Вплив вуглецю на міжатомну взаємодію і термічне розширення ГЦК сплавів на основі залізо – нікель - Автореферат

ГЦК сплави на основі Fe-Ni добре відомі, як інварні сплави, які характеризуються незвичайною і до кінця не зясованою поведінкою багатьох властивостей. В наш час ці сплави застосовують в НВЧ електроніці та лазерній оптиці, де вимагається стабільність розмірів порядку довжини хвилі, в метрології і сейсмології, де використовуються точні прилади, у виробництві супертанкерів, де є проблема зварювальних швів контейнерів при зміні температури. Але слід зазначити, що властивості інвару дуже чутливі до зміни концентрації нікелю і ТКЛР інварного сплаву може змінюватись на порядок в залежності від його складу. Сплав з вмістом нікелю більшим ніж 40% стабільний і зберігає ГЦК структуру при низьких температурах. Метою роботи було дослідження впливу С і Mn на термічне розширення ГЦК Fe-Ni-C і Fe-Ni-Mn-C сплавів інварного класу та зясування природи цього впливу на основі вивчення міжатомної взаємодії і магнітної структури в сплавах.Але треба зазначити, що вплив домішок Mn на пружні властивості стандартного інвару вивчено недостатньо, а сумісний вплив Mn в комбінації з С на термічне розширення, пружні модулі та магнітний порядок в роботах наведених авторів не вивчався, хоча слід очікувати суттєвих змін цих величин, оскільки Mn визначає розподіл атомів вуглецю у твердому розчині. Оскільки ГЦК Fe-Ni-C сплави відносяться до цього класу матеріалів, є усі підстави для припущення, що вуглець змінюватиме проекції магнітних моментів атомів на вісь легкого намагнічування за рахунок флуктуацій найближчого оточення, що може бути відбито в розподілі надтонких полів і ізомерних зсувів, а також у малокутовому розсіянні нейтронів. Аналіз літературних даних, дає підстави очікувати суттєвий вплив вуглецю на магнітні властивості ГЦК Fe-Ni-C сплавів і їх термічне розширення. В огляді літератури приділяється увага вивченню впливу вуглецю на міжатомну взаємодію в аустенітних сплавах. В сплаві Fe-29,7% Ni-0,97% C ТКЛР в температурному діапазоні 110-380 K суттєво зменшився у порівнянні з ТКЛР сплаву Fe-29,2% Ni Легування сплаву з концентрацією нікелю біля 30% Ni вуглецем до 1 % в декілька разів зменшує його термічне розширення.Легування вуглецем в межах 0,55-0,61% інварного сплаву, який містить біля 36% Ni, підвищує температурний коефіцієнт термічного розширення при температурах нижчих за кімнатну і зменшує його при температурах вище 300 К, а також розширює температурний діапазон низького значення у порівнянні з бінарним сплавом Fe-36% Ni. Дилатометричний аналіз показав, що вуглець та вуглець в комбінації з марганцем (0,8%) у сплаві, який містить біля 30% Ni, зменшує ТКЛР в інтервалі температур 110-380 K майже на порядок у порівнянні з ТКЛР сплавів Fe-Ni та Fe-Ni-Mn, які не містять вуглець, і наближає його до величини = (1,3-5,4) 10-6 K-1, а також розширює температурний діапазон з мінімальним значенням . Магнітометричні дослідження показали, що вуглець розширює температурний діапазон інварної аномалії в сплаві з 30% Ni в результаті підвищення температури Кюрі на 80-90 К та зниження мартенситної точки до температури нижчої за точку кипіння рідкого азоту. Показано, що відпал Fe-Ni-C сплавів при 773 К збільшує величину ТКЛР і звужує температурний інтервал низького значення , що обумовлено зменшенням кількості вуглецю в твердому розчині в результаті графітизації і зміною магнітної структури. Оцінки пружних модулів та ефективної температури за ультразвуковими даними і мессбауерівські вимірювання інтенсивності спектру показали, що легування вуглецем послаблює жорсткість міжатомної взаємодії в інварних сплавах Fe-Ni (29,7 - 36%Ni) і не змінює її в складнолегованому аустеніті Fe-Cr-Mn-Ni-C.

2. Основний зміст роботи

1. Легування вуглецем в межах 0,55-0,61% інварного сплаву, який містить біля 36% Ni, підвищує температурний коефіцієнт термічного розширення при температурах нижчих за кімнатну і зменшує його при температурах вище 300 К, а також розширює температурний діапазон низького значення у порівнянні з бінарним сплавом Fe-36% Ni.

2. Дилатометричний аналіз показав, що вуглець та вуглець в комбінації з марганцем (0,8%) у сплаві, який містить біля 30% Ni, зменшує ТКЛР в інтервалі температур 110-380 K майже на порядок у порівнянні з ТКЛР сплавів Fe-Ni та Fe-Ni-Mn, які не містять вуглець, і наближає його до величини = (1,3-5,4) 10-6 K-1, а також розширює температурний діапазон з мінімальним значенням . Додаткове легування марганцем (0,4-0,8%) підвищує верхню границю низького значення ТКЛР на ~20 К.

3. Магнітометричні дослідження показали, що вуглець розширює температурний діапазон інварної аномалії в сплаві з 30% Ni в результаті підвищення температури Кюрі на 80-90 К та зниження мартенситної точки до температури нижчої за точку кипіння рідкого азоту.

4. Показано, що відпал Fe-Ni-C сплавів при 773 К збільшує величину ТКЛР і звужує температурний інтервал низького значення , що обумовлено зменшенням кількості вуглецю в твердому розчині в результаті графітизації і зміною магнітної структури.

5. Ультразвуковим методом показано, що зменшення концентрації Ni від 36% до 30,3% збільшує пружні модулі і зменшує коефіцієнт Пуассона. Легування вуглецем Fe-Ni сплавів впливає неоднозначно на зміну пружних модулів, яка залежить від концентрації Ni.

6. Оцінки пружних модулів та ефективної температури за ультразвуковими даними і мессбауерівські вимірювання інтенсивності спектру показали, що легування вуглецем послаблює жорсткість міжатомної взаємодії в інварних сплавах Fe-Ni (29,7 - 36%Ni) і не змінює її в складнолегованому аустеніті Fe-Cr-Mn-Ni-C.

7. Методами ядерного гама-резонансу і малокутового розсіяння нейтронів показано, що вуглець викликає формування магнітних неоднорідностей, середні розміри яких за даними аналізу кривих МКРН складають біля 200 A (20 нм).

8. Створено низькотемпературний дилатометр для вимірювання інварних сплавів та компютерні програми для автоматичного управління вимірюваннями та обробки експериментальних даних.

Основні роботи

1. Nadutov V.M., Svystunov Ye.O., Efimova T.V., Gorbatov A.V. Hyperfine magnetic structure and magnetic properties of invar Fe-Ni-C alloys// Material Research in Atomic Scale by Mossbauer Spectroscopy, M. Mashlan, M. Miglierini and P. Schaaf (eds.), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 2003, PP. 105-116.

2. Надутов В.М., Свистунов Є.О. Вплив С на термічне розширення ГЦК Fe-Ni сплавів. Металлофизика и новейшие технологии, 24, № 12, 2002, C. 1639-1649.

3. Nadutov V.M., Garamus V.M., Willumeit R., Svystunov Ye.O. Small-Angle Neuton Scattering in iron-based austenite. P II. The effect of carbon on SANS in fcc Fe-Ni alloys, Металлофизика и новейшие технологии, 24, № 5, 2002, PP. 717-725.

4. Nadutov V.M., Baldokhin Yu.V., Kolotirkin P.Ya., Svistunov E.A. Mossbauer analysis of the hyperfine interactions in the fcc Fe-Cr-Mn-Ni-C(N) alloys, Materials Science Forum 2001, 373-376, PP. 717-720.

5. Надутов В.М., Запорожець О.І., Гордієнко Н.А., Свистунов Є.О. Вплив вуглецю на пружні властивості та магнітну структуру інварних Fe-Ni сплавів. Металлофизика и новейшие технологии, 25, № 4, 2003, C. 1001-1011.

6. Nadutov V.M., Garamus V.M., Willumeit R., Svystunov Ye.O. Small-Angle Neutron Scattering in F.C.C. Fe-Ni and Fe-Ni-C Alloys // Abstracts, the 8th European Powder Diffrsction Conference (EPDI 8), 23-26 May 2002, Uppsala, Sweden, Uppsala Universiyty, 2002. 2B P-34, P. 116.

7. Nadutov V.M., Svystunov Ye.O., Efimova T.V., Gorbatov A.V. Hyperfine magnetic structure and magnetic properties of Invar Fe-Ni-C alloys // Abstracts, the NATO Advanced Research Workshop “Materials Research in Atomic Scale by Mossbauer Spectroscopy”, MSMS, Smolenice, Slovakia (June 1-7 2002), K2.2, P. 17.

8. Nadutov V.M., Svystunov Ye.O., Efimova T.V., Tatarenko V.A., Kolotovska V.L. The effect of C on hyperfine magnetic interaction and magnetic properties of invar Fe-Ni-C alloys // International conference “Functional Materials” ICFM - 2003. - Abstract. - Ukraine, Crimea, Partenit (October 6 - 11), - 2003, P. 189.

9. Nadutov V.M., Svystunov Ye.O., Potapenko O.V. The effect of carbon on thermal expansion of invar Fe-Ni alloys // International conference “Functional Materials” ICFM - 2003. - Abstract. - Ukraine, Crimea, Partenit (October 6 - 11), - 2003, P. 190.

10. Nadutov V.M., Zaporozhets O.I., Dordienko N., Svystunov Ye.O. The effect of carbon on the ultrasonic velocity and elastic properties of invar Fe-Ni alloys // International conference “Functional Materials” ICFM - 2003. - Abstracts. - Ukraine, Crimea, Partenit (October 6 - 11), - 2003, P. 191.

Размещено на .ru