авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Локальная атомная структура железосодержащих сплавов и соединений при интенсивных деформационных и радиационных воздействиях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи









ШАБАШОВ ВАЛЕРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЛОКАЛЬНАЯ атомная СТРУКТУра ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВов И СОЕДИНЕНИй

ПРИ ИНТЕНСИВНЫХ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ





Специальность 01.04.07 –

Физика конденсированного состояния



АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физике металлов УрО РАН

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сагарадзе Виктор Владимирович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Елсуков Евгений Петрович
доктор физико-математических наук, профессор Козлов Эдуард Викторович
доктор физико-математических наук, профессор Пушин Владимир Григорьевич
Ведущая организация: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет

Защита состоится 27 ноября 2008 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 004.003.01 при Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620041, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18, факс: (343) 374-52-44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

Автореферат разослан «___» ____________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Лошкарева Н.Н.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы.

Интенсивная пластическая деформация, как способ воздействия на вещество, имеет прямое отношение к бездиффузионным и диффузионным фазовым превращениям, механолегированию, получению наноструктурного состояния, созданию новых материалов, обладающих особыми физи-ческими свойствами. На сегодняшний день существует много технологий, позволяющих осуществлять интенсивную холод-ную пластическую деформацию (ИХПД): взрывное воздейст-вие, шаровые мельницы, фрикционное воздействие, гидро-экструзия, сдвиг под давлением и др. Неравновесные низкотемпературные структурно-фазовые переходы при ИХПД можно разделить на две основные группы: сдвиговые и диффузионные. Изучение сдвиговых полиморфных фазовых превращений при ИХПД является частью общей проблемы физики мартенситных превращений, механизма структурной наследственности в сплавах [1]. Диффузионным превращениям при механолегировании посвящено много работ, однако эта проблема не имеет однозначного решения и нуждается в развитии экспериментальных исследований. Отражением научного и практического интереса к указанной проблеме структурообразования при ИХПД является активная дискуссия на страницах научных журналов по механизмам низко-температурных фазовых переходов [2]. Для анализа низкотемпературных деформационных процессов привлека-ются модели воздействия на вещество высокоэнергетических частицами при облучении. Актуальность исследования интен-сивного «холодного» радиационного воздействия (ИХРВ) сов-местно с ИХПД обусловлена общностью процессов, связанных с генерацией точечных дефектов, и практическими задачами создания радиационно-стойких сплавов, в частности, дисперс-но - упрочненных оксидами ODS (oxide dispersion strengthened) - сталей. При ИХПД и ИХРВ фазовые переходы сопрово- ждаются передачей структуре большой энергии и формированием особых, локально неоднородных структурных



состояний, обусловленных насыщением структуры дефектами и высокими напряжениями на малых субмикро- и нано-масштабных элементах структуры (метастабильные фазы, предвыделения, интерфейсы и т.д.). Это обстоятельство делает актуальным использование физического метода исследования, анализирующего структуру на атомном масштабном уровне – в пределах ближайших атомных соседств. Таким методом в работе является ядерный гамма-резонанс (ЯГР). Анализ сверхтонкой структуры спектров ЯГР с использованием современного программного обеспечения [3] позволяет получить информацию о параметрах структуры локально-неоднородных систем, в частности, таких, как металлические сплавы и соединения. До настоящего времени исследования в объемных образцах по механоактивируемому сплавлению (МС) в условиях сплошной среды с применением анализа на локальном уровне ближайших атомных соседств практически отсутствовали. В качестве инструмента воздействия ИХПД, наряду с прокаткой и фрикционной обработкой в работе применялся сдвиг при высоком давлении (СД), позволяющий в сплошных образцах (в отличие от порошков в шаровых мельницах) создавать чрезвычайно большие степени деформации заданной величины при пониженных температурах без хрупкого разрушения образца. Истинную деформацию оценивали по формуле [4]:

,

где сж – деформация сжатия; = – угол поворота (n – число поворотов); r – радиус исследуемого участка образца и d – толщина образца после деформации. Скорость вращения наковален составляла ~ 1 об/мин.

Общей целью работы является изучение на локальном атомном уровне в железосодержащих сплавах и соединениях закономерностей низкотемпературных фазовых превращений при воздействии интенсивной деформации, давления и облучения высокоэнергетическими частицами. Исходя из цели исследования, в работе решались следующие задачи:

1. Мёссбауэровское изучение механизмов фазовых переходов in situ при высоких давлениях и деформациях в железе и метастабильных сплавах системы Fe-Ni и Fe-Mn.

2. Исследование влияния высокого давления и облучения высокоэнергетическими частицами на бароупругое и диффу-зионно-контролируемое полиморфное – превращение в Fe-Ni сплавах.

3. Анализ кинетики и механизма деформационного растворения интерметаллидов, карбидов, нитридов и оксидов в металлических матрицах в зависимости от морфологии, размеров, типа кристаллической структуры, характера и сил связи атомов в частицах и металлических матрицах, а также от условий (температуры и способа) деформации:

3.1. Растворение интерметаллидов Ni3Me в матрице Fe-Ni сплавов с ГЦК решеткой.

3.2. МС твердых растворов замещения с положительной (Fe-Ni и Fe-Cr) и отрицательной (Al-Fe) энтальпией смешивания.

3.3. МС твердых растворов внедрения в сплавах железа с ОЦК и ГЦК решетками при деформационном растворении углерод- и азотсодержащих фаз.

3.4. Растворение оксидов в металлических матрицах сталей и сплавов с ОЦК и ГЦК решетками.

4. Сопоставление низкотемпературных фазовых превращений при ИХПД и ИХРВ в сплавах железа.

5. Разработка методов создания ODS-сплавов и сталей.


Научная новизна и защищаемые результаты.

При проведении данного исследования получены и выносятся на защиту следующие новые результаты:

1. На основе экспериментов по механолегированию металлических матриц в процессе низкотемпературного деформационно-индуцированного растворения интерметал-лидов и механическому сплавлению железа с никелем и хромом установлены феноменологические соотношения, отражающие связь процессов неравновесного атомного массопереноса со степенью истинной деформации и эволюцией дислокационной структуры в сплавах.

2. В рамках единого методического подхода к изучению структурообразования при холодном интенсивном радиа-ционном воздействии исследованы радиационно-ускоренные и радиационно-индуцированные фазовые превращения в бинарных Fe-Ni, Fe-Cr и специально легированных интер-металлид-образующими добавками ГЦК Fe-Ni сплавах. Показано, что в каскадах смещения при низкотемпературном нейтронном облучении интерметаллиды могут растворяться, либо выделяться в Fe-Ni матрице в зависимости от флюенса нейтронов, температуры, плотности и размера частиц.

3. Обнаруженные закономерности фазовых превращений в железосодержащих сплавах и соединениях при ИХПД и ИХРВ положены в основу обобщения влияния точечных дефектов радиационного и деформационного происхождения на диссипативные низкотемпературные процессы формирования структуры и являются подтверждением модели деформационно-индуцированных фазовых переходов, идущих по механизму решеточной диффузии атомов. На большом экспериментальном материале по влиянию ИХПД и ИХРВ на структуру железосодержащих сплавов и соединений показан двойст-венный механизм фазовых превращений, связанный с развитием альтернативных процессов: неравновесного растворения и равновесного выделения фаз.

4. Изучены закономерности механоактивируемого форми-рования объемных нанокристаллических металлических твердых растворов с углеродом, азотом, кислородом и вторичными дисперсными фазами.

Предложен новый подход к созданию жаропрочных реакторных сталей с ОЦК и ГЦК решетками, упрочняемых нанооксидами.

5. В работе разработан метод наблюдения ЯГР in situ при сдвиге под давлением и получены данные по влиянию ИХПД и ИХРВ на полиморфные фазовые переходы и формирование аккомодационных областей с особыми характеристиками сверхтонкой структуры ЯГР спектров.


Научная и практическая ценность работы.

Научная ценность данной работы заключается в предоставлении новых экспериментальных данных и установ-лении закономерностей фазовых и структурных превращений, происходящих при ИХПД и ИХРВ в железосодержащих сплавах и соединениях. Установлены феноменологические соотношения, связывающие кинетику низкотемпературного механического легирования со степенью истинной деформации и типом кристаллической решетки компонентов смеси, которые отражают дислокационную природу механизма сплавообразования при ИХПД. В работе определена роль деформационно-индуцируемой генерации точечных дефектов (наряду с образованием дислокаций) при ИХПД в развитии диффузионных фазовых превращении при пониженных температурах ( 300 К) в сплавах железа.

Показано, что при каскадообразующем и бескаскадном облучении высокоэнергетическими частицами интерметал-лидов Ni3Me в ГЦК Fe-Ni-Me (Ti, Al, Si, Zr) сплавах фазовые превращения проходят с выделением и растворением фаз в зависимости от флюенса нейтронов (электронов), температуры облучения, плотности и размера частиц, а также диффузионной подвижности атомов. Обнаружено, что определяющим фактором скорости радиационно-индуцированного низкотем-пературного растворения интерметаллидов при нейтронном облучении является соотношение размеров и плотности частиц и каскадов атомных смещений. Установленные законо-мерности отражают общность процесса воздействия точечных дефектов радиационного и деформационного происхождения на вещество и существенно расширяют представления о сложных механизмах диффузионных фазовых превращений в твердом теле при относительно низких температурах.

Выполненные ЯГР исследования in situ при сдвиге под давлением предоставляют новые возможности изучения полиморфных фазовых переходах и метастабильной диаграммы состояний в сплавах железа при высоком давлении и интенсивной пластической деформации.

Результаты систематических исследований по деформа-ционно-индуцированному растворению фаз внедрения (карби-дов и нитридов, а так же оксидов) в объемных образцах железа и его сплавах с ОЦК и ГЦК решетками позволяют разработать физические основы создания новых нанокристаллических материалов, упрочненных дисперсными фазами и обладающих улучшенными физико-механическими свойствами. В част-ности, на основе исследования по деформационному раство-рению оксидов железа предложен новый подход к созданию жаропрочных реакторных сталей, упрочняемых нанооксидами и получен патент РФ «Способ получения упрочненного оксидами композиционного материала на основе железа».






Степень достоверности полученных результатов.

Достоверность экспериментальных результатов обеспе-чена использованием современного аппаратно-программного комплекса мессбауэровских измерений, применением для расчета спектров современного пакета программного обеспе-чения, а так же воспроизведением результатов при совместном использовании комплекса современных методов электронной микроскопии, магнитных измерений и рентгеноструктурного анализа на модельных объектах.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях, симпозиумах, совещаниях и школах-семинарах:

Всесоюзном и Международных семинарах «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск 1984, Екатеринбург 1999, 2002, 2005); Уральских школах металловедов-термистов (Устинов 1987, Ижевск 1998, Екатеринбург 2000, Уфа 2002); Международных конференциях по применению эффекта Мессбауэра (Алма-Ата 1983, Мельбурн 1987, Римини Италия 1995); Всесоюзных совещаниях по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимо-действий (Грозный 1987, Алма-Ата 1989, Ужгород 1991); I Всесоюзной школе-семинаре «Структурная и химическая

неоднородность в материалах» (Киев 1990); Всесоюзном и Всероссийском совещаниях «Структура и свойства немагнитных сталей» (Свердловск 1991, Екатеринбург 2001); Всесоюзной конференции по мартенситным превращениям в твердом теле (Косов 1991); II Всесоюзном симпозиуме по перспективным металлическим материалам (Москва 1991); II Всесоюзной конференции по высоко-углеродистым сталям (Киев 1992); Уральских научно-технических конференциях «Применение мёссбауэровской спектроскопии в материаловедении» (Ижевск 1993, 1998); V Международном совещании по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Дубна 1993); II и III Международных конференциях по нанокристаллическим материалам (Штуттгарт 1994, Кона, Гавайи 1996); II, III, IV, VI и VII Уральских семинарах «Радиационная физика металлов и сплавов» (Снежинск 1997, 1999, 2001, 2005, 2007); ежегодных научных сессиях ИФМ УрО РАН (Екатеринбург 1996, 1999, 2001, 2002, 2003, 2004, 2006); Международной конференции «Границы зерен и фаз в материалах» (Прага 1998); Международной конференции по современным материалам и технологиям (Флоренция 1998); Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь 1995, 1999); Международной конференции «Эффект Мёссбауэра: магнетизм, материаловедение, гамма-оптика» (Казань 2000); Всероссийской конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург 2001); VIII, IX и X Международных конференциях «Мёссбауэровская спектроскопия и её применения» (Санкт-Петербург 2002, Екатеринбург 2004, Ижевск 2006); XVI Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационного материаловедения (Алушта 2004).


Личный вклад автора.

Общая стратегия и постановка работ была выполнена В.А. Шабашовым совместно с В.В. Сагарадзе. Основные выводы и обобщения, касающиеся феноменологии аномального низкотемпературного деформационного растворения частиц – интерметаллидов, фаз внедрения и оксидов, а также

радиационно-индуцированных фазовых превращений в сплавах железа, сформулированы лично соискателем. Методическая постановка работы, измерения и анализ результатов, связанных с использованием ЯГР спектроскопии, были выполнены лично соискателем. Эксперименты по сдвигу под высоким давлением проведены совместно с В.П. Пилюгиным. ТЭМ и РСА исследо-вания были выполнены В.В. Сагарадзе, С.В. Морозовым, Н.Л. Печёркиной и Н.Ф. Вильдановой. Облучение нейтронами и электронами выполнено в отделе работ на атомном реакторе и лаборатории радиационных дефектов ИФМ. В обсуждении результатов участвовали соавторы соискателя, а также теоретики В.В. Кондратьев, А.Р. Кузнецов и С.Н. Голубов.


Публикации.

По теме диссертации опубликовано 70 статей в отечественных и международных научных журналах. Список основных публикаций (49) приведен в конце автореферата.


Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав с изложением оригинальных результатов, заключения и списка литературы. Объем диссертации – 397 страниц, включая 150 рисунков, 37 таблиц. Список литературы содержит 368 наименований.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обсуждаются актуальность темы диссер-тации, цели и задачи исследования, научная новизна, значимость и защищаемые положения.


В первой главе изучены индуцированные всесторонним сжатием и деформацией сдвигом под высоким давлением фазовые переходы мартенситного типа в -железе, Fe-Ni и Fe-Mn сплавах. Задачей этой части диссертации является исследование влияния ИХПД и высокого давления на

метастабильную фазовую диаграмму железа. Выбор в качестве материала исследования Fe, Fe-Ni и Fe-Mn сплавов обусловлен наличием полимор-физма и чувствительностью сверх-тонкой структуры мессбауэровских спектров к фазовому составу и изменению периода решетки этих сплавов. Исследования проведены с использованием специально развитого и впервые примененного метода наблюдения ЯГР на образцах in situ в условиях сдвига при высоком давлении (рис. 1).

Наблюдения ЯГР при квазигидростатическом сжатии (КГС) и СД позволяют получить достоверную информацию о структуре и фазовом составе сплавов на различных стадиях воздействия деформации и давления. В чистом железе и сплавах Fe-Ni, Fe-Mn показано, что деформация приводит к резкому снижению внешнего давления и превращений (рис. 2 и 3). Снижение ЭДУ в сплавах Fe-Ni и Fe-Mn усиливает влияние деформации на ход фазовых превращений при высоком давлении.

Фазовый переход при сдвиге под давлением сопровож-дается появлением в структуре дефектов и мультипликацией сжатия в локальных областях структуры. При СД в условиях увеличения сжимающих напряжений и активизации кинетики превращения наблюдаются скачки (нерегулярный ход) сверхтонких параметров исходной и образующейся фаз (рис 2), что обусловлено релаксацией упругих напряжений (в том числе аккомодационных) на межфазных границах. Релаксация аккомодационных напряжений происходит в результате полиморфных фазовых превращений (аналогично трип-эффекту), проходящих с образованием более плотных фаз.

Превращение в сплаве FeMn40 при КГС проходит в большом интервале давлений <Р>. Изомерный сдвиг (IS) образующейся -фазы зависит от ее количества, а величина



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.