Закономірності багатофазної евтектичної кристалізації у сплавах заліза з фосфором та бором - Автореферат

Основні результати дисертаційної роботи одержано під час виконання тем і планів наукових досліджень НДЛ «Відділ динамічної металофізики» кафедри металофізики факультету фізики, електроніки та компютерних систем Дніпропетровського національного університету імені Олеся Гончара: „Розробка нових матеріалів на основі твердого розчину проникнення фосфору та бору у конструкційних сталях”, № держ. реєстрації 0197U000649 (1997-1999 р.); Метою роботи є встановлення особливостей сумісної кристалізації твердих розчинів під час евтектичної кристалізації в багатокомпонентних сплавах на основі заліза, які містять бор та фосфор. Проведено порівняльний аналіз впливу фосфору на сплави Fe-B та бору на сплави Fe-P. Досліджено будову та властивості твердих розчинів, які утворюються у сплавах Fe-P-B, а саме: легованого фосфором та бором фериту, борофосфідів Fe3(P,B), Fe2(P,B), фосфоборидів Fe2(В,Р). Кристалізація потрійної евтектики може відбуватися за чотирма основними механізми: розділена кристалізація; одночасний сумісний ріст трьох фаз; переривчасте зростання третьої фази при сумісному рості двох інших фаз; розпад рідини на дві подвійні евтектики, що ростуть одночасно.Перший розділ містить аналіз літературних даних щодо діаграм стану систем Fe-P, Fe-P-B, впливу бору та фосфору на структуру і властивості сталей, відомості про фосфіди та бориди заліза й тверді розчини на їх основі, закономірності евтектичної кристалізації. Погляди авторів різняться у питанні розчинності фосфору в залізі, а інформація про вплив бору на розчинність фосфору або фосфору на розчинність бору в залізі повністю відсутня. Вміст фосфору в сплавах не перевищував 18%, бору - 9%, молібдену - до 0,5% у сплавах Fe-P-B та від 6 до 22%Мо у сплавах Fe-Mo-P, Fe-Mo-C. У сплавах системи Fe-Р-В за вмісту фосфору до 18% та бору до 9% спостерігаються наступні структурні складові: · тверді розчини: фосфору та бору в залізі; При цьому в області, багатої фосфором, переважно наявні тверді розчини заміщення (параметр решітки фериту максимально зменшується до 2,8625 ), а у області, насиченої бором, переважно утворюються тверді розчини проникнення (параметр решітки фериту максимально підвищується до 2,867 ) (рис.1).Встановлено особливості кристалізації та мікромеханічні властивості моноваріантних подвійних та потрійних евтектик, які утворюються у цих сплавах. Визначено що сумісне легування фосфором та бором приводить до утворення твердих розчинів заміщення-проникнення на основі фериту. На основі дослідження формування твердих розчинів змішаного типу, а саме: легованого фосфором та бором фериту, Fe3(P,B), Fe2(P,B), Fe3(В,Р), Fe2(В,Р) доведено, що при легуванні сплавів Fe-P бором та Fe-B фосфором евтектична точка подвійних діаграм зсуваються у бік залізного кута. Отримана залежність величини зсуву ліній відповідної діаграми від вмісту фосфору та бору в сплаві, що дає можливість розрахунку кількісного співвідношення первинних фаз та евтектики у сплавах Fe-P-B. Виділено чотири основні типи потрійних евтектик залежно від обємного вмісту фаз, що їх утворюють, для яких характерне наступне: поперемінна кристалізація трьох фаз; кристалізація подвійної евтектики з стрижнями (глобулами) третьої фази; кристалізація двох різних подвійних евтектик за сталої температури; розділена кристалізація.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Досліджено сплави систем Fe-P, Fe-Р-В, Fe-Р-Мо, Fe-Р-С, Fe-С-Мо, Fe-Р-В-Мо, а саме: будову та мікромеханічні властивості первинних фаз та евтектик, фізико-хімічні та експлуатаційні властивості сплавів. Встановлено особливості кристалізації та мікромеханічні властивості моноваріантних подвійних та потрійних евтектик, які утворюються у цих сплавах.

2. Показано, що бор сприяє підвищенню розчинності фосфору в фериті. Визначено що сумісне легування фосфором та бором приводить до утворення твердих розчинів заміщення-проникнення на основі фериту. В області, багатої фосфором, переважно наявні тверді розчини заміщення, в області, багатої бором - тверді розчини проникнення. Встановлено співвідношення вмісту Р та В, що визначає положення цих областей на діаграмі.

3. Модель утворення твердих розчинів на основі фосфіду Fe3P та бориду Fe3B розраховували методом функціонала густини (DFT). Розрахунок показує, що у разі розчинення атомів бору в фосфіді Fe3P довжина міжатомних звязків Fe-Fe, Fe-P, Fe-B скорочується та утворюється звязок між атомами неметалів Р-Р та Р-В.

4. На основі дослідження формування твердих розчинів змішаного типу, а саме: легованого фосфором та бором фериту, Fe3(P,B), Fe2(P,B), Fe3(В,Р), Fe2(В,Р) доведено, що при легуванні сплавів Fe-P бором та Fe-B фосфором евтектична точка подвійних діаграм зсуваються у бік залізного кута. Отримана залежність величини зсуву ліній відповідної діаграми від вмісту фосфору та бору в сплаві, що дає можливість розрахунку кількісного співвідношення первинних фаз та евтектики у сплавах Fe-P-B.

5. Встановлено морфологічні закономірності кристалізації потрійних евтектик у багатокомпонентних сплавах. Виділено чотири основні типи потрійних евтектик залежно від обємного вмісту фаз, що їх утворюють, для яких характерне наступне: поперемінна кристалізація трьох фаз; кристалізація подвійної евтектики з стрижнями (глобулами) третьої фази; кристалізація двох різних подвійних евтектик за сталої температури; розділена кристалізація. Досліджено властивості подвійних та потрійних евтектик.

6. Запропоновано визначення ведучої фази потрійної евтектики залежно від комбінації фаз із різними формами росту в евтектиці. Показано, що у потрійній евтектиці може бути як одна, так й дві ведучі фази. У ході росту потрійної евтектики ведуча фаза може змінюватися. Визначено відмінності потрійної евтектики від подвійної за наступними ознаками: кооперативність росту евтектики, морфологія, ведуча фаза, обємне співвідношення фаз. Запропоновано класифікації потрійних евтектик за цими ознаками.

7. Досліджено властивості первинних фаз: фериту, легованого фосфором та бором, Fe3(P,B), Fe2(P,B), Fe3(В,Р), Fe2(В,Р) та Fe5PB2. Сплави евтектичного складу є рідкотекучі та легкоплавкі. Молібден підвищує пластичність цих сплавів. Сплави заевтектичної області характеризуються твердістю, окалиностійкістю, підвищеним опором до зносу та дії агресивних середовищ. Запропоновано використовувати евтектичні сплави системи Fe-P-B у якості звязок композиційних матеріалів, а заевтектичні сплави в якості наповнювачів. Було розроблено спосіб отримання двошарових зносостійких КМ матеріалів та подано заявку на винахід.

1. Спиридонова, И.М. Морфология фосфидных эвтектик / И.М. Спиридонова, Н.В. Бутенко // Зб. наук. праць за матеріалами міжнародної конференції "Евтектика-V" (Дніпропетровськ, 12-14 червня 2000 г.): Тези допов. С. 221-223.

2. Спиридонова, И.М. Исследование влияния легирования бором и фосфором и фосфором на структуру и свойства углеродистой стали. / И.М. Спиридонова, С.Б. Пиляева, Н.В. Бутенко // Сб. научных трудов «Строительство, материаловедение, машиностроение». Сер. «Стародубовские чтения 2000». Днепропетровск, 2000. вып. 10. С. 123.

3. Спиридонова, И.М. Изучение сплавов систем / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Вісник ДДУ. Сер. «Фізика. Радіоелектроніка». 2003. №10. С. 17-20.

4. Spiridonova, I.М. Relaxation phenomena at the interfaces of brass-matrix composites. / I.М. Spiridonova, O.V. Sukhova, S.В. Pilyayeva, N.V. Butenko // Proc. of the XXI Int. Conf. "Relaxation phenomena in solids". Voronezh, 2004. P. 32.

5. Спиридонова, И.М. Композиционные покрытия для упрочения деталей быстроизнашивающегося оборудования. / И.М. Спиридонова, Е.В. Суховая, Н.В. Карпенко // Тр. межд. конф. "Стратегия качества в промышленности и образовании". Варна, 2005. С. 172-174.

6. Спиридонова, И.М. Формирование структуры и свойств железных сплавов-наполнителей, легированных бором, углеродом и фосфором, и композиционных покрытий на их основе. / И.М. Спиридонова, Е.В. Суховая, Н.В. Карпенко, Д. Слезко // Труды 26-й ежег. межд. научн.-практ. конф. и блиц-выставки «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком). Киев, 2006. С. 206-208.

7. Карпенко, Н.В. Влияние фосфора и бора на структуру и свойства сплавов на основе железа. / Н.В. Карпенко // Межд. научно-практ. конф. "Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (Днепропетровск, 11-12 мая 2006): Тезисы докл. С. 373-374.

8. Суховая, Е.В. Управление структурой и свойствами композиционных материалов с метастабильными составляющими. / Е.В. Суховая, И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // В кн. "Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ). Корпоративные нано- и CALS-технологии в наукоемких отраслях промышленности". Москва: Знание, 2006. С. 198-202.

9. Спиридонова, И.М. Многофазная эвтектическая кристаллизация в трехкомпонентных сплавах. / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Теория и практика металлургии. Специальный выпуск Eutectica VII/ Conference Proceeding International Conference. Днепропетровск, 2006. Вып. 53-54. №4-5. С. 62-65.

10. Спиридонова, И.М. Влияние фосфора и бора на структуру и свойства сплавов на основе железа. / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко, Л.Н. Гудзенко, В.П. Федаш // Сборник научных трудов. Серия: Стародубовские чтения 2007. Строительство, материаловедение, машиностроение, 2007. Выпуск 41.часть 1. С. 161-165.

11. Спиридонова, И.М. Фосфиды железа и тройные фазы на их основе. / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Сб. трудов межд. конф. „Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы” (Киев, 27-29 мая 2008 г): Тезисы докл. С. 69.

12. Спиридонова, И.М. Структурообразование эвтектических сплавов на основе железа. / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Збірник наукових праць міжн. конф. “Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікро- та наноструктур” (Харків, 8-10 жовтня 2008 р). Т. 2. С. 323-326.

13. Спиридонова, И.М. Влияние легирования на структуру и свойства фосфидов железа. / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Сборник тезисов межд. конф. «Современные проблемы физики металлов» (Киев, 7-9 октября 2008 г.): Тези допов. С. 112.

14. Суховая, Е.В. Особенности контактного взаимодействия и технология изготовления многослойных композиционных материалов. / Е.В. Суховая, Н.В. Карпенко // Сборник научных работ "Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии" по материалам конф. „Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології-2008” (Киев, 12-14 ноября 2008). С. 114.

15. Спиридонова, І.М. Фосфіди заліза та потрійні фази на їх основі. / І.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Фізика і хімія твердого тіла.2008. Т.9, № 2. С. 389-393.

16. Спиридонова, И.М. Влияние фосфора и бора на структуру сплавов на основе железа. / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Сборник научных трудов. Серия: Стародубовские чтения 2008. Строительство, материаловедение, машиностроение. Вып. 45, ч. 3. С. 81-85.

17. Суховая, Е.В. Особенности контактного взаимодействия и технология изготовления многослойных композиционных материалов. / Е.В. Суховая, Н.В. Карпенко // Металлофизика и новейшие технологии. 2008. Т. 30, спецвыпуск. С. 585-594.

18. Спиридонова, И.М. Фосфорсодержащие композиционные материалы с медными связками. / И.М. Спиридонова, Е.В. Суховая, Н.В. Карпенко // Сб. тез. конф. “Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов” (Москва, 27-29 октября 2009 г.). С. 72.

19. Спиридонова, И.М. К вопросу о строении тройной эвтектики в сплавах. / И.М. Спиридонова, Н.В. Карпенко // Збірник наукових праць міжн. конф. “Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікро- та наноструктур” (Харків, 21-23 жовтня 2009 р). С. 338-341.

20. Спиридонова, И.М. Влияние бора на механические и эксплуатационные свойства сплава Fe-P-C. / И.М. Спиридонова, Е.В. Суховая, Н.В. Карпенко, А. Карпилович // Сборник научных трудов. Серия: Стародубовские чтения 2009. Строительство, материаловедение, машиностроение. Вып. 47, ч. 2. С. 127-130.

21. Спиридонова, І.М. Вплив фосфору на структуру та властивості гемібориду заліза в сплавах Fe-B-P. / І.М. Спиридонова, О.В. Сухова, Н.В. Карпенко // Порошковая металлургия.2009. Т. 48, № 11-12 (470). С. 119-124.

22. Сухова О.В. Забезпечення змочування та експлуатаційної надійності границь поділу в композиційних матеріалах із квазікристалами. / О.В. Сухова, Н.В. Карпенко, Ю.В. Сироватко // Сборник научных трудов. Серия: Стародубовские чтения 2010. Строительство, материаловедение, машиностроение. Вып. 54, ч. 2. С. 162-165.

23. Сухова О.В. Влияние фосфора и молибдена на структуру и свойства сплавов Fe-C-B. / О.В. Сухова, Н.В. Карпенко, Ю.В. Сироватко // Вісник ДНУ. Серія: Фізика і радіоелектроніка.2010. Вип. 17. Т. 18, № 2. С. 27-33.

24. Spiridonova, I.М. Quasicrystal-strengthened composites obtained by infiltration. / I.М. Spiridonova, O.V. Sukhova, N.V. Karpenko // XIX Int. Conf. «Recent developments in metallurgy, materials and environment». Saltillo, Mexico, 2010. P. 757-762.

25. Спиридонова, І.М. Фазові перетворення у сплавах трикутника Fe3P-Fe2P-Fe2B. / І.М. Спиридонова, О.В. Сухова, Н.В. Карпенко // Доповіді НАН України. 2011. № 2. С. 96-103.