Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Азот в стали 10
1.1. Классификация сталей легированных азотом 11
1.2. Растворимость азота в железных расплавах и влияние на нее легирующих элементов 13
1.3. Механизм влияния азота на свойства стали 19
1.4. Свойства азотистых и высокоазотистых сталей 20
1.5. Методы получения высокоазотистых сталей 26
1.5.1. Методы легирования жидкой стали азотом 27
1.5.2. Метод порошковой металлургии. Метод механолегирования 30
1.6. Современное состояние проблемы использования азота в сплавах на
основе железа для придания им заданных свойств 41
1.7. Выводы по главе. Постановка цели и задач исследований 44
ГЛАВА 2. Материалы, оборудование и методика проведения экспериментов 47
ГЛАВА 3. Исследование процесса механолегирования железа в системе Fe-Cr-Ni-Mn-N 62
3.1. Исследование процессов фазообразования в системе Fe-Cr-Ni-Mn-N при механолегировании 64
3.2. Исследование закономерности изменения гранулометрического состава при механолегировании 72
3.3. Исследование содержание азота в порошке при механолегировании 74 3.4. Исследование физических свойств порошка, полученных механолегированием 78
3.5. Апробирование технологии механолегирования в системе Fe–18Cr–8Ni–12Mn на промышленной мельнице ZOZ Simoloyer CM08 79
3.6. Выводы по главе 82
ГЛАВА 4. Исследование технологических параметров процесса механолегирования и тонкой структуры стали системы Fe-Cr-Ni-Mn-N 84
4.1. Исследование технологических параметров механолегирования в системе Fe-Cr-Ni-Mn-N 84
4.2. Исследование тонкой структуры порошка после механолегирования 106
4.3. Выводы по главе 117
ГЛАВА 5. Исследование способов компактирования порошка высокоазотистой стали системы Fe-Cr-Ni-Mn-N 119
5.1. Горячая прокатка в оболочке 119
5.2. Искровое плазменное спекание 123
5.3. Исследование механических свойств компактных образцов 128
5.4. Выводы по главе 131
Выводы 132
Список используемой литературы 135
- Свойства азотистых и высокоазотистых сталей
- Исследование закономерности изменения гранулометрического состава при механолегировании
- Исследование тонкой структуры порошка после механолегирования
- Исследование механических свойств компактных образцов
Введение к работе
Актуальность работы
Перспективным классом современных материалов являются
аустенитные стали, многие из которых находят применение как немагнитные,
коррозионно- и износостойкие, а также криогенные материалы. Основным
преимуществом аустенитных сталей являются высокие служебные
характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и технологичность. Особый интерес представляют аустенитные стали, в которых в качестве легирующего элемента используется азот. Благодаря введению азота в сталь снижается необходимость в дорогостоящих легирующих элементах, например, никеле, марганце или молибдене. Легирование сталей азотом позволяет решать не только вопросы повышения их прочности и экономии легирующих элементов, но и экологические проблемы.
Распространенные в настоящее время методы получения
высокоазотистых сталей (плавка под повышенным давлением азота,
плазмохимическое насыщение расплава, использование в качестве исходных
веществ нитридов, сплавов обогащенных азотом и т.д.) предполагают
использование сложного оборудования. Кроме того, ввиду высоких
температур, необходимых для плавления стали, практически неизбежно
получение крупнозернистых материалов, обладающих низкими
механическими свойствами. Поскольку зерно в аустенитных сталях не может быть измельчено термической обработкой, требуется многократная обработка давлением, что, в конечном счете, приводит к увеличению длительности технологического цикла, повышению расхода энергии и удорожанию материала. В связи с этим для получения изделий со специальными свойствами для различных отраслей промышленности широкое применение нашли методы порошковой металлургии. Значительный интерес для получения порошковых азотсодержащих сталей представляет метод механического легирования.
По оценке некоторых авторов, механохимические методы обработки материалов по своей энергонапряженности сопоставимы с электроннолучевой обработкой, а по воздействию на фазовые превращения - с ударно-волновой. Отличительной особенностью механохимических процессов является высокая доза энергии, подводимая к обрабатываемому материалу за короткий промежуток времени.
Данная технология позволяет получать твердые растворы, в которых
содержание легирующих элементов может значительно превышать
равновесное. Кроме того, механическое легирование сильно влияет на размер зерна в сплавах, позволяя получать сверхмелкозернистую и даже нанокристаллическую структуру.
В настоящее время в области механического сплавления накоплен достаточный теоретический и практический материал. Судя по последним литературным данным, значительно возрос интерес к технологии механолегирования железа аустенитообразующими элементами, в том числе и в азотосодержащих атмосферах. Однако, анализ данных работ показал
противоречивость полученных результатов. Особенно это касается процессов
взаимодействия азотсодержащих сред с железом
и аустенитообразующими элементами в условиях их совместной
механоактивации.
Цель работы: разработка способа получения порошковой
высокоазотистой аустенитной стали системы Fe-Cr-Ni-Mn-N методом механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере на основе анализа физико-химических закономерностей процессов фазообразования.
Для реализации сформулированной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. установить физико-химические закономерности процесса
фазообразования при механическом легировании железа
аустенитообразующими элементами Cr, Ni, Mn в азотсодержащей атмосфере;
-
установить влияние технологических параметров на процесс растворения легирующих элементов в ходе механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере;
-
изучить особенности нанокристаллической структуры порошка высокоазотистой аустенитной стали, полученного методом механического легирования;
-
получить компактные образцы из порошка высокоазотистой аустенитной стали с использованием современных технологий компактирования материалов с сохранением нанокристаллической структуры;
-
исследовать механические свойства компактных образцов из высокоазотистой порошковой аустенитной стали, полученной методом механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Установлены закономерности процесса фазообразования при различных режимах механического легирования железа аустенитообразующими элементами системы Fe-Cr-Ni-Mn в азотсодержащей атмосфере.
-
Установлены особенности нанокристаллической структуры механолегированных порошковых сплавов системы Fe-18Cr-8Ni-12Mn-N.
-
Показана принципиальная возможность получения компактного материала из порошка высокоазотистой аустенитной стали, полученного методом механического легирования, с пределом прочности более 1000 МПа.
Практическая ценность работы:
1. Разработан энергосберегающий способ получения порошка
высокоазотистой аустенитной стали системы Fe-18Cr-8Ni-12Mn-N, с содержанием азота до 1 масс.%, методом механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере. На разработанный способ получения порошка высокоазотистой аустенитной стали получено два патента РФ.
-
Определены технологические параметры процесса растворения легирующих элементов при механическом легировании железа в системе Fe-18Cr-8Ni-12Mn-N.
-
Выявлено влияние способа компактирования порошка высокоазотистой аустенитной стали на механические свойства.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Энергосберегающий способ получения порошка высокоазотистой аустенитной стали системы Fe-Cr-Ni-Mn-N, включающий в себя применение метода механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере и обеспечивающий получение порошков аустенитной стали с нанокристаллической структурой и содержанием азота более 1%.
-
Закономерности процесса фазообразования при различных режимах механического легирования железа аустенитообразующими элементами системы Fe-Cr-Ni-Mn в азотсодержащей атмосфере.
-
Результаты исследования влияния технологических параметров на процесс растворения легирующих элементов в ходе механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере.
-
Особенности тонкой структуры порошка высокоазотистой аустенитной стали, полученного методом механического легирования.
-
Результаты экспериментальных исследований механических свойств компактных образцов из высокоазотистой порошковой аустенитной стали, полученных методом механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на российских и
международных конференциях: на международной научно-технической
конференции «Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ’10)»
(Санкт-Петербург, 2010 г.); на 9-ой международной научно-технической
конференции «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия,
композиционные материалы, защитные покрытия, сварка» (Минск,
Республика Беларусь, 2010 г.); на 9-ой Международной научно-
технической конференции «Современные металлические материалы и
технологии» (СММТ’2011) (Санкт-Петербург, 2011 г.); на XI Российско-
Китайском Симпозиуме с элементами научной школы для молодежи «Новые
материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011 г.); на международной
научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных
материалов (НФМ’12)» (Санкт-Петербург, 2012 г.); на 10-ой Международной
научно-технической конференции "Новые материалы и технологии:
порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия,
сварка" (Минск, Республика Беларусь, 2012 г.); на 8-ом международном
симпозиуме "Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные
материалы. Сварка" (Минск, Республика Беларусь, 2013 г.); на
международном симпозиуме «6th German-Japanese| 6th International Symposium
on nanostructures» (Kusatsu/Kyoto, Japan, 2013); на 10-ой Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии (СММТ’2013)» (Санкт-Петербург, 2013 г.); на международной конференции «NT13: The Fourteenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes» (Espoo, Finland, 2013).
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 14 статьях, из них 4 – в журналах, рекомендуемых перечнем ВАК РФ. Разработка защищена 2 патентами.
Личный вклад автора состоит в модернизации лабораторной установки
для механического легирования, разработке программы исследований,
отработке технологий синтеза порошковых материалов, получении
экспериментальных данных, отработке методик исследования материалов, разработке режимов консолидации и исследовании компактных образцов, анализе результатов и подготовке материалов к публикации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, содержит 144 машинописных листов текста, включая 82 рисунка, 18 таблиц, 102 наименования библиографических ссылок.
Свойства азотистых и высокоазотистых сталей
При равных температурах уровень растворимости азота в расплавах на основе железа может быть значительно увеличен, по сравнению с растворимостью в чистом железе за счет: легирования элементами, снижающими коэффициент активности азота в расплаве; повышения давления при выплавке.
Основными легирующими элементами для коррозионно-стойких сталей являются Cr, Ni и Mn. Их растворимость в твердых растворах на основе железа составляет десятки процентов. Поэтому влияние этих элементов на растворимость азота является наиболее значительным. М. Окамото и Т. Наито показали [12], что растворимость азота как в расплаве, так и в твердой фазе, у сплавов Fe-Cr-N в изученном интервале концентраций хрома (12-60%) значительно выше, чем у сплава Fe-N. Известно, что в чистом жидком железе при 1600C и давлении 1 атм. растворимость азота составляет лишь 0,0438 ± 0,0007 мас.%. При этом с повышением температуры расплава она увеличивается, тогда как в жидких сплавах железа с нитридообразующими элементами (Mn, Cr, V, Nb и др.) рост температуры вызывает снижение растворимости азота, как было показано Дж. Гумбертом, Дж. Эллиотом и Р. Пелке [13]. Данные о влиянии хрома, никеля, марганца и других легирующих элементов, в т.ч. - нитридообразующих, на содержание азота в расплавах на основе железа при 1600С и давлении 1 атм., приведены на рис. 4. Нитридообразующие металлы - V и Nb - оказывают наиболее значительное влияние на повышение растворимости азота в расплавах на основе железа. Из основных элементов, использующихся для коррозионно-стойких сталей - Cr, Mn, Ni - два элемента (хром и марганец) также увеличивают растворимость азота (Mn по более пологой гиперболической зависимости). Никель - не образующий нитридов элемент – снижает
Хром в количестве 20% повышает растворимость азота примерно в 10 раз по сравнению с чистым железом, и отличается меньшей склонностью к образованию нитридов в твердом состоянии по сравнению с титаном, цирконием, ванадием, ниобием. Нитриды хрома менее термодинамически стабильны, чем нитриды указанных элементов, и могут растворяться и выделяться в процессе термической обработки. Отрицательное влияние никеля, важнейшего легирующего элемента нержавеющих сталей, на растворимость азота, а также его высокая стоимость и дефицитность обусловили тенденцию снижения его уровня в большинстве промышленных высокоазотистых сплавов.
Поскольку при PN свыше 0,5 МПа имеют место отклонения от закона Сивертса, большое значение имеют результаты прямых экспериментов, которые стали возможны благодаря развитию технологий выплавки под давлением азота. Обработка данных из [9], позволила установить зависимости растворимости азота от содержания Cr и Mn в модельных сплавах на основе железа при значениях парциального давления азота в газовой фазе над расплавом 1 и 2 МПа (соответственно, около 10 и 20 атм.) и температуре расплава 1800С (рис. 3). Из рис. 5 видно, что хром более эффективно повышает растворимость азота, чем марганец, при обоих давлениях азота. Следует также отметить, что повышение давления азота вдвое вызывает больший прирост растворимости азота при 1800С в расплавах, легированных хромом, чем в расплавах, легированных марганцем.
В работе [14] приведены расчеты предельной растворимости азота в сплавах Fe-Cr-Mn-Ni-Mo. Результаты расчета приведены в табл. 1. Таблица 1. Влияние содержания никеля, хрома и марганца на предельную растворимость азота при кристаллизации в сталях Cr-Mn-Ni, содержащих
Азот и углерод являются типичными элементами внедрения в сплавах на основе железа. Находясь в твердом - или -растворе они упрочняют его. Однако влияние азота как легирующего элемента отличается от аналогичного влияния углерода. Упрочнение легированного аустенита углеродом приводит к снижению его коррозионной стойкости вследствие образования карбидов хрома. Азот повышает термическую стабильность аустенита, имеет большую растворимость в - и -фазах, снижает активность углерода и тем самым дает возможность одновременного повышения его прочности и коррозионной стойкости [7]. Перечисленные различия связаны с различной структурой углеродистого и азотистого аустенита. Отличается и их электронное строение. Атомы углерода и азота являются донорами электронов. В азотистом аустените перенос электронов от атома азота к железу идет интенсивнее, чем обмен электронами между атомами углерода и железа в углеродистом аустените, что свидетельствует об усилении межатомной связи [15]. Пространственное распределение заряда в решетке азотистого аустенита более симметрично. При меньшем размере ионов азота это способствует большей растворимости азота в аустените по сравнению с углеродом. По данным электронного парамагнитного резонанса легирование
Исследование закономерности изменения гранулометрического состава при механолегировании
В настоящее время существует целый ряд методов получения объемных наноструктурных материалов. Среди них - различные методы синтеза порошков и их консолидации. Используя данные методы, получают образцы, размер зерен в которых составляет несколько нанометров. Эти образцы явились основой для многих исследований структуры и свойств нанокристаллических и нанофазных материалов [75 - 81]. Вместе с тем актуальными являются проблемы развития этих методов, связанные с устранением остаточной пористости при компактировании, введением примесей при подготовке порошков или их консолидации, увеличением геометрических размеров получаемых образцов, практическим использованием данных методов.
Выводы по главе. Постановка цели и задач исследований
В данной главе проведен анализ современного состояния вопроса использования азота в качестве легирующего элемента в сталях, рассмотрены механизмы влияния азота на свойства сталей и методы получения высокоазотистых аустенитных сталей, а также некоторые смежные вопросы наноструктурированные материалы и способы их получения. По результатам анализа следует отметить следующие нерешенные вопросы, определяющие направления дальнейших исследований в области разработки высокоазотистых сталей с аустенитной структурой:
1. Отсутствует достаточно полное представление о возможностях комплексного механического легирования железа азотом и другими легирующими элементами.
2. Недостаточно изучены процессы фазообразования при комплексном механическом легировании железа азотом и другими аустенитообразующими элементами для установления физико-химических закономерностей.
3. Недостаточно изучено влияние добавки Cr на содержание азота в стали, полученной методом механического легирования в азотосодержащей атмосфере.
4. Отсутствует понимание кинетики процесса растворения легирующих элементов в ходе механического легирования железа азотом и другими аустенитообразующими элементами.
5. Мало изучена нанокристаллическая структура порошка высокоазотистой аустенитной стали, полученного методом механического легирования.
6. Практически не исследованы вопросы использования современных технологий компактирования материалов применительно к порошковым высокоазотистым сталям, полученным методом механического легирования.
7. Отсутствует подробное описание способов получения порошковой высокоазотистой аустенитной стали с нанокристаллической структурой механическим легированием железа аустенитообразующими элементами (Cr, Ni, Mn) в азотсодержащей атмосфере. Исходя из вышеизложенного, целью данной работы является разработка способа получения порошковой высокоазотистой аустенитной стали системы Fe-Cr-Ni-Mn-N методом механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере на основе анализа физико-химических закономерностей процессов фазообразования.
Для реализации сформулированной цели необходимо решить следующие задачи: 1. установить физико-химические закономерности процесса фазообразования при механическом легировании железа аустенитообразующими элементами Cr, Ni, Mn в азотсодержащей атмосфере; 2. установить влияние технологических параметров на процесс растворения легирующих элементов в ходе механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере; 3. изучить особенности тонкой структуры порошка высокоазотистой аустенитной стали, полученного методом механического легирования; 4. получить компактные образцы из порошка высокоазотистой аустенитной стали с использованием современных технологий компактирования материалов с сохранением нанокристаллической структуры; 5. исследовать механические свойства компактных образцов из высокоазотистой порошковой аустенитной стали, полученной методом механического легирования железа аустенитообразующими элементами в азотосодержащей атмосфере.
Исследование тонкой структуры порошка после механолегирования
В табл. 7 и рис. 39 приведены результаты исследования содержания азота в сплаве Fe-18Cr-8Ni-12Mn-N в зависимости от времени механолегирования и атмосферы. С увеличением времени механолегирования содержание азота в сплаве возрастает. После 3,5 часов обработки в атмосфере аммиака содержание азота составляет 0,922%, в то время как, при обработке в атмосфере азота – 0,04%. Из этого следует, что насыщение сплава азотом в атмосфере аммиака протекает интенсивнее. Это связано с тем, что в ходе размола аммиак диссоциирует и процесс насыщения проходит в атмосфере атомарного азота. Насыщение сплава азотом при размоле в атмосфере молекулярного азота идет несколько иначе и более подробно рассмотрено в работе [62]. Для достижения содержания азота в сплаве до 0,9%, при размоле в атмосфере азота, процесс механолегирования должен продолжаться более 20 часов. Стоит отметить, что с увеличением содержания азота в сплаве, повышается доля аустенита, что доказывает то, что в процессе механического легирования в атмосфере аммиака азот вводится в сплав не в виде молекул, адсорбированных в порах и на границах зерен, а становится одним из компонентов твердого раствора.
В работе [63] была получена высокоазотистая аустенитная нержавеющая сталь состава Fe-18Cr-11Mn. На рис. 41 показана зависимость содержания азота от времени размола. Замечено, что при обработке порошка в Spex-мельнице наблюдается примерно постоянная кинетика поглощения азота сплавом. Содержание азота после 30 часов размола – 1,373 %. Кинетика поглощения в аттриторе гораздо ниже, содержание азота в порошке достигло 1,257% после 48 часов размола. Содержание азота, которое можно получить после длительного размола может превышать 5%N (144 часа) в аттриторе и 4,39%N (120 часов) в Spex-мельнице. Внедрение такого высокого количества азота в порошок свидетельствует о высокой плотности дислокаций, полученных в результате пластической деформации. В табл. 8 показано примерное содержание азота в каждой обнаруженной фазе, в зависимости от времени размола. Рис. 41. Содержание азота в сплаве Fe-18Cr-11Mn в зависимости от времени размола [63]
В работе [64] получили сплав Fe-18Cr-11Mn-5Mo методом МС порошков в атмосфере N2. На рис. 42 представлена зависимость содержания азота от времени размола. Следует отметить, что кривая имеет три стадии, которые описывают три скорости поглощения, связывающие структуру и морфологию порошка. В течение первых 24 часов размола, азот поглощается довольно быстро, содержание возрастает до 0,5%. После 24 часов, наклон кривой уменьшается, который преобладает до 72 часов, где содержание азота слегка возрастает (с 0,5% до 0,64%). На третьем этапе довольно большое количество азота поглощается порошком (1,6% после 192 часов размола). Рис. 42. Содержание азота в сплаве Fe-18Cr-11Mn-5Mo в зависимости от времени размола [64]
Из приведенных данных видно, что в отличие от зарубежных аналогов, при использовании разработанной технологии механолегирования насыщение сплавов азотом протекает с более высокой скоростью. Это связано с особенностями конструкции используемой мельницы. Более быстрое насыщение сплавов азотом, приводит к увеличению скорости образования -фазы, что отмечалось выше.
Исследование физических свойств порошка, полученных механолегированием В табл. 9 приведены основные физические характеристики порошков, полученных механолегированием. Все порошки были получены в атмосфере аммиака. Исследуемые порошки отличаются друг от друга продолжительностью процесса механолегирования: №1 – 1 час, №2 – 2,5 часа и №3 – 3,5 часа, соответственно содержат разное количество азота. Как видно из табл. 9, полученные физические характеристики порошков имеют примерно одинаковые значения, что говорит о том, что они не зависят от времени синтеза. Микротвердость порошков повышается с течением времени за счет увеличения содержания азота в сплаве, который приводит к его упрочнению.
Апробирование технологии механолегирования в системе Fe–18Cr–8Ni– 12Mn на промышленном оборудовании осуществляли на мощностях компании ZOZ Group (г. Венден, Германия). Эксперименты по механическому легированию проводили на установке ZOZ Simoloyer CM08 в атмосфере азота.
На рис. 43 показано влияние времени механолегирования на процесс фазообразования в системе Fe–18Cr–8Ni–12Mn. Из приведенных рентгенограмм видно, что -фаза образуется входе процесса механолегирования, дополнительный нагрев не требуется, с увеличением времени механолегирования доля -фазы увеличивается, но 100% не достигает. Широкие пики указывают на сильное искажение кристаллической решетки.
Исследование механических свойств компактных образцов
Уже в первых работах, выполненных Гляйтером с сотрудниками [70], был установлен ряд особенностей структуры нанокристаллических материалов. Это, прежде всего, пониженная плотность полученных нанокристаллов и присутствие специфической «зернограничной фазы», обнаруженное по появлению дополнительных пиков при мессбауэровских исследованиях. На основании проведенных экспериментов, включая компьютерное моделирование, была предложена структурная модель нанокристаллического материала, состоящего из атомов одного сорта (рис. 65) [70, 94, 95]. В согласии с этой моделью, такой нанокристалл состоит из двух структурных компонентов: зерен-кристаллитов (атомы представлены светлыми кружками) и зернограничных областей (черные кружки). Атомная структура всех кристаллитов совершенна и определяется только их кристаллографической ориентацией. В то же время, зернограничные области, где соединяются соседние кристаллиты, характеризуются пониженной атомной плотностью и измененными межатомными расстояниями.
Модель Гляйтера дала мощный толчок исследованиям структуры нанокристаллов и поиску их необычных свойств. Вместе с тем, в последующих исследованиях были выявлены и ее важные недостатки. Во-первых, в согласии с высокоразрешающей электронной микроскопией [95-97] границы зерен являются значительно более узкими, чем это предсказывается моделью, изображенной на рис. 65, и их ширина обычно не превышает 1-2 минимальных расстояния. Во-вторых, решетка кристаллов не является совершенной и обычно, как в случае наноматериалов, полученных методами ИПД, сильно упруго искажена. Более того, в настоящее время становится очевидным, что метод получения играет весьма важную роль в формировании структуры и свойств наноструктурных материалов.
Представления о неравновесных границах были введены в научную литературу в 70-80-х годах [97 - 99], базируясь на исследованиях взаимодействия решеточных дислокаций и границ зерен. Следуя [99, 100], образование неравновесного состояния границ зерен характеризуется двумя основными особенностями — избыточной энергией границ зерен (при заданных кристаллографических параметрах границ) и наличием дальнодействующих упругих напряжений. Полагая, что границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, в качестве источников упругих полей рассматривают дискретные нарушения этого строения — зернограничные дислокации и их комплексы.
В настоящем параграфе приведены основные результаты экспери ментальных исследований тонкой кристаллической структуры на высокоразрешающем просвечивающем электронном микроскопе. Данные исследования позволили получить более подробные данные о строении и размерах нанокристаллов в исследуемом сплаве.
На рис. 66 представлена типичная нанокристаллическая структура механолегированного высокоазотистого порошкового сплава системы Fe-18Cr-8Ni-12Mn-0.9N, полученного в ходе процесса механического легирования в течение 3,5 часов. Из представленных снимков (рис. 66) видно, что полученный сплав имеет однородную мелкозернистую структуру, размеры нанокристаллов находятся в диапазоне от 6 до 20 нм, границы зерен видны отчетливо, но они, как правило, не являются прямыми, а искривлены и неровны. На них скопилось много дислокаций, но атомные плоскости частично когерентны. Вместе с тем, также много границ, изображения которых плохо определены, а дифракционный контраст в зернах неоднороден и часто изменяется сложным путем, указывая на высокий уровень внутренних напряжений и упругие искажения кристаллической решетки. Такой сложный контраст присутствует как в зернах, содержащих решеточные дислокации, так и в бездефектных зернах, свидетельствуя, что источниками внутренних напряжений являются границы зерен.
Детальное исследование участков структуры при большем увеличении, когда удается разрешить отдельные атомы кристаллической решетки (рис. 66, б), позволило заключить, что границы зерен представляют собой периодические, ступенчатые образования. На изображениях атомных плоскостей вблизи границ зерен часто наблюдается существенное искажение или искривление кристаллической решетки. Некоторые изображения атомных плоскостей обрываются, что указывает на наличие дислокаций.
Дифракционная картина, полученная с участка размером 0,5 мкм, представляет собой множество рефлексов, располагающихся на концентрических окружностях (рис. 66, в). Это свидетельствует о большеугловых разориентировках соседних зерен в сильнодеформированной структуре и значительных внутренних напряжениях. Рефлексы на окружностях связаны с дифракцией на кристаллической решетке Fe. Параметр решетки, полученных сплавов, указывает на то, что это ГЦК решетка.
