Введение к работе
Актуальность темы исследования. Циркониевые сплавы обладают радом важных физико-механических свойств, обеспечивающих благоприятные возможности для потенциального применения их в различных областях науки и техники. Среди них такие, как высокие коррозионные свойства, низкое среднее эффективное поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов, высокие геттерные свойства, сверхпроводящие свойства, возможность с помощью легирования и термомеханической обработки изменять свойства в широком диапазоне. Все это делает циркониевые сплавы перспективным конструкционным материалом для использования в химической, атомной промышленности и в некоторых других специальных областях применения. Однако фазовые и структурные превращения в различных циркониевых сплавах, а также свойства этих сплавов изучены недостаточно полно, что сдерживает их широкое применение. Большинство исследований было выполнено на узком классе сплавов, в значительной степени уже освоенных промышленностью, таких как сплавы типа циркалоев и сплавы, применяющиеся в качестве сверхпроводящих материалов.
Однако области применения циркониевых сплавов непрерывно расширяются. Исследования последних лет показывают, что в сплавах различных циркониевых систем возможно обнаружение новых уникальных свойств (например, эффектов памяти формы), получение новых аморфных материалов. Вместе с тем многие важные с научной точки зрения вопросы, в частности, такие как исследование фазовых превращений, возможностей и условий получения различных неравновесных и метастабильных фаз во многих циркониевых сплавах остались практически без рассмотрения.
Циркониевые сплавы являются исключительно удобными модельными объектами для изучения влияния типа легирующего элемента на особенности протекания в них фазовых превращений в силу того, что цирконий, расположенный в середине периодической системы элементов, со многими металлами имеет единообразные равновесные и метастабильные диаграммы состояния. Это позволяет наиболее полно установить закономерности формирования различных
структур и тем самым создать необходимые предпосылки для научного обоснования принципов легирования циркониевых сплавов.
Значительный интерес вызывает также изучение деформационного и фазового поведения циркония и его сплавов в условиях экстремальных воздействий, таких как высокие давления и ударные волны. Многие служебные характеристики циркониевых сплавов определяются существованием в них со-фазы высокого давления. Получение ш-фазы с помощью статического или динамического давления открывает дополнительные возможности для практического использования циркониевых сплавов.
Цель работы. Цель настоящей работы состоит в установлении общих закономерностей фазовых и структурных превращений в цирконии и его бинарных сплавах с переходными металлами IV-VIII групп периодической системы элементов при различных термических обработках, а также под действием высокого давления и ударных волн.
Для достижения намеченной цели в работе были поставлены следующие задачи:
-
Установить закономерности изменения фазового состава и формирования структуры циркониевых сплавов в зависимости от положения легирующего металла в периодической системе элементов и его содержания в сплаве при закалке из области Р-твердого раствора и последующих низкотемпературных отпусках.
-
Изучить влияние высокого статического давления на сплавы с различной морфологией мартенсита гексагональной а(а')-фазы и установить структурные особенности образования со-фазы.
-
Разработать атомно-кристаллографические механизмы перестройки решетки при р —> а и а —> <и превращениях, основанные на одинаковых исходных положениях.
-
Изучить механизмы высокоскоростной пластической деформации циркония и его сплавов с ниобием в условиях нагружения сферически сходящимися ударными волнами различной интенсивности.
Основными методами исследования были рентгеноструктурный анализ, просвечивающая электронная микроскопия, оптическая металлография, измерения твердости и микротвердости.
На защиту выносятся следующие основные положения, характеризующие научную новизну диссертационной работы.
1. Установлены закономерности влияния положения легирующего металла в периодической системе элементов и его содержания в сплаве на фазовый состав и характер образующейся структуры в цирконии и его сплавах с титаном, гафнием, ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом, вольфрамом, рением, рутением, родием, палладием, осмием, иридием и платиной при закалке из области р-твердого раствора и последующих отпусках.
2. В циркониевых сплавах обнаружена орторомбическая а"-фаза
и установлено, что она образуется только в четырех системах:
цирконий-тантал, цирконий-молибден, цирконий-вольфрам и
цирконий-рений.
3. Обнаружено образование со-фазы в системах
цирконий-вольфрам и цирконий-ллатина. Выявлена закономерность
изменения положения минимальной концентрационной границы
образования ш-фазы в зависимости от типа легирующего металла.
4. В системе цирконий-ванадий обнаружен новый тип фазового
превращения — метастабильный эвтектоидный распад Р-фазы на со-
фазу и интерметаллид ZrV2.
5. На основе разработанного в работе метода определения
содержания легирующего компонента в w-фазе (с*") установлено, что в
закаленном состоянии сш всегда меньше, чем содержание
легирующего компонента в сплаве, а в процессе отпуска со-фаза
обедняется практически до чистого циркония.
6. Обнаружено, что под давлением со-фаза образуется в виде
больших областей и в значительной степени наследует исходные
морфологические формы мартенсита гексагональной сс(а')-фазы.
Обнаружено также, что в системе цирконий-титан величина
критического давления перехода а-фазы в со-фазу меняется
нелинейным образом: понижается при приближении к чистым
компонентам и повышается в области средних составов.
7. Предложены атомно-кристаллографические механизмы
перестройки решетки при Р -> а и а ~» а> превращениях, в основе
которых лежит распространение локализованных воля смещений
плотноупакованных рядов атомов. Показано, что эти механизмы
объясняют основные кристаллографические и структурные особенности р —» а и а —> т превращений, экспериментально наблюдающиеся в изученных сплавах.
8. Установлено, что высокоскоростная пластическая деформация циркония при нагружении сферически сходящимися ударными волнами осуществляется скольжением, двойникованием и образованием полос адиабатического сдвига. В сплавах Zr-І мас.% Nb и Zr-2,5 мас.% Nb, имеющих в исходном состоянии мелкозернистую структуру, механизм двойникования при таком способе нагружения не реализуется, а увеличение интенсивности нагружения приводит к появлению в центральной части образцов области нестабильного пластического течения материала, связанного с потерей устойчивости кристаллической решетки.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты вносят вклад в развитие представлений о фазовых превращениях в циркониевых и титановых сплавах. Установленные в данной работе общие закономерности, характеризующие формирование фазового состава, структуры, условия стабильности фаз в зависимости от положения легирующего металла в периодической системе элементов и его содержания в сплаве, создают научную основу для обоснования принципов легирования и разработки как двухкомпонентных, так и многокомпонентных циркониевых сплавов. Они могут быть использованы для разработки различных режимов термической и термомеханической обработки этих сплавов, в том числе с применением высокого давления. Полученные результаты можно использовать также как учебный материал при чтении курсов «Физика твердого тела» и ряда других, а также при написании учебников.
Личный вклад соискателя состоит в инициативе проведения и разработке общей стратегии исследований, постановке научных проблем в оригинальных работах, составивших основу диссертации, получении, обработке и трактовке полученных результатов. Все основные этапы экспериментальной работы проведены лично соискателем.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на VII, VIII и IX Научных семинарах «Влияние высоких давлений на вещество» (Канев - 1982, Киев - 1983, Одесса - 1986), IX и X
Уральских школах металловедов-термистов (Свердловск - 1985, Ижевск - 1987), XI Международной конференции МАРИВД «Высокие давления в науке и технике» (Киев - 1987), XIII и XVI Конференциях по прикладной кристаллографии (Польша, Чешин - 1988, 1994), XII и 18 Европейских кристаллографических конгрессах (Москва - 1989, Чехия, Прага — 1998), IV Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Суздаль - 1990), Всесоюзной конференции «Мартенситные превращения в твердом теле» (Косов - 1991), VI Совещании по старению металлических сплавов «Фундаментальные и прикладные аспекты исследований структуры и свойств стареющих сплавов» (Екатеринбург - 1992), Международных конференциях «Ударные волны в конденсированных средах» (Санкт-Петербург -1994, 1996), Международной конференции «Рентгеновский дифракционный анализ реальной структуры материалов» (Словакия, Липтовски Микулаш - 1995), Объединенной Международной конференции XV МАРИВД и XXXIII ЕГИВД «Высокие давления в науке и технике» (Польша, Варшава — 1995), Международной конференции «Металлургическое и материаловедческое применение ударно-волновых и высокоскоростных деформационных явлений» EXPLOMET '95 (США, Эль Пасо - 1995), VII Международном семинаре «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург — 1996), Международных конференциях по механическому и физическому поведению материалов при динамическом нагружении DYMAT'97 (Испания, Толедо — 1997) и DYMAT - 2000 (Польша, Краков - 2000), Международной конференции V «Забабахинские научные чтения» (Снежинск — 1998), III Международной школе по высоким давлениям (Польша, Варшава — 1999), Международном семинаре «Новые экспериментальные методы в динамическом и ударном нагружении материалов» (Польша, Варшава — 2001), Международной конференции по мартенситным превращениям 1СОМАТ'02 (Финляндия, Эспу - 2002), XIX Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус — 2004), III Международной конференции «Фазовые превращения при высоких давлениях» (Черноголовка — 2004), 7 Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» ОМА-2004 (Сочи — 2004), XX Международной
конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус - 2005).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 35 печатных работ, из них 29 в реферируемых журналах, 5 в тематических сборниках статей и 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и общих выводов. Работа изложена на 306 страницах, включая 156 рисунков и 39 таблиц. Список использованной литературы содержит 270 наименований.
Похожие диссертации на Закономерности структурных и фазовых превращений в цирконии и его сплавах с переходными металлами IV-VIII групп периодической системы элементов
