Анотація до роботи:

Семенов Д.В. Вплив легування та ультразвукової ударної обробки на фізико-механічні властивості інварних ГЦК сплавів системи Fe – Ni – С. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 – фізика металів. – Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2006.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу легування вуглецем у поєднанні з марганцем і кобальтом, а також ультразвукової ударної обробки, на механічні властивості і термічне розширення ГЦК Fe-Ni-C сплавів інварного класу, та з’ясуванню природи цього впливу на основі аналізу даних механічних випробовувань, вимірювань малокутового розсіяння нейтронів, пружних модулів, мессбауерівських спектрів і термічного розширення.

Проведено механічні випробування на розтяг загартованих від 1373 К сплавів Fe–Ni і Fe–Ni–C та легованих Mn і Сo. Показано покращення вуглецем механічних властивостей інварних сплавів. В рамках моделі магніто-дисперсійного твердіння оцінено приріст межі плинності за рахунок впливу магнітних неоднорідностей в сплавах. За результатами оцінки показано, що в ГЦК-сплавах Fe–Ni і Fe–Ni–C має місце явище інварного зміцнення, внесок якого визначається вмістом нікелю і послаблюється при введенні вуглецю, а також при зниженні температури. При легуванні Mn або Co в межах 1-2 мас.%, а також додаванні мікродоз Y та Tb, інварний внесок принципово не змінюється.

Проведено малоциклові механічні випробування на втому зразків сплавів Fe-Ni-Y-C, Fe-Ni-Co-Y-C і Fe-Ni-Mn-Co-Tb-C, і показано відносно високий опір сплавів циклічним знакозмінним навантаженням. Встановлено, що інварні сплави, які містять вуглець, на відміну від аустенітних сталей, не виявляють ефект циклічного знеміцнення при збільшенні числа циклів. Дослідження зразків після випробувань на втому показали збереження фазового складу та інварних властивостей, поряд з незначною зміною пружних характеристик, що пояснюється послабленням жорсткості міжатомного зв’язку за рахунок накопичених дефектів.

Проведено дослідження змін поверхневої структури, мікротвердості, термічного розширення і пружних властивостей зразків Fe-Ni-C сплавів під дією УУЗО з амплітудою удару 20-28 мкм. Показано поступове механічне зміцнення поверхневого шару масивних зразків без зміни мікроструктури і фазового складу поверхні. Встановлено, що термічне розширення сплавів після УУЗО залишилось на рівні інварного, що пояснюється збереженням незмінного фазового складу і магнітного стану.

З використанням мессбауерівської спектроскопії показано, що УУЗО вуглецевих сплавів веде до атомного перерозподілу в твердому розчині, не змінюючи фазовий склад. Результати проаналізовано у співставленні з даними, отриманими після поверхневої УНЧО, яка викликає зміну фазового складу. Показано високу ефективність УУЗО як способу поверхневого зміцнення при збереженні інварних і пружних властивостей у порівнянні з низькочастотною ударною обробкою.

На основі отриманих результатів розроблено фізичні підгрунття щодо легування та ударної ультразвукової обробки інварних ГЦК сплавів системи Fe-Ni, і на їх основі розвинуто шляхи покращення механічних властивостей інварів. При цьому встановлено наступне:

1. За даними МКРН встановлено, що в сплавах Fe-Ni і Fe-Ni-C існують магнітні неоднорідності, утворення яких пов’язане із змішаним характером обмінної міжспінової взаємодії, і які сприяють додатковому зміцненню сплавів за магніто-дисперсійним механізмом. Середній розмір неоднорідностей в сплавах становить 1 – 30 нм, причому в сплавах з вуглецем переважають неоднорідності великого розміру (10 – 30 нм). За мессбауерівськими даними при зниженні температури до 163 К відбувається зростання магнітного порядку в Fe-Ni-C аустеніті, що вказує на часткове руйнування магнітних неоднорідностей.

2. Механічні випробування на розтяг показали, що в ГЦК сплавах Fe-Ni-C, Fe-Ni-Х-C (Х = Co, Mn) з вмістом нікелю близько 30%, як і в Fe-Ni інварах, має місце поряд з твердорозчинним інварне зміцнення за магніто-дисперсійним механізмом. Воно проявляє себе у зменшенні відносного приросту межі плинності із зниженням температури сплавів, які містять С або в яких концентрація Ni наближається до інварної композиції (34%), що пояснюється впливом цих елементів на магнітний порядок.

3. Додаткове введення Mn (0,5-1,5%) або Co (1-2%) в ГЦК-Fe-Ni-С сплави разом з мікродомішками Tb чи Y зберігає температурну залежність межі плинності і межі міцності, а також інварні властивості, приблизно на рівні цих показників для нелегованих сплавів, що вказує на незмінність інварного внеску у зміцнення.

4. Проведені механічні випробування вперше показали, що інварні сплави, які містять вуглець Fe-Ni-Y-C, та додатково леговані Co, Fe-Ni-Co-Y-C, мають відносно високий опір циклічним знакозмінним навантаженням в межах 300-600 циклів при максимальній амплітуді деформації 2,2%, зберігаючи в припустимих межах як інварні, так і пружні властивості, що забезпечено незмінним фазовим складом і відносно стабільним міжатомним зв’язком, а введення Mn погіршує втомні властивості, що пояснюється зниженням цим елементом пластичності матеріалу.

5. Вперше показано, що циклічні навантаження інварних ГЦК сплавів Fe-Ni-Y-C та Fe-Ni-Co-Y-C (300-600 циклів при максимальній амплітуді деформації 2,2%) не викликають знеміцнення при зростанні кількості циклів, характерного для аустенітних сталей, що може бути обумовлено різним механізмом деформації і релаксації напружень в цих матеріалах.

6. На основі даних рентгенівських і мессбауерівських досліджень вперше встановлено, що ударна ультразвукова обробка сплавів Fe-Ni-C з вмістом ~(25 – 30)%Ni при кімнатній температурі з амплітудою A = 20 – 28 мкм, що відповідає потужності P = 2,4–4,7 Дж/с, викликає перерозподіл вуглецю в аустеніті, не змінюючи фазовий склад, і принципово пружні модулі та магнітний порядок, що забезпечує збереження інварного ефекту. Дія УУЗО (тривалістю до 20 – 30 сек.) спричиняє приріст мікротвердості поверхневого шару на 25 – 37% за рахунок механічного нагартування аустеніту.

7. Мессбауерівські дослідження показали, що ударна низькочастотна (f = 0,78 Гц) обробка (P = 0,15 Дж/с,) поверхні ГЦК сплавів Fe-Ni-C, які за рахунок легування мають стабільну аустенітну структуру, спричиняє на відміну від УУЗО перерозподіл атомів С і зміну фазового складу, що подавляє інварний ефект. Отримані дані свідчать про високу ефективність УУЗО як способу поверхневого зміцнення при збереженні інварних і пружних властивостей у порівнянні з УНЧО.

Публікації автора:

1. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, Ye.O. Svystunov, G.I. Kuzmich. Mssbauer analysis of the FCC Fe-Ni-C alloys after heat and ultrasonic treatment // Functional Materials. – 2004. – V. 11, №3. – C.101-106.

2. V.M. Nadutov, V.M. Garamus, R.Willumeit, D.V. Semenov. Small-angle neutron scattering in Invar Fe-Ni-C alloys in magnetic field // Functional Materials. – 2004. – V. 11, №3. – C.501-505.

3. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, Ye.O. Svystunov, G.I. Kuzmich. Mssbauer effect in f.c.c. Fe–Ni–C alloys after the ultrasonic impact surface treatment // Сzechoslovak Journal of Physics. – 2005. –V. 55, №7. –P.835-843

4. В.М. Надутов, Ж.-Б. Вогт, Д. В. Семенов, A. Варлен, Е.А.Свистунов, И.С, Гавриленко. Влияние циклического нагружения на механические и инварные свойства ГЦК-Fe–Ni–C сплавов // Металлофизика и новейшие технологи. – 2006. – т. 28, № 1. – С.53-65.

Інші цитовані джерела.

5. Сагарадзе, Н.Д. Земцова, Е.И. Старченко, В.А. Шабашов, Е.Е. Юрчиков, ФММ, 55, № 1: 113 (1983).