ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение........................................ • • • • 4
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ'
ІЛ. Структура и механические свойства сплавов на основе твердых растворов замещения . ............................................... 10
Г.І.І. Дефекты кристаллического строения и их влияние на распределение атомов в сплавах....................... 10
І.І.2, Влияние распределения атомов на сопротивление движению дислокаций и природа предела текучести 13
1.1*3. Структура и механические свойства нержавеющих сплавов
Ре-Ог.-/^/ . ........................ 20
1.2. Магнитное состояние сплавов переходных металлов на основе Г- Ре и влияние его на структуру и механические свойства.......................................... 22
1.2.1. Особенности электронной структуры Г~Р& и закономерности изменения магнитных свойств
сплавов на его основе .... 22
1.2.2. Магнитные свойства нержавеющих у-Ге-Съ-М' сплавов. . 28
1.2.3. Сверхтонкие взаимодействия в сплавах переходных металлов
на основе Г-Ре и их особенности в Г-Ре-Ои-л// сплавах 36
1.2.4. Влияние магнитного состояния на механические свойства металлов
и сплавов.................................. 41
1.2.5. Особенности температурной зависимости упругих и пластических свойств сплавов на основе
У"- Ре -/У/ и ^-Ге-Са-л// »обусловленные их магнитной структурой ..................................... 44
Глава 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И МАТЕРИАЛЫ
2.1. Установки для низкотемпературных исследований напряжений течения и модуля упругости .............................................. 52
2.2. Установка для измерения магнитной восприимчивости .......................................... 60
2.3. Аппаратура для исследования ядерного
Г -резонанса..................................... 62
2.4. Материалы и образцы................................ 67
- 3 -
Стр.
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СПЛАВОВ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 300 ... 4,2 К
3.1* Температурная зависимость предела текучести Г- /е- (к,-N1 сплавов с содержанием никеля 8-30 %......................................... 71
3.2. Исследование влияния температурной зависимости модуля упругости на напряжения течения У-Ре-сплавов .... 83
3.3. Влияние термической обработки и степени предварительной деформации на температурную зависимость предела текучести
Г-Ре-Сг-У/ сплавов............................ 85
3.4. Влияние внешних магнитных полей на температурную зависимость предела текучести сплава Л8Н25 и стали 03&0Н16АГ6 ... 103
Глава 4. ИССУЩОВАНИЯ МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ И СВЕРХТОНКОЙ СТРУКТУРЫ $-ре СПЛАВОВ
4.1. Температурная зависимость магнитной восприимчивости железохромоникелевых
сплавов с содержанием никеля 8-30 % . . 109
4.2. Особенности зависимости намагниченности сплавов Х18Ш и Х18Н25 от величины внешнего магнитного поля.......................... 116
4.3. Релаксационные процессы в электронноядерной спин-системе сплавов ........................ 125
4.4. Изменение электростатического сверхтонкого взаимодействия с температурой . . 137
Глава 5. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ МАГНИТШЙ СТРУКТУРЫ НА ПРЕДО! ТЕКУЧЕСТИ СПЛАВОВ
5.1. Корреляция температур аномального снижения предела текучести и формирования определенной магнитной структуры исследованных сплавов ......................... ...... 145
5.2. Влияние разности параметров решетки у} и & электронных структур ^ре на
предел текучести Ре-Сг - а// сплавов 147
5.3. Анализ возможного снижения бг вследствие взаимодействия полей упругих напряжений подвижных дислокаций и ферромагнитных кластеров....................... 151
5.4. Изменение магнитного состояния и пластических свойств исследованных сплавов
при наложении внешнего магнитного поля 160
Выводы........................................................ 164
Литература....................................... . . 168
ВВЕДЕНИЕ
В современной криогенной технике широкое применение имеют конструкционные нержавеющие стали. Поэтому исследование их физических свойств в широком диапазоне температур представляет не только научный, но и непосредственный практический интерес. Однако такие практически важные характеристики, как механические свойства железохромоникелевых сплавов, в широком диапазоне температур до сих пор изучались в основном на сплавах мета-стабильных составов в связи с влиянием на них мартенситных превращений. Сплавы стабильных составов изучались в основном при температурах 300, 77, 20 и 4,2 К и систематических исследований их механических свойств при промежуточных температурах в интервале 300 ... 4,2 К практически не проводилось.
Кроме того, как показали недавние исследования, в указанном интервале температур происходит изменение магнитного состояния железохромоникелевых сплавов. В зависимости от химического состава и структурного состояния они могут быть ферромагнитными или антиферромагнитными ниже температур магнитного упорядочения, а также находиться в состоянии "спинового стекла" при большом содержании железа ( ^ 50 %). Однако для полного понимания магнитных превращений в нержавеющих сплавах сейчас недостаточно данных, и дальнейшее изучение электронной структуры и магнитных свойств указанных сплавов представляет несомненный
- 5 -
интерес. Кроме того,магнитные характеристики нержавеющих сплавов представляют большое практическое значение, так как они используются в криогенном электромашиностроении и работают в условиях воздействия сильных магнитных полей при низких температурах.
Следует отметить также особый интерес, который представляет собой вопрос о возможном влиянии магнитной структуры железохромоникелевых сплавов на их механические свойства. Многочисленные исследования механических свойств и магнитного состояния железоникелевых сплавов показали, что целый ряд физических свойств, таких как тепловое расширение, упругость, пластичность связаны с особенностями их магнитной структуры. Так как железохромоникелевые сплавы проявляют при низких температурах аномалии теплоемкости, коэффициента теплового линейного расширения и обладают во многом сходной с железо никелевыми сплавами магнитной структурой, то и для них можно ожидать влияния магнитного состояния на механические свойства.
Вышесказанное определяет актуальность тематики настоящей диссертационной работы. Целью работы является изучение температурных зависимостей напряжения течения железохромоникелевых сплавов с различным содержанием никеля, а также исследование магнитного состояния этих сплавов при 300 ... 4,2 К и установление возможной связи мевду ними.
Исследования проводились на сплавах Г“ после различных режимов термической обработки методами квази-статического растяжения, ультразвуковой импульсной методикой, при помощи измерения магнитной восприимчивости,атакже методом гамма-резонансной спектроскопии.
Научная новизна, которая защищается в данной работе, опре-
- 6 -
деляется следующими результатами:
1. Проведено детальное исследование температурной зависимости предела текучести сплавов ($г50)а//
различном структурном состоянии при 300 ... 4,2 К без внешнего
2 Т
магнитного поля и в магнитных полях 1,7.10 кАм (2 кэ) *
* 17.Ю2 кАм"1 (20 кэ).
2. На температурной зависимости предела текучести исследованных сплавов обнаружены максимум и минимум, не связанные
с мартенситным превращением. Температура возникновения указанных немонотонностей зависит от содержания в сплаве никеля, структурного состояния и величины внешнего магнитного поля.
3. Методами измерения магнитной восприимчивости и гамма-резонансной спектроскопии исследованы электронное состояние и магнитная структура сплавов при 300 ... 4,2 К и показано, что они обусловлены смешанным характером обменного взаимодействия между атомами. Магнитная структура исследованных сплавов может характеризоваться как "спиновое стекло". Причем особенностью структуры "спинового стекла" данных сплавов является наличие
в ней областей с локальным магнитным порядком, характер которого зависит от концентрации никеля в первой координационной сфере. Электронная конфигурация атомов ](*- Рб в таких областях различна.
4. Обнаружено увеличение изомерного химического сдвига гамма-резонансных спектров сплава Х18Н8 при Т 100 К, которое может быть связано с изменением электронной конфигурации атомов К*- Ре и служить в таком случае подтверждением "ин-варной" природы аномалий упругих констант.
5. Показана возможность определять распределение ферро- .
- 7 -
магнитных кластеров по размерам методом гамма-резонансной спектроскопии в магнитном поле. Проведены оценки размеров ферромагнитных кластеров для сплава 25 л// при 300 ...
35 К.
6. Установлена корреляция минимума температурной зависимости предела текучести и температуры резкого увеличения магнитной восприимчивости исследованных сплавов. Выявлено качественное подобие влияния магнитного поля на температуры формирования определенной магнитной структуры и снижения предела текучести.
7. Предложены возможные механизмы для объяснения влияния магнитной структуры на напряжения течения железохромоникелевых сплавов,в которых рассмотрено влияние разности параметров решетки двух различных электронных структур атомов ^ - Ре , а также влияние флуктуирующей силы, имеющей магнитострикционную природу.
Результаты докладывались на I и П Всесоюзных симпозиумах "Стали и сплавы криогенной техники", 24-26 ноября 1975 г. и
22-24 ноября 1983 г., г. Батуми ; П Всесоюзном совещании "Актуальные проблемы сварки в криогенном машиностроении", 14-18 мая
1979 г., г. Киев ; мевдународных конференциях по криогенным материалам, 21-24 августа 1979 г., г. 1Мэдисон ; 10-14 августа 1981 г., г. Сан-Диего; 15-19 августа 1983 г., г. Колорадо-Спрингс;
23-26 июля 1984 г., г. Киев; Конференции по физике магнитных материалов, 12-20 апреля 1980 г., г. Вроцлав.
Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях.
- 8 -
1. Ильичев В.Я., Медведев E.M.t Шаповалов И.А., Клименко И.Н. Аномалия температурной зависимости деформирующих напряжений в железохромоникелевых сплавах при низких температурах. -ФММ, 1977, 44, вып. I, с. 199-201.
2. Ильичев В.Я., Медведев Е.М., Шаповалов И.А., Клименко И.Н. Температурная зависимость деформирующих напряжений некоторых железохромоникелевых сталей в интервале температур 300 ...
4,2 К. - В сб.: "Стали и сплавы криогенной техники”. - Киев, "Наукова думка”, 1977, с. 94-98.
3. Ильичев В.Я., Клименко И.Н., Хацько Е.Н. Магнитное состояние некоторых железохромоникелевых сплавов при низких температурах. - ФНТ, 1978, 4, № 3, с. 370-375.
4. Klimenko I.N., Romanov V.P., Ilichev V.Ya. Peculiarities of the relaxation properties of Fe-Cr-Ni alloys spin system
at low temperatures. - Cryogenics, 1979, 19, N 4,p» 209-213»
5. B.I. Verkin, V.Ya. Ilichev, I.N. Klimenko. The low temperature change of magnetic structure and plastic properties of Fe-Cr-Ni alloys. - Adv. Cryog. Eng., 1980, 26. Plenum Press, N 4, p» 120-123»
6. Khatsko E.N., Klimenko I.N. Influence of composition on magnetic ordering character in Fe-Cr-Ni alloys. - Phys. Chem. Solids, Abst. conference of the С m e a countries on the physics of magnetic materials. - Wroclow, 1980, p. 15»
7. Ильичев В.Я., Клименко И.Н., Дергун С.М. Аномалия температурной зависимости предела текучести железохромоникелевых сплавов при низких температурах и влияние на нее постоянного магнитного поля. - ФММ, 1981, 51, № 6, с. 1280-1287.
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Структура и механические свойства сплавов на основе твердых растворов замещения
1.1.1. Дефекты кристаллического строения и их влияние на распределение атомов в сплавах. Из дефектов кристаллического строения, которые наблюдаются в твердых телах, для твердых растворов замещения основную роль в процессах пластической деформации при низких температурах играют дислокации, дефекты упаковки и границы разделов различного типа: границы зерен, блоков, магнитных доменов и т.д. Эти структурные несовершенства обладают запасенной энергией, величина которой зависит от вида дефекта, характера легирующих элементов, температуры, магнитного состояния и т.д. [I, 2] . При этом минимуму свободной энергии соответствует неравномерное распределение атомов легирующих элементов по объему твердого раствора. Характер и величина сегрегаций на указанных дефектах определяются их упругим, химическим и электрическим взаимодействием с атомами легирующих элементов [3-8].
Упругое взаимодействие поля напряжений дислокации с полем напряжений, возникающим вокруг растворенного атома, обусловлено тем, что и дислокации, и атомы легирующих элементов вызывают объемные изменения в решетке или сдвиговые деформа-
II
ции [I, 3-5]. В результате около дислокаций образуются сегрегации атомов - атмосферы Котрелла. В твердых растворах замещения атомы легирующих элементов вызывают только объемные изменения. Поэтому для них рассматривают упругое взаимодействие, обусло- . вленное лишь гидростатическими компонентами тензора напряжений вокруг растворенных атомов и вокруг дислокации [2, 4]. Для расчета концентрации легирующих элементов в атмосфере Котрелла полагают, что наблюдается линейная зависимость параметра решетки от концентрации твердого раствора и пренебрегают изменением модуля упругости. В [4] показано, что распределение примеси в атмосфере Котрелла около краевой и винтовой дислокаций различное и зависит от характера изменений параметра решетки при легировании. Причем отклонение концентрации легирующего элемента от ее среднего значения в твердом растворе около краевой дислокации выражено в значительно большей степени, чем около винтовой. Следует отметить, что распределение атомов в многокомпонентных твердых растворах существенно отличается от распределения атомов в бинарных сплавах [2, 7]. Для бинарных сплавов характер и величина сегрегаций полностью определяются изменением молярного объема У' при изменении концентрации легирующего элемента С в • Если при легировании молярный объем сплава не изменяется, то сегрегаций около дислокации не образуется. В то же время для многокомпонентных сплавов, даже если легирующий компонент £> не создает объемных изменений решетки =0) , его концентрация около дислокации может си-
льно отличаться от средней концентрации в твердом растворе из-за замещения атомов В атомами другого сорта, вызывающи-
12
ми объемные искажения решетки.
Расчеты, проведенные для ряда конкретных сплавов показали, что,вследствие упругого взаимодействия дислокаций с атомами легирующего элемента,в твердых растворах могут существовать значительные концентрационные неоднородности. Так в сплаве д//+ + 5 % Си при комнатной температуре | лСб | Достигает 5 %л При повышении температуры / Д Се> I уменьшается, однако атмосферы Котрелла сохраняются и при достаточно высоких температурах (400-600° и выше). Дополнительное увеличение концентрационных неоднородностей вблизи дислокаций происходит также из-за электрического взаимодействия дислокаций с атомами легирующих элементов. В настоящее время вычислена лишь энергия электрического взаимодействия и отсутствуют оценки величины возможных сегрегаций.
В твердых растворах замещения с низкой энергией дефектов упаковки свободная энергия сплава может быть уменьшена за счет обогащения или обеднения дефектов упаковки атомами легирующих элементов - образования атмосфер Сузуки [2, 4, б]. Атмосфера Сузуки рассматривается как результат химического взаимодействия между дефектом упаковки и растворенными атомами, поскольку возникновение указанной атмосферы можно представить как различие растворимости легирующего элемента в матрице и в дефекте упаковки. Как теоретические оценки, так и экспериментальные данные [8, 9] указывают на то, что на дефектах упаковки в твердых растворах возможны значительные сегрегации атомов легирующих элементов.
Избыточной энергией .А обладают в твердых растворах также границы зерен, блоков, магнитные домены и т.д. Согласно
- 13 -
теории адсорбции Гиббса на таких поверхностях раздела должны возникать сегрегации атомов определенных компонентов. Преимущественно будут адсорбироваться те компоненты, которые приводят к наибольшему понижению поверхностной энергии границы раздела. В многокомпонентных сплавах подобная адсорбция возникает даже в тех случаях, когда все компоненты повышают поверхностную энергию ; тогда адсорбируются те из них, которые вызывают наименьший прирост )\
Таким образом, дислокации, дефекты упаковки, границы зерен и магнитных доменов всегда являются теми местами сплавах, где существуют флуктуации концентрации. Такие флуктуации концентрации могут достигать значительной величины.
1.1.2. Влияние распределения атомов на сопротивление движению дислокаций и природа предела текучести. В соответствии с существующими теориями [10, II], напряжение сопротивления движению дислокаций в твердых растворах со статистичес-
ки беспорядочным атомным распределением больше, чем в чистых металлах вследствие взаимодействия движущихся дислокаций с отдельными атомами легирующих элементов. Предложенные в литературе теории дают различную связь между Ту. , концентрацией твердого раствора и свойствами атомов компонентов сплава.
Напряжение, необходимое для старта заблокированной дислокации, складывается из отдельных составляющих, связанных с блокировкой по Котреллу, по Сузуки (в случае расщепленных дислокаций), с ближним порядком в атмосфере и в матрице сплава, а также с взаимодействием дислокаций с отдельными атомами легирующих элементов в атмосфере и в матрице.
14
Для отожженных твердых растворов начало пластической деформации связано, однако,с зарождением дислокаций в местах концентрации напряжений, а не с отрывом исходных заблокированных дислокаций. Для поликристаллов можно считать надежно установленным, что начало пластической деформации связано с зарождением дислокаций на границах зерен [12-14] .
Наличие границ зерен в поликристаллах сильно задерживает распространение деформации по сечению образца, и в области микродеформации по всему объему образца может работать много источников дислокаций. Однако при этом деформация локализуется в пределах каждого отдельного зерна. При напряжениях значительно меньших макроскопического предела текучести, в локальных объемах начинают работать источники дислокаций. Прирост числа подвижных дислокаций связан как с вовлечением новых источников, так и с возрастанием числа дислокаций, испускаемых действующими источниками. Интенсивность этого прироста определяет характер перехода к макродеформации и зависит от состава и состояния сплава, а также от свойств его компонентов, поскольку все эти факторы влияют на количество дислокационных источников и формирующуюся дислокационную структуру.
Для понимания природы предела текучести сплавов очень важно знание величины сопротивления началу пластической деформации и закономерностей деформационного упрочнения в области микродеформации. Имеющиеся данные [15-18] позволяют составить представление о возникновении и развитии пластической деформации в поликристаллах следующим образом.
Деформационные кривые ( © - * (£ ) ) ниже макроскопи-
15
ческого предела текучести имеют три участка (рис. I):
1) от 0 до 6п ; (эп - напряжение, при достижении которого появляется петля гистерезиса* что является признаком движения дислокаций ;
2) от 6л до (эл ; в данном интервале напряжений деформация становится неупругой, но полностью обратимой (петля гистерезиса замкнутая) ; при 6 ^ бя появляется пластическая деформация, т.е. о л - наименьшее напряжение, при котором петля гистерезиса становится незамкнутой ;
3) от 6л до - область пластической микродефор-
мации.
В опытах по растяжению стадию обратимой неупругой деформации удалось обнаружить только у предварительно деформи-
АО
рованных образцов ( 6^5,10 +10 ), Однако , как следует
из данных по амплитудно-зависимому внутреннему трению, и в
.л* и
отожженных сплавах движение дислокации начинается при [2].
В поликристаллах источники дислокаций расположены на границе зерен или в приграничных областях. Для перемещения свежих дислокаций на заметные расстояния в плоскости скольжения они должны преодолевать локальные потенциальные барьеры. Эти барьеры создаются попадающими в плоскость скольжения локальными дефектами: атомами примеси, вакансиями, межузельными атомами, дислокациями леса и т.д.
Кроме того дискретный характер структуры кристаллов является причиной существования барьеров Пайерлса, которые также имеют атомные размеры в направлении движения дислокаций. Однако для ГЦК сплавов эти барьеры оказываются несущественными.
- 16 -
I .
Рис. I.
Схематическая кривая напряжение-деформация поликристаллов твердых растворов замещения
I ' ' *
Рис. 2.
Схематическое изображение элементарного акта пластической деформации при отрыве дислокационного сегмента [л от препятствия и перемещении его на расстояние £ до следующего препятствия
17 -
по-сравнению с остальными дефектами.
Локальные барьеры в плоскости скольжения при достаточном уровне внешних напряжений преодолеваются механическим путем, а при напряжениях, меньших напряжения старта, их преодоление происходит благодаря существованию флуктуаций - как термических [22] , так и квантовых [21]. Элементарный акт пластической деформации при таком движении изображен на рис. 2. Если дислокация, перемещающаяся под действием внешних и внутренних напряжений, приобрела конфигурацию АОВ, закрепившись на барьерах, то через некоторое время, благодаря термической или квантовой флуктуации нужной величины, произойдет отрыв дислокации от барьера в точке 0. Дислокация займет положение А(^В. Средняя скорость движения дислокации определяется выражением
У^слЦв^ГГ) (!)
где £ - расстояние между барьерами, сх) - средняя частота преодоления отдельного барьера, зависящая от внешнего напряжения В' , характерного значения внутреннего напряжения бх , температуры Т . Вычисление оО является важной проблемой современной теории пластичности, однако решение ее связано с определенными трудностями [22] .
Для качественного описания большинства экспериментальных данных по пластическому течению моно- и поликристаллов можно использовать эмпирическое соотношение типа уравнения Аррениуса для абсолютных скоростей реакций
(2)
- Київ+380960830922