Введение к работе
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 eсж – 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 a – g 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.
