Вплив особливостей будови К-фази на структуру і властивості високовуглецевих Fe-Al-сплавів

5. Виявлено, що когерентність кристалічних ґрат К-фази з кристалічними ґратами інших фазових складових, а також властивість К-фази перебувати в пара- чи феромагнітному станах впливають на зміни структури і властивостей сплавів у цілому при зовнішніх впливах. Показано, що зростання в сплаві загальної кількості К-фази і збільшення в ній ступеню атомного порядку призводить до зменшення температурного коефіцієнта електричного опору. Термічні криві DR/R (Т) мають злами при 173, 500 і 750^оС, які пов'язані: перший з феропарамагнітним переходом у частинках К-фази і зменшенням пружних спотворень у кристалах мартенситу, другий і третій з процесами розпаду відповідно a-мартенситу й аустеніту, при яких збільшується загальна кількість впорядкованої карбідної фази в сплавах. В сплавах зі вмістом алюмінію, меншим від 8 мас.%, магнітні властивості визначаються в основному переходом _м при охолодженні, розпадом мартенситу і залишкового аустеніту на - і К-фази при нагріванні. У сплавах зі вмістом алюмінію більш 10 мас.% магнітні властивості залежать в основному від переходу впорядкованої карбідної фази з пара- у феромагнітний стан, причому при наближенні сплавів FеА1С до стехіометричного складу К-фази температура Кюрі цієї фази зміщується в область більш високих температур. Високі значення магнітних параметрів сплавів FеА1С, які застосовуються для постійних магнітів, забезпечуються мартенситною фазою й алюмінієвим феритом. Карбідні частинки знаходяться переважно в парамагнітному стані, як і аустеніт, і забезпечують магнітну ізоляцію феромагнітних часток. Однак при охолодженні цих сплавів К-фаза переходить із пара- у феромагнітний стан і відбувається принципова зміна всієї структури сплаву. Виявлено, що магнітні властивості сплаву 9М28Ю9МВБ також визначаються присутністю К-фази типу (Fe, Mn)₃AlС.

6. Показано, що різновид і особливості орієнтаційних співвідношень a-мартенситу щодо залишкового аустеніту визначаються наявністю в кристалічних ґратах аустеніту атомів заміщення (алюмінію), атомів проникнення (вуглецю), когерентних частинок (К-фази), а також пара- або феромагнітним станами останніх до мартенситного перетворення. Виявлено, що фізична природа утворення 48 орієнтувань -мартенситу пов'язана з пара-феромагнітним переходом у частинках К-фази, кристалічні ґрати яких відповідають антисиметричним атомним модифікаціям. Наявність феромагнітних когерентних включень К-фази в аустеніті визначає перетворення його ГЦК-кристалічних ґрат в ОЦТ-кристалічні ґрати -мартенситу по 48 кристалографічним напрямкам з утворенням 48 {24 (12 + 12) + 24 (12 + 12) дзеркально симетричних} двійникових орієнтувань мартенситу, одна з яких близька ОС ГТ, а інша їй двійникова. При нагріванні вище від 100^оС монокристалічних зразків, що мають 48 (24+24) орієнтувань 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, орієнтування яких антисиметричне вже існуючим мартенситним орієнтуванням. Вісь с у мікродвійниках, що мають одні варіанти двійникування, стає паралельною осі а чи б матричного двійника, що має інші варіанти в системі двійникування {112}<111>. При цьому ступінь тетрагональності -мартенситу знижується. Вперше в сплавах однієї потрійної системи отримано мартенсит, який відповідає орієнтаційним співвідношенням КурдюмоваЗакса, ГренінгераТрояно і Нішіями. Дано пояснення збільшенню кількості орієнтувань -мартенситу в сплавах FeAlC у два рази (24+24). На монокристалічних зразках показано кореляцію зміни цих співвідношень з хімічним складом і наявністю когерентних частинок К-фази змінного складу. Вперше виявлено еволюцію орієнтувань мартенситу в умовах термічних та імпульсних зовнішніх впливів.

7. Виявлено, що зовнішня імпульсна обробка, насамперед дія імпульсів лазера, дає можливість фіксувати в приповерхневому шарі зразків загартованих високовуглецевих FeAl-сплавів всю еволюцію структурних змін і властивостей, які відбуваються в цих сплавах при різних нешвидкісних режимах термічного впливу. Встановлено, що після імпульсної обробки високовуглецевих FeAl-сплавів в приповерхневому шарі фіксується фрагментація фазових складових, перерозподіл легуючих елементів, поява значних пружних напружень 1 і 2 роду, подрібнення частинок К-фази в оплавленій зоні, асиметрія мартенситних орієнтувань в зоні термічного впливу. В приповерхневому шарі рентгенографічно фіксуються декілька прошарків з різними фазовими і структурними станами. В цих прошарках фіксується -мартенсит, який асиметрично орієнтований до залишкового аустеніту і кількість цих орієнтувань зменшується з глибиною у зразках у відповідності до змін стискуючих напружень на розтяжні.

8. Прямим радіографічним методом зафіксовано висхідну дифузію атомів проникнення з глибини зразків до поверхні при зовнішніх імпульсних діях. Під дією імпульсного лазерного випромінювання ізотопи ¹⁴С дифундують до поверхні зразків високовуглецевих FeAl-сплавів квазіоб'ємно з швидкістю більшою, ніж при дифузії в розплавах. Швидкість дифузії означених атомів заміщення значно менша. Методами електронної мікроскопії і спектроскопії підтверджено, що вміст вуглецю у приповерхневому шарі значно більший від його вмісту в об'ємі. Але К-фаза фіксується в усьому об'ємі зразків. В залежності від концентрації легуючих елементів в приповерхневому шарі фіксуються: аустеніт, голчастий -мартенсит, подовжені виділення з високим вмістом вуглецю, карбіди з гексагональними щільноупакованими кристалічними гратами, дислокаційний, двійниковий, рейковий і пакетний -мартенсити. Чим більше легуючих елементів у сплаві, тим більше частинок К-фази в об'ємі зразків і тим більший об'єм самих частинок.

9. Вказано на можливість покращення магнітних властивостей в одноміліметровому приповерхневому шарі загартованих сплавах FeAlС під дією лазерних імпульсів на поверхню. Виявлено кореляцію змін структурних факторів та магнітних характеристик в приповерхневому шарі, які обумовлені дією лазерних імпульсів впливах на зразки загартованих високовуглецевих FeAl-сплавів: намагніченість і залишкова індукція зменшуються, а коерцитивна сила збільшується. Значний вклад в зміни магнітних властивостей при зовнішніх імпульсних діях вносять диспергація фазових складових (-, _м- і К-фаз), когерентні напруження між їхніми кристалічними ґратками і напруження гартування 1 і 2 роду.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андрющенко В. А., Драчинская А. Г., Ефимова Т. В., Золкина С. В., Коваль Ю. Н., Полотнюк В. В. Магнитные свойства и структура сплавов Fe-Al-C // УФЖ. - 1985. - Т. 30. - № 6 . - С. 948 - 952.

2. Андрющенко В. А., Гаврилюк В. Г., Надутов В. М. Атомное и магнитное упорядочение в К-фазе сплавов Fe-Al-C // ФММ. - 1985. - Т. 60. - Вып. 4. - С. 683 - 688

3. Андрющенко В. А., Драчинская А. Г., Ефимова Т. В., Полотнюк В. В. Влияние структурных изменений на магнитные свойства сплавов Fe-Al-C при их охлаждении и нагреве // УФЖ. - 1988. - Т. 33. - № 5. - С. 772 -776.

4. Андрющенко В. А., Драчинская А. Г., Ефимова Т. В., Левантович С. В., Николайчук Е. И., Полотнюк В. В. Изменение магнитных свойств упорядоченной карбидной фазы в системе Fe-Al-C при охлаждении и нагреве // УФЖ. - 1992. - Т. 37. - № 7. - С. 1057-1062.

5. Андрющенко В. А., Моравецкий В. И., Шелудченко Л. М. Кластерное моделирование электронной структуры карбидной фазы Fe_4-yAl_yC_x в пара- и ферромагнитном состояниях // УФЖ. - 1992. - Т. 37. - № 9. - С. 1406-1413.

6. Андрющенко В.А., Моравецкий В.И., Шелудченко Л.М. Кластерное моделирование электронной структуры карбидной фазы Fe_4-yAl_yC_x // ФТТ. - 1994. - Т. 36. - № 9. - С. 2565-2572.

7. Андрющенко В. А., Драчинская А. Г., Ефимова Т. В. Особенности структурных и магнитных свойств упорядоченной К-фазы сплавов “ферманал” // Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - Т. 17. - № 6. - С. 26-29.

8. Андрющенко В. А., Дзевин Е. Н. Структурные изменения в приповерхностных слоях монокристаллов системы Fe-Al-C после многократного лазерного воздействия с оплавлением поверхности // Металлофизика и новейшие технологии. - 1997. - Т. 19. - № 3. - С. 60 - 67.

9. Андрющенко В. А., Дзевин Е. Н., Ефимова Т. В. Влияние импульсного лазерного воздействия на изменение магнитных характеристик в приповерхностных слоях сплавов Fe-Al-C // Металлофизика и новейшие технологии. - 1998. - Т. 20. - № 7. - С. 49 - 54.

10. Андрющенко В. А., Бондарь В. И., Дзевин Е. Н., Драчинская А. Г., Ефимова Т. В. Влияние импульсного лазерного воздействия на структурные и магнитные свойства сплавов системы Fe-Al-C // Металлофизика и новейшие технологии. - 1998. - Т. 20. - № 10. - С. 19 - 25.

11. Андрющенко В. А., Дзевин Е. Н., Мазанко В. Ф., Свечников В. Л. Восходящая диффузия в приповерхностных слоях сплавов Fe-Al-C в процессе лазерного воздействия // Металлофизика и новейшие технологии. - 1999. - Т. 21. - № 9. - С. 71.

12. Андрющенко В. А., Бекеньов Л. В., Шаповал Т. О. Моделювання електронної структури Fe_4-yAl_yC_x-фази методом ЛТМО // Вісник Прикарпатского університету. Серія: математика, фізика. - 2000. - Вип. № 1. С. 80-91.

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

14. Андрющенко В. А., Коваль Ю. Н., Гнатюк И. Е., Шаповал Т. А. Ориентации -мартенсита в высокоуглеродистых сплавах системы Fе-Аl-С // Вісник Черкаського університету. Серія фізико-математичні науки. Черкаси. - 2000. - В. 10. - С. 50-66.

15. 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.

16. 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. 499506.

17. Андрющенко В.А., Коваль Ю.Н., Гнатюк И.Е., Шаповал Т.А. Ориентации -мартенсита в высокоуглеродистых сплавах системы FеАlС // Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т. 23. - № 5. - С. 639654.

18. 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. 777788.

19. Бабей Ю. И., Гурей В. М., Драчинская А. Г., Андрющенко В. А. Влияние фрикционно-упрочняющей обработки на структуру, фазовый состав и износостойкость стали и чугуна // Металлофизика. - 1980. - Т. 2. - № 6. - С. 111-117.

20. Бабей Ю. И., Драчинская А. Г., Бережницкая М. Ф., Андрющенко В. А., Черватюк В. А., Недоля А. В. Влияние электрозвуковой обработки на структуру и износостойкость стали // Изв. АН СССР. Металлы. - 1990. - № 4. - С. 58-60.

21. Лысак Л. И., Драчинская А. Г., Андрющенко В. А. Двухстадийная кинетика мартенситного превращения в сплаве Fe-Al-C // ФММ. - 1986. - Т. 61. - Вып. 1. - С. 98 - 102.

22. Лысак Л. И., Драчинская А. Г., Андрющенко В. А. Влияние температуры, скорости охлаждения и нагрева на кристаллоструктурные изменения мартенсита сплава Fe-Al-C // Металлофизика. - 1986. - Т. 8. - № 1. - С. 116 - 117.

23. Лысак Л. И., Драчинская А. Г., Андрющенко В. А. Структура атермического и изотермического мартенситов при низкотемпературном отпуске сплавов Fe-Al-C // Изв. АН СССР, Металлы. - 1986. - № 3. - С. 135 - 136.

24. Лысак Л. И., Драчинская А. Г., Андрющенко В. А. Влияние атомного упорядочения на фазовые и структурные изменения в высокоуглеродистых сплавах Fe-Al-C // МиТОМ. - 1986. - № 7. - С. 20 - 21.

25. Лысак Л. И., Драчинская А. Г., Андрющенко В. А. Влияние химического состава и температуры охлаждения сплавов Fe-Al-C на параметры и ориентации кристаллической решетки мартенсита // Металлофизика. - 1987. - Т. 9. - № 4. - С. 105 - 106.

26. Михайлова Л. Е., Христенко Т. М., Романова А. В., Андрющенко В.А., Николайчук Е. Н. Рентгенодифракционные исследования расплавов Fe-Al-C // Ме-таллофизика. - 1992. - Т. 14. № 2. - С. 46 - 52.

27. Моравецкий В. И., Андрющенко В. А., Шелудченко Л. М. Спин-поляризованный вариант расчета электронной структуры кластеров К-фазы в системе Fe-Al-C // УФЖ. - 1994. - Т. 39. - № 2. - С. 244-248.

28. Moravetski V. I., Andryuschchenko V. A. and Sheludchenko L. M. Computer Simulation of the Electronic Structure of the Fe_4-yAl_yC_x Carbide Phase in Its Para- and Ferromagnetic States // J. Phys. Chem. Solids. - 1994. - Vol. 55. - N 2. - P. 195 - 200.

29. Пат. 97020513 Україна, 24478 А, С22F 1/00. Спосіб виготовлення дроту з виисоковуглецевої марганцевоалюмінієвої сталі /Драчинская А. Г., Андрющенко В. А., Рафаловский В. А., Фурсенко Л.Ф./ Госпатент Украины. - Заявл. 07.02.97; Опубл. 21.07.98. - 1 с.

Андрющенко В. А. Вплив особливостей будови К-фази на структуру і властивості високовуглецевих FeAl-сплавів. Дисертація у вигляді рукопису на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук. Спеціальність 01.04.13 - фізика металів. Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, м. Київ, 2001 р.

В роботі виявлено, що фізична природа утворення впорядкованої карбідної К-фази змінного складу визначається значною гібридизацією d-електронів атомів заліза з p-електронами атомів алюмінію і вуглецю. Наявність сильної електронної взаємодії між атомами призводить до можливості існування К-фази в широкому концентраційному інтервалі в конденсованому стані та її впливу на формування структури і властивостей високовуглецевих FeAl-сплавів. В одній потрійній системі отримано мартенсит, який відповідає орієнтаційним співвідношенням КурдюмоваЗакса, ГренінгераТрояно і Нішіями, і простежено еволюцію цих орієнтувань мартенситу в умовах термічних та імпульсних зовнішніх впливів. Виявлено вплив когерентності фазових складових і магнітного стану К-фази на формування орієнтувань мартенситу в високовуглецевих FeAl-сплавах. Прямим радіографічним методом вивчено висхідну дифузію атомів проникнення з глибини зразків до поверхні при імпульсних впливах. Вказано на існування можливості покращення магнітних властивостей в приповерхневому шарі сплавів Fe-Al-C при імпульсних діях на поверхню.

Ключові слова: структура, властивості, впорядкування, К-фаза, мартенсит, орієнтаційні співвідношення, зовнішні впливи, дифузія.

Andruschenko V. A. The Influence of the K-phase Particular Features on the Structure and Properties of High-carbon FeAl Alloys. Manuscript, physics and mathematics doctor; Speciality 01.04.03 - Physics of Metals; Institute of Metal Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

In this work it has been established that the physical nature of formation of the ordered K-phase of variable composition consists in a considerable hybridization of the d-electrons of iron atoms with the p-electrons of aluminium and carbon atoms. The presence of the strong electron interaction between the atoms leads to the possibility for the K-phase to exist in the condensed state in a wide concentration range and makes for its influence on the formation of the structure and properties of high-carbon FeAl alloys. Influence of the coherence of phase components and of the magnetic state of the K-phase upon the formation of martensite orientations in high-carbon Fe-Al alloys has been established. A martensite corresponding to the Kurdumov-Zaks, GreningerTroyanо and Nishiyama orientation relations has been obtained and the evolution of martensite orientations under thermal and external impulse influences has been traced. Ascending diffusion of the interstitial atoms from inside the specimens up to their surface has been investigated under the impulse influences using the direct radiographic method. A possibility of improving of the magnetic properties of the surface layer of an FeAl alloy under the impulse impacts on the surface has been shown.

Key words: structure, properties, ordering, K-phase, martensite, orientation relations, external influence, diffusion.

Андрющенко В.А. Влияние особенностей строения К-фазы на структуру и свойства высокоуглеродистых FeAl-сплавов. Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Специальность 01.04.13 - физика металлов. Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев, 2001 г.

Работа посвящена изучению влияния особенностей строения К-фазы на структуру и свойства высокоуглеродистых сплавов. Установлено, что физическая природа образования упорядоченной карбидной К-фазы переменного состава заключается в значительной гибридизации d-электронов атомов железа с p-электронами атомов алюминия и углерода. Сделан вывод об усилении межатомного взаимодействия в К-фазе при увеличении в ней концентрации атомов алюминия и углерода. Установлена вероятность нахождения К-фазы в пара- или ферромагнитном состоянии в зависимости от химического состава сплава. Наличие сильного электронного взаимодействия между атомами приводит к возможности существования К-фазы в широком концентрационном интервале в конденсированном состоянии.

Методом рентгеновской дифракции выявлено существование атомных микрогруппировок с близким порядком типа перовскитов Fe₃AlС в расплавах. Установлено, что наличие атомов алюминия в расплаве оказывает содействие наиболее плотному ближайшему окружению атомов углерода атомами железа и одновременно усилению взаимодействия атомов железа и атомов алюминия в таких микрогруппировках. Методами мессбауэровской спектроскопии и рентгеновского анализа в электролитически экстрагированных из твердого раствора порошках К-фазы зафиксировано наличие атомного и магнитного порядков, которые были определены расчетами из первых принципов. Установлена зависимость атомного и магнитного порядков в K-фазе от концентрации алюминия и углерода.

С помощью анализа рентгенографических и магнитометрических данных показано, что в широком температурном интервале экстрагированная из твердого раствора упорядоченная карбидная фаза системы FеАlС может находиться в трех субструктурных состояниях с разными химическим составом и степенью атомного порядка, которым соответствуют три температуры Кюри: ₁ = 100°С, ₂ = 0°С и ₃ = 240°С.

Установлено, что когерентность кристаллической решетки К-фазы с кристаллической решеткой других фазовых составных, а также свойство К-фазы находиться в пара- или ферромагнитном состояниях влияют на изменения структуры и свойств сплавов в целом при внешних воздействиях. Установлено, что возрастание в сплаве общего количества К-фазы и увеличение в ней степени атомного порядка приводит к уменьшению температурного коэффициента электрического сопротивления. Термические кривые DR/R (Т) имеют изломы при 173, 500 и 750^оС, связанные: первый с ферропарамагнитным переходом в частицах К-фазы и уменьшением упругих искажений в кристаллах мартенсита, второй и третий - с распадом соответственно a-мартенсита и аустенита, в процессе которых увеличивается общее количество упорядоченной карбидной фазы в сплавах. Установлено, что высокие значения магнитных параметров высокоуглеродистых FеА1-сплавов обеспечиваются мартенситной фазой и алюминиевым ферритом. Карбидные частички находятся преимущественно в парамагнитном состоянии, как и аустенит, и обеспечивают магнитную изоляцию ферромагнитных частиц. Параферромагнитный переход в К-фазе изменяет магнитную структуру сплавов в целом. Показано, что разновидность и особенности ориентационных соотношений a-мартенсита относительно остаточного аустенита определяются наличием в кристаллической решетке аустенита атомов алюминия и углерода, когерентных частиц К-фазы, а также пара- или ферромагнитным состоянием последних до мартенситного превращения. Впервые в сплавах одной системы получен мартенсит, соответствующий ориентационным соотношениям КурдюмоваЗакса, ГренингераТрояно и Нишиямы. Установлена эволюция ориентаций мартенсита в условиях термических и импульсных внешних влияний.

Установлено, что внешние импульсные воздействия, в том числе влияние импульсов лазера, позволяют фиксировать в приповерхностном слое образцов закаленных высокоуглеродистых FеА1-сплавов эволюцию структурных изменений и свойств, которые происходят в этих сплавах при нескоростных режимах термического влияния. Фиксируется

измельчение частиц К-фазы в зоне оплавления, асимметрия ориентаций мартенсита в зоне термического влияния, фрагментация фазовых составляющих, перераспределение легирующих элементов, появление значительных упругих напряжений 1 и 2 рода. Асимметрия -мартенсита зависит от изменения сжимаемых напряжений на растягивающие.

Радиографическим методом зафиксирована восходящая диффузия атомов внедрения из глубины образцов к поверхности при внешних импульсных воздействиях. Атомы углерода диффундируют к поверхности образцов квазиобъемно со скоростью большей, чем в случае диффузии в расплавах.

Скорость диффузии атомов замещения значительно меньше. Методом микроэлектронной спектроскопии подтвержден факт увеличения содержания углерода в приповерхностном слое при импульсном воздействии. К-фаза фиксируется по всему объему образцов. Чем больше легирующих элементов в сплаве, тем больше количество и объем частиц К-фазы.

Показана возможность улучшения магнитных свойств в одномиллиметровом приповерхностном слое сплавов. Установлена корреляция изменений структурных факторов и изменений магнитных характеристик в приповерхностном слое при импульсных лазерных воздействиях: намагниченность и остаточная индукция уменьшаются, а коэрцитивная сила увеличивается.

Ключевые слова: структура, свойства, упорядочение, К-фаза, мартенсит, ориентационные соотношения, внешние воздействия, диффузия.

Размещено на Allbest.ru