структура дисертації. Дисертацію викладено на 144 сторінках машинописного тексту. Вона складається із вступу, трьох глав і основних висновків. В роботі розміщено 47 рисунків, 4 таблиці, список 150 цитованих літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан проблеми та її значимість, обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, розглянуто наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першій главі “Мартенситні перетворення при зовнішніх термічних впливах на сплави Fe-Al-C” показано, що різновид і особливості орієнтаційних співвідношень -мартенситу відносно залишкового аустеніту визначаються наявністю в кристалічних ґратках аустеніту атомів заміщення (алюмінію), атомів проникнення (вуглецю), когерентних частинок (К-фази), а також пара- або феромагнітним станом останніх перед мартенситним перетворенням. Якщо повільно охолоджувати аустенітні зразки до температури рідкого азоту, то можна зафіксувати на рентгенограмах 24+48 дифракційних відображення відповідно від ізо- та атермічного мартенситів, їм буде відповідати така ж кількість полюсів на полюсній фігурі.

Виявлено, що фізична природа утворення 48 орієнтацій -мартенситу у загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавах пов'язана с пара-феромагнітним переходом в частинках К-фази. Наявність феромагнітних когерентних включень К-фази в аустеніті визначає перетворення його ГЦК-кристалічної ґратки в ОЦТ-кристалічну гратку -мартенситу з утворенням 48 (24+24) орієнтацій мартенситу, 24 з яких відповідають ОС Г-Т, інші 24 їм двійникові.

При нагріванні вище -100°С монокристалічних зразків, які мають 48 (24+24) орієнтації мартенситу, відбувається зворотне феро-парамагнітне перетворення в когерентних частинках К-фази і зникнення в них магнітної анізотропії. Це призводить до зменшення когерентних спотворень всередині мартенситних кристалів і до утворення в них мікродвійників, орієнтація яких антисиметрична вже існуючим мартенситним орієнтаціям. Вісь с в мікродвійниках, які мають одні варіанти двійникування, стає паралельною до осей а або в матричних двійників, які мають інші варіанти в системі двійникування {112}<111>. При цьому ступінь тетрагональності -мартенситу знижується.

Побудова полюсних фігур аустеніту, K-фази і -мартенситу загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавів різного хімічного складу дала можливість виявити, що в цих сплавах можна зафіксувати після мартенситного перетворення відомі орієнтаційні співвідношення: Курдюмова-Закса (ОС К-З), Гренінгера-Трояно (ОС Г-Т) та Нішіями (ОС Н). Їх послідовність при збільшенні концентрації алюмінію в сплавах наступна:

24 ОС К-3 24 ОС Г-Т 48 ОС 12 ОС Н(1)

Якщо врахувати послідовність утворення ізо- та атермічного мартенситів при охолодженні сплавів до низьких температур, то можна розширити вираз (1) і записати послідовність, яка фіксується при - 196°С:

24 ОС К-3 24 ОС Г-Т 24+48 ОС 48 ОС 12 ОС Н(2)

При кімнатній температурі 24 дифракційних відображення від ізотермічного мартенситу співпадають із основними 24 (із 48) дифракційними відображеннями атермічного мартенситу. Встановлення між кристалічними ґратками -мартенситу і залишкового аустеніту ОС Г-Т і ОС Н визначаються відповідно наявністю або відсутністю когерентності ґраток -мартенситу і частинок K-фази, які він містить у собі.

Після тривалого (більше 5 год) низькотемпературного (200°С) відпуску загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавів фіксуються орієнтаційні співвідношення, близькі до ОС Н. Зміни кількості двійникових орієнтацій мартенситу під час відпуску можна виразити наступним чином:

48 {24 (12+12) +24 (12+12)} ОС24(12+12) ОС Г-Т 12 ОС Н (3)

Результати математичного моделювання зміни розташування полюсів мартенситу відносно полюсів аустеніту при зміні тетрагональності мартенситу для трьох орієнтаційних співвідношень показали, що при зменшенні терагональності мартенситу його полюси віддаляються від полюсів аустеніту (рис. 1а). Такий розрахунок підтверджується експерементальними даними: відпуск сплавів Fе-Аl-С ініціює кристалографічні зміни, які виявляються на стереографічній проекції як віддалення полюсів мартенситу від полюсів аустеніту (рис.1б) та злиття попарно симетричних полюсів, які відповідають 24 ОС Г-Т, і зникнення їхніх двійникових попарно симетричних полюсів, а також переміщення полюсів мартенситу до положень, які відповідають ОС Н.

У другій главі “Вплив індукованих мартенситних перетворень на фізичні та механічні властивості сплавів Fe-Al-C” показано, що зміни відносного електроопору R/R сплавів Fe-Al-2%С з різним вмістом алюмінію в залежності від температури нагріву корелюють із даними про наявність в аустенітній та мартенситній складових впорядованого карбіду (К-фази). Розходження в кутах нахилу кривих R/R (Т) для сплавів з різним вмістом С і Al та для армко заліза (рис. 2а) пояснюється наявністю різної кількості упорядкованої К-фази, що утворюється в сплавах при загартуванні, тобто чим більше в розплаві алюмінію і вуглецю, тим більше в процесі загартування утворюється упорядкованої карбідної фази Fe_4-yAl_yC_x і тим більше буде ступінь далекого атомного і магнітного порядку в ній.

Із аналізу кутів нахилу кривих R/R (Т) для сплавів з різним вмістом алюмінію зроблено висновок про те, що збільшення вмісту алюмінію в сплавах при незмінному вмісті вуглецю приводить до зменшення температурного коефіцієнта електричного опору (рис. 2б). Криві мають злами при ~500 і ~750К (рис. 2а і б). Перший злам збігається по температурі з процесами порушення когерентності між кристалічними ґратками К-фази і -мартенситу, а також розпадом останнього. Другий злам, при 750К, збігається зі значними кристалоструктурними змінами в -фазі (аустеніт розпадається на феррит Fe-Al і упорядкований карбід Fe_4-yAl_yC_x; атоми вуглецю дифундують з -фази в упорядковану К-фазу, при цьому ступінь далекого атомного порядку останньої та об'єм її часток збільшуються. Наближення значення температурного кофіцієнта електроопору для досліджуваних сплавів до такого для армко-заліза вище температур упорядкування (більше 850К) пов'язане з тим, що після розпаду мартенситу й аустеніту сплав складається з більш ніж 85% фериту Fe-Al. Із порівняння кутів нахилу кривих на рис. 2а і 2б встановлено, що при збільшенні вмісту вуглецю в зразках сплавів з постійним вмістом алюмінію зберігається тенденція до росту об'єму впорядкованої К-фази, а отже до зменшення температурного коефіцієнта електроопору.

В роботі показано, що зміни твердості та коерцитивної сили в загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавах під час відпуску при 200°С корелюють з отриманими рентгенографічними даними про зміни в структурі мартенситу на початкових стадіях його розпаду. За тривалості відпуску до 5 хв зменшення твердості та коерцитивної сили пов'язано із втратою когерентності між частинками К-фази і -мартенситом, а за тривалості від 5 до 60 хв - з конкуренцією процесів впорядкування і зародження в мартенситі когерентних частинок К-фази з процесом збільшення об'ємної частки мартенситу, який розпався.

Відносні і абсолютні зміни твердості в аустенітному сплаві менші, ніж зміни твердості в сплавах з мартенситною структурою. Виявлено, що порушення когерентності між ГЦК-кристалічними ґратками аустеніту і частинок К-фази, які містяться в ньому, розпочинається за температур, значно менших від температури розпаду аустеніту.

Зміна концентрації алюмінію та вуглецю в високовуглецевих Fe-Al-сплавах спричиняє зміну меж міцності по кривій з максимумом. Це пов'язано з наявністю в сплавах -мартенситу та когерентних частинок К-фази. Температурні залежності міцності сплавів теж пов'язані з фазовими та структурними змінами в сплавах. Підвищення міцності при підвищенні температури пов'язано з утворенням когерентних частинок К-фази в мартенситі та аустеніті, а релаксація когерентних спотворень, розпад мартенситу і аустеніту спричиняють появу пружної складової.

У третій главі показано, що зовнішні імпульсні впливи (при лазерній (ЛО) та фрикційно-зміцнюючій (ФРЗО) обробках) вносять свої особливості у формування структури і властивостей загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавів, які пов'язані з великими швидкостями локального нагрівання і охолодження. Проте, і в таких умовах сильна міжатомна взаємодія атомів заліза, алюмінію і вуглецю у впорядкованій К-фазі та збереження аналогічного їй близького атомного порядку при високих температурах продовжують значно впливати на структуру і властивості сплавів.

Дослідження поверхневих білих шарів, які було отримано методом ФРЗО, показало, що цей вид імпульсної обробки не призводять до повного розчинення карбідів біля поверхні зразків. В приповерхневому шарі аустенітних зразків загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавів, нижче оплавленої зони, виявляється розвинута мартенситна структура. Цей мартенситний шар розповсюджується у глибину зразків приблизно на 300 мкм. Глибше від цього шару зберігається первинна аустенітна структура. Мікротвердість приповерхневого шару змінюється в глибину зразків не прямолінійно. Її зміна відрізняється від зміни мікротвердості високовуглецевих сталей, не легованих алюмінієм. Складний характер зміни мікротвердості відповідає наявності аустенітних областей, збагачених вуглецем, а також наявності напружень, зміні кількості дефектів та концентрації вуглецю, появі частково відпущеного мартенситу і ін.

За допомогою рентгенографічного та мікроструктурного методів дослідження полі- та монокристалічних зразків встановлено особливості змін структури і властивостей при ЛО на поверхню загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавів. На полікристалічних зразках досліджено зони оплавлення, зони термічного загартування і відпуску, які містять впорядковану карбідну фазу змінного складу Fe_4-уАl_уС_х, залишковий аустеніт та -мартенсит з різною ступінню тетрагональності (рис. 4а).

Швидкісне нагрівання і охолодження при лазерному впливі також не спричиняють розчинення частинок К-фази (рис. 4б). Висхідна дифузія вуглецю до оброблюваної поверхні зразків збільшує кількість залишкового аустеніту. Наявність в приповерхневому шарі когерентності між ГЦК-кристалічною граткою К-фази і ОЦТ-кристалічною граткою -мартенситу визначає структуру, ступінь тетрагональності та орієнтції -мартенситу. Імпульсний лазерний вплив на поверхню полікристалічних зразків сплавів Fe-Al-С спричиняє фрагментацію монокристалів у зоні загартування, диспергацію фазових складових в зоні розплаву, виникнення значних напружень в приповерхневому шарі. Особливості формування послідовно проплавлюваних зон обумовлені утворенням прошарків (рис.4б), які за рахунок висхідної дифузії вуглецю мають різну теплопровідність. За рахунок цього прошарок утворений від дії лазерного імпульсу перешкоджає розповсюдженню температурного фронту від наступного імпульса в глибину зразка. Після імпульсного лазерного впливу в торець аустенітних і аустенітно-карбідних монокристалічних зразків загартованих високовуглецевих Fe-Al-сплавів у приповерхневій зоні фіксується декілька різних за структурою прошарків. Ці прошарки можна спостерігати рентгенографічним методом тільки у тому випадку, якщо охолодити зразки до кріогенних температур. Після їх охолодження нижче від М_н в них фіксується мартенсит, який відрізняється варіантами орієнтацій і ступенями тетрагональності елементарних комірок кристалічної ґратки.

Структурно змінений шар в одновісних монокристалічних зразках поширюється на глибину до 4,5 мм, якщо вісь зразка співпадає з віссю [001] монокристала, і до 3 мм, якщо вісь зразка співпадає з віссю [111]. Якщо зразок має полікристалічну структуру, то її зміни при ЛО сягають глибини меншої (до 1 мм), ніж у монокристалах.

Значні залишкові термічні спотворення кристалічних ґраток фазових складових призводять до асиметрії орієнтаційних співвідношень. Кількість орієнтацій мартенситу різна на різних відстанях від обробленої поверхні. Фіксується асиметрія в розташуванні полюсів мартенситу на стереографічній поверхні та різна їх кількість у прошарках монокристала. Стрибкоподібна зміна ступеня тетрагональності мартенситу пояснюється порушенням когерентності між кристалічними ґратками аустеніту і субмікрооб'ємів К-фази.

Аналіз рентгенограм і розташування полюсів тетрагонального -мартенситу сплавів Fе-4%Аl-2%С і Fе-8%Аl-2,5%С на стереографічних проекціях показав, що, по-перше, при лазерному впливі в торець зразків першого сплаву виникає загартований поверхневий шар товщиною 0,2 мм, в якому після охолодження зразків в рідкому азоті ГЦК гратка аустеніту не змінюється і мартенсит не утворюється. В зразках з більшою концентрацією алюмінію в цьому шарі, після охолодження зразків в рідкому азоті є мартенсит з аномально високою тетрагональністю, але немає відпущеного мартенситу. Особливості структурних змін у цьому шарі при ЛО поверхні є наслідком висхідної дифузії атомів проникнення з утворенням твердого розчину з підвищеним вмістом вуглецю. Це знижує температуру початку мартенситного перетворення для першого сплаву, а для другого сплаву виключає можливість утворення відпущеного мартенситу зі збагаченого вуглецем (в процесі лазерного впливу) аустеніту. По-друге, чим ближчий напрямок лазерного впливу до напрямку щільнішої упаковки атомів, тим менша величина зони термічного впливу.

Наявність великої кількості впорядкованої К-фази в зразках другого сплаву також зменшує величину цієї зони. По-третє, після лазерного впливу на зразки та охолодження їх в рідкому азоті в зоні відпуску з'являється прошарок аустеніту, який не перетворюєтьсв в мартенсит. Це пов'язано зі значним зменшенням дефектів кристалічної будови (в цьому шарі аустеніт має найменшу розорієнтацію блоків когерентного розсіяння).

Четвертою особливістю є те, що в зоні термічного впливу симетрія орієнтацій мартенситу порушується. Проте спостерігається деяка кореляція між зміною розташування центрів розкиду полюсів мартенситу та їх кількістю.

Після "зміщення" на стереографічній проекції центрів розкиду полюсів (20.0) мартенситу з одного боку полюса (011) аустеніту на протилежний бік кількість полюсів мартенситу зменшується, а далі ці полюси зовсім зникають. Те ж саме відбувається з полюсами (002) мартенситу, центр розкиду яких "зміщується" з одного боку від полюса (001) аустеніту на протилежний бік. Виявлено, що це є наслідком зміни стискуючих напружень на розтягуючі.

Показано, що при імпульсній лазерній обробці структура аустеніту змінюється таким чином, що після мартенситного перетворення в високовуглецевих Fе-4%Аl-сплавах -мартенсит стає більш стійким до розпаду, ніж мартенсит в таких самих сплавах, які не піддавалися ЛО. Однією з особливостей такої стійкості є те, що після імпульсного лазерного впливу -мартенсит в сплаві Fе-8%А1-2,5%С більш стійкий до розпаду, ніж -мартенсит з аномально високою тетрагональністю в сплаві Fе-4%Аl-2%С. І навпаки, -мартенсит з високою тетрагональністю в сплаві Fе-4%Аl-2%С більш стійкий до розпаду, ніж -мартенсит з високою тетрагональністю в сплаві Fе-8%Аl-2,5%С. Це пов'язано з тим, що в процесі імпульсної лазарної обробки в приповерхневому шарі відбувається перерозподіл легуючих елементів в усіх фазових складових: в -мартенситі, аустеніті та К-фазі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертації наведено вирішення наукової задачі, що виявляється у дослідженні особливостей кристалоструктурних змін загартованих високовуглецевих Fe-Al сплавів під дією зовнішніх термічних та імпульсних впливів. Встановлені в роботі причини цих особливостей доповнюють теорію фазових перетворень, і зокрема - мартенситних перетворень. Практичні результати роботи дають фізичну основу для створення нових дешевих конструкційних матеріалів, а також для удосконалення технології їх обробки.

1. В широкому концентраційному інтервалі досліджені аустенітні та аустенітно-карбідні сплави системи Fe-Al-C при охолодженні, на початкових етапах відпуску та після впливу імпульсного лазерного випромінювання, що дало змогу скласти фізичне уявлення про особливості формування та початкові стадії розпаду мартенситу в згаданих сплавах, а також про виникнення цих особливостей під дією імпульсного лазерного випромінювання.

1. За допомогою матричного аналізу змодельовано полюсні фігури мартенситу з аномально високою тетрагональністю та експериментальне досліджено на монокристалічних зразках еволюцію орієнтаційних співвідношень кристалічних ґраток мартенситу та аустеніту при мартенситному перетворенні та низькотемпературному відпуску, що дало можливість пояснити утворення різних орієнтаційних співвідношень у сплавах Fe-Al-C. Встановлено кореляцію міх орієнтаційними співвідношеннями кристалічних ґраток мартенситу і залишкового аустеніту та вмістом алюмінію в сплавах.

2. Виявлено кореляцію між кількістю орієнтацій -мартенситу та магнітним станом частинок К-фази, що дало можливість пояснити утворення 48 орієнтацій маренситу попереднім переходом ізоморфних когерентних впорядкованих частинок К-фази з пара- у феромагнітний стан у парамагнітному аустеніті. Встановлено, що після низькотемпературного відпуску загартованих Fe-Al-C сплавів орієнтаційні співвідношення між -мартенситом і залишковим аустенітом наближаються до орієнтаційних співвідношень Нішіями.

Показано, що різновид і особливості орієнтаційних співвідношень -мартенситу щодо залишкового аустеніту визначаються наявністю в кристалічній гратці аустеніту атомів заміщення (алюмінію), атомів втілення (вуглецю), когерентних частинок (К-фази), а також пара- або феромагнітним станом останніх до мартенситного перетворення.

3. Виявлено зміни твердості, коерцетивної сили та відносного електроопору загартованих високовуглецевих Fe-Al сплавах. Встановлено, що зміни твердості та коерцитивної сили під час низькотем-пературного відпуску корелюють з отриманими на монокристалічних зразках рентгенографічними даними про зміни в структурі мартенситу на початкових стадіях його розпаду. Отримані результати дали змогу зробити висновок про те, що збільшення загальної кількості впорядкованої К-фази в сплавах приводить до зменшення температурного коефіцієнта електричного опору, а злами на термічних кривих відносного електроопору пов'язані відповідно з феро-парамагнітним переходом у частинках К-фази та зменшенням пружних спотворень у кристалах мартенситу, а також з процесами розпаду відповідно -мартенситу та аустеніту.

4. Встановлено, що аналогічних змін структури та властивостей, які спостерігаються у загартованих сплавах системи Fe-Al-C при нешвидкісних режимах термічного впливу можна досягти в приповерхневому шарі монокристалічних зразків дією лазерних імпульсів. В цьому шарі зафіксовані прошарки з різними фазовими і структурними станами, -мартенсит, отриманий після лазерного впливу на аустеніт відрізняється від мартенситу охолодження асиметрією орієнтацій відносно залишкового аустеніту, зменшенням їх кількості з глибиною відповідно до змін стискуючих напружень на розтягуючі. Показано, що після імпульсного лазерного опромінення аустенітних та аустенітно-карбідних зразків і подальшого мартенситного перетворення утворюється -мартенсит більш стійкий до розпаду, ніж мартенсит в зразках, які не піддавалися лазерному впливу. Встановлено, що стабілізація -мартенситу залежить від фрагментації фазових складових і напружень, які виникають в приповерхневому шарі монокристалічних зразків при імпульсному лазерному впливі.

На основі цього, зроблено висновок про можливість отримання в приповерхневому шарі зразків наперед заданих фізичних та механічних властивостей.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Результати роботи опубліковані в наукових статтях:

1. Андрющенко В.А., Бекенев Л.В., Гнатюк И.Е. Изменение електросопротивления при нагреве высокоуглеродистых сплавов Fe-Al-C //Металлофизика и новейшие технологии. - 2000. - Т. 22. - №12. - С. 10-17.

2. Андрющенко В.А., Гнатюк И.Е., Шаповал Т.А. Влияние лазерной обработки аустенита Fe-Al-C сталей на устойчивость к распаду -мартенсита //Металлофизика и новейшие технологии. - 2001, - Т. 23. - № 2, - С. 235-240.

3. Андрющенко В.А., Гнатюк І.Є., Дзевін Є.М., Шаповал Т.О. Дослідження змін твердості високовуглецевих алюмінієвих сплавів на початкових стадіях низькотемпературного відпуску //Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т. 23 . - № 4. - С. 1-7.

4. Андрющенко В.А., Коваль Ю.Н., Гнатюк И.Е., Шаповал Т.А. Ориентации -мартенсита в высокоуглеродистых сплавах системы Fe-Al-C //Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т. 23. - № 5. - С. 639-654.

5. Андрющенко В.А., Гнатюк И.Е., Дзевин Е.Н. Влияние импульсного лазерного воздействия на ориентации -мартенсита в закаленных Fe-Al-C сплавах //Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т. 23. - № 6. - С. 777-788.

6. Андрющенко В.А., Коваль Ю.Н., Гнатюк И.Е., Шаповал Т.А. Ориентации -мартенсита в высокоуглеродистых сплавах системы Fe-Al-C //Вісник Черкаського унівеситету. Науки. Черкаси. - 2000. - В. 10. - С. 50-66.

7. V.A. Andryushchenko, I.Ye. Gnatyuk, Ye.N. Dzevin, T.A. Shapoval Getting the Special Properties of the Fe-Al-C Alloys by Means of Inducing of Phase and Structural Changes //Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т. 23. С. 257-261.

8. T.A. Shapoval, I.E, Gnatyuk Correlation between the structure and magnetic and strength properties in high-carbon alloys alloyed by aluminium // Czechoslovak Journal of Phisics, Vol. 52, Suppl. A, p. A21-23.

та тезах конференцій:

9. V.A. Andryshchenko, I.Ye. Gnatyuk, Ye.N. Dzevin and T.V. Efimova. Getting the Spetial Properties of the Fe-Al-C Alloys by Means of Inducing of Phase and Structural Changes. P. 75. //Abstract of International Meeting New Materials and New Technologies in New Millenium. World of Phase Transformation, September 19-23, Crimea, Ukraine.

10. V. Andryuschenko, I. Gnatyuk, T. Sapoval. Influence of laser treatment of an austenite of Fe-Al-C steels on stability of -martensite disintegration. //Abstract of XVII Conference on Applied Cristallography, 4-7 September, 2000, Katovice-Wisla, Poland.

11. В.А. Андрющенко, И.Е. Гнатюк, Е.Н. Дзевин, В.Ф. Мазанко, Изменение структуры и свойств высокоуглеродистых алюминевых сплавов, инициированные лазерным облучением и низкотемпературным отпуском. //Тезисы докладов VI Всеросийской конференции “Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов” стр. 41, 10-14 сентября 2001 г., г. Екатеринбург, Россия.

12. T.A. Shapoval., I.E. Gnatyuk. Correlation between the structure and magnetic and strength properties in high-carbon alloys alloyed by aluminium. Czechoslovak Journal of Physics, Vol. 52 (2002), Suppl. A. Presented at 11-th Chech and Slovak Conference on Magnetism, Kosice, 20-23 August 2001.

АНОТАЦІЇ

Гнатюк І.Є. Кристалоструктурні зміни на початкових етапах відпуску мартенситу високовуглецевих Fe-Al-сплавів. Дисертація у вигляді рукопису на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук. Спеціальність 01.04.13 - фізика металів. Національний науковий центр Харківський фізико-технічний інститут, м. Харків, 2002 р.

В роботі показано, що різновид і особливості кристалоструктурних змін в умовах зовнішніх термічних впливів на високовуглецеві Fe-Al-сплави визначаються наявністю в кристалічній гратці аустеніту атомів заміщення (алюмінію), атомів втілення (вуглецю), ізоморфних когерентних частинок впорядкованої карбідої фази (К-фази), а також пара- або феромагнітним станом останніх до мартенситного перетворення. За допомогою матричного аналізу змодельовані кристалоструктурні зміни кристалічної гратки мартенситу при претворенні. Встановлено, що перераховані вище фактори обумовлюють, також, зміни деяких фізичних характеристик Fe-Al-C-сплавів при низькотемпературному відпуску. Виявлено, що дія імпульсного лазерного випромінювання дає можливість зафіксувати в приповерхневому шарі зразків загартованих високовуглецевих Fe-Al- сплавів еволюцію орієнтацій -мартенситу, зміну структури та властивостей, які спостерігаються при нешвидкісних режимах термічного впливу. Показано, що мартенсит у зразках, які піддавалися дії імпульсного лазерного випромінювання стійкіший до розпаду при відпуску, ніж мартнсит у зразках, які такій дії не піддавалися.

Ключові слова: аустеніт, мартенсит, К-фаза, орієнтаційні співвідношення, структура, властивості.

I. Ye. Gnatyuk. Crystaline changes of structure on the initial stages of tempering of the martensite of highcarbon Fe-Al alloys.

Thesis for a Candidate's degree on speciality 01.04.13 - Physics of Metals.- National Scientific Centre Kharkiv Physic-Technical Institute, Kharkiv, 2002.

In work is shown, that a variety and the features crystaline changes of structure in conditions of external thermal influences on highcarbon Fe-Al alloys are determined by presence in crisalline lattice of austenite of atoms of replacement (aluminium), atoms of introduction (carbon), cogerence particles ordered carbide phase (K-phase), and also para- or ferromagnetic condition of K-phase until martensite transformation. By the matrix analysis are simulated cristalline changes of a crystal lattice of martensite at transformation. Is established, that the listed above factors determine, also, changes of some physical characteristics of Fe-Al-C alloys at low temperatures tempering. Is determined, that the action of pulse laser radiation enables to fix in a surface layer of samples of hardened highcarbon Fe-Al alloys evolution of orientation of the a-martensite, change of structure and properties, which are observed at not high-speed modes of thermal influence.

Is shown, that martensite in samples subject to influence of pulse laser radiation more stable to disintegration at tempering, then in samples, which were not exposed to such influence.

Key words: austenite, martensite, K-phase, orientation relation, structure, properties.

Гнатюк И.Е. Кристаллоструктурные изменения на начальных этапах отпуска мартенсита высокоуглеродистых Fe-Al-сплавов. Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Специальность 01.04.13 - физика металлов. Национальный научный центр Харьковский физико-технический институт, г. Харьков, 2002 г.

Работа посвящена изучению строения и свойств высокоуглеродистых Fe-Al-сплавов в условиях внешних термических воздействий.

Установлено, что разнообразие и особенности кристалло-структурных изменений в условиях внешних термических воздействий на высокоуглеродистые Fe-Al-сплавы определяются присутствием в кристаллической решетке аустенита атомов замещения (алюминия), атомов внедрения (углерода), изоморфных когерентных частиц упорядоченной карбидной фазы (К-фазы), а также пара- или ферромагнитным состоянием последних до мартенситного превращения. С помощью матричного анализа смоделированы кристаллоструктурные изменения решетки мартенсита при превращении и установлены закономерности изменения положения полюсов мартенсита относительно полюсов аустенита при изменении степени тетрагональности мартенсита.

С помощью рентгеноструктурного анализа монокисталлических образцов установлено, что когерентность кристаллической решетки К-фазы с кристаллической решеткой остальных фазовых составляющих, а также магнитное состояние частиц К-фазы до мартенситного превращения определяют разновидность ориентационных соотношений -мартенсита и остаточного аустенита.

Установлено, что физическая природа образования 48 ориентаций -мартенсита в закаленных высокоуглеродистых Fe-Al-сплавах связана с пара-ферромагнитным переходом в частицах К-фазы. Наличие ферромагнитных когерентных включений К-фазы в аустените определяет преобразование его ГЦК-кристаллической решетки в ОЦТ-кристаллическую решетку -мартенсита с образованием 48 (24+24) ориентаций мартенсита, 24 из которых отвечают ОС Г-Т, другие 24 им двойниковые.

При нагревании выше -100°С монокристаллических образцов, которые имеют 48 (24+24) ориентации мартенсита, происходит обратное ферро-парамагнитное превращение в когерентных частицах К-фазы и исчезновение в них магнитной анизотропии. Это приводит к уменьшению когерентных искажений внутри мартенситных кристаллов, а также к образованию в них микродвойников, ориентация которых антисимметричная уже существующим мартенситным ориентациям.

Ось с в микродвойниках, которые имеют одни варианты двойникования, становится параллельной к осям а или в матричных двойников, которые имеют другие варианты в системе двойникования {112}<111>. При этом степень тетрагональности -мартенсита снижается. В результате мартенситного превращения в монокриталлах одной системы Fe-Al-C получен мартенсит, соответствующий ОС Курдюмова-Закса, ОС Гренингера-Трояно и ОС Нишиямы, что подтверждает результаты математического моделирования изменеий структуры при мартенситном превращении. Показана эволюция ориентаций мартенсита на начальных этапах низкотемпературного отпуска. Установлено, что возрастание в сплаве объема К-фазы и увеличение в ней степени атомного порядка приводит к уменшению температурного коэфициента електрического сопротивления. Изломы термических кривых R/R (T) при 173, 500 и 700К связаны: первый - с ферро-парамагнитным переходом в частицах К-фазы и уменшением упругих искажений в кристаллах мартенсита, второй и третий - с распадом соответственно -мартенсита и аустенита, при которых увеличивается общее количество упорядоченной карбидной фазы в сплавах.

Показано, что изменение твердости и коэрцитивной силы в закаленных высокоуглеродистых Fe-Al-сплавах при низкотемпературном отпуске кореллируют с получеными на монокристалллических образцах рентгенографическими данными об изменеиях в структуре мартенсита на начальных этапах его распада.

Установлено, что действие импульсного лазерного излучения дает возможность зафиксировать в приповерхностном слое образцов закаленных высокоуглеродистых Fe-Al сплавов эволюцию ориентаций -мартенсита, изменение структуры и свойств, которые наблюдаются при нескоростных режимах термического воздействия. При многократном импульсном лазерном облучении образцов формирование послойной структуры зоны оплавления обусловлено восходящей диффузией атомов углерода к обрабатываемой поверхности. Показано, что мартенсит в образцах, подверженных воздействию импульсного лазерного излучения более устойчив к распаду при отпуске, чем мартенсит в образцах, которые такому воздействию не подвергались. Ключевые слова: аустенит, мартенсит, К-фаза, ориентационные соотношения, структура, свойства.

Размещено на Allbest.ru