Введение к работе
Актуальность проблемы.
Основой развитая физики твердого тела н физического материаловедения является разработка Новых методов структурного анализа, создание и обоснование адекватных эксперименту теоретических моделей н создание на этой основе материалов с заданными свойствами. Аналитические возможности механической рпектроскопии материалов и, й частности, метода внутреннего трения широко используются при изучении атомного строения материалов и процессов, формирующих их физические, механические К эксплуатационные характеристики. Наиболее пристальным вниманием исследователей пользуются металлы и сплавы г ОЦК и ГЦК решетками, являющиеся базой многих перспективных конструкционных материалов в промышленности и новой технике.
Созданная Кларенсом Зйнером if развитая в работах зарубежных и отечественных научный школ Ч, Верта, A; HdBiika, А. Гранато, Н, Н. Давиденкова, Б. И. Финкельштейна, В, С. Постникова и многих других ученых теория неупругих явлений в твердых телах остается предметом самого пристального изучения в связи с ее широкими информационными возможностями при изучении атомко-кристаллгіческого строения металлов и сплавов. Среди наиболее актуальных вопросов, которые интенсивно обсуждаются на различных специализированных конференциях и Симпозиумах, остается проблема анализа, температурных, частотных, амплитудных и временных спектров поглощения энергии Механических колебаний в легированных твердых растворах внедрения и выявления закономерностей проявления неупругостц при механическом и фазовом упрочнении. Эффективное использование-метода механической спектроскопии в физическом мсталловелениіг-и, прежде всего, при изучении комплексно легированных т п-вов ограничено отсутствием фундаментальных теоретических н экспериментальных исследований. Такие релаксационные процессы, как эффекты Снука и Фин- кельштейна-Рознна, обусловленные миграцией атомов внедрения (АВ) я металлах с ОЦК и ГЦК решетками, в тройных системах (Fe'-AB-ЛЭ) в широкой области концентраций легирующих элементов (ЛЭ) не получили споего объяснения. Модельные представления, разработанные для чистых металлов, не лосіа точны для описания нсупругих явлений "п многокомпонентных системах. Весьма огра-
ннчены экспериментальные данные и практически отсутствует анализ механш мов дислокационно-примесного взаимодействия и наведенной дйслокационноі релаксации в ГЦК сплавах, хотя при обоснованном выборе объектов изучена такие исследования позволяют выявить новые закономерности структурообразс вания для широкого круга материалов. Последнее требует не тйлько накогшени фундаментальных Представлений о поведении материалов под нагрузкой, Но і теоретического анализа механизмов протекающих Процессов, разработки физи че«.кнх моделей и обоснования критериев их применимости.
Основным результатом таких исследований становится качественная и коли честиенная информация о растворимости И взаимодействии атомов внедрения : атомов замещения (A3) между собой и с другими дефектами, кристаллическог строения, о характеристиках и механизмах поглощения энергии в сплавах внес кого демпфирования, с высокой добротностью и с эффектом запоминания формі (системы Fe-(Cr, Al, Mo), Fe-Ni, Nb-Tl, Tl-Ni). Высокая чувствительность И изби ратсльиость неупругих эффектов является основой для использования мвхаииче скон спектроскопии сплавов совместно с другими методами структурного и фи знческого анализа для изучения кинетики и механизмов фазовых Превращени изотермического, атермического и термоупругого типа (системы Fe - Ni, Ті - Ni упорядочения (Fe - Al) или расслоения твердого раствора (Fe - Сг), деформації ониого упрочнения на микро и макроскопическом уровне. Актуальность таки исследований подтверждается фундаментальной и практической значимость! разработок для задач современного материаловедения, связанных с формировг пнем необходимого комплекса физико-механических свойств и прогнозирован}' ем эксплуатационной надежности конструкционных материалов.
Основные научные и практические разработки по теме диссертации выпол нялись в соответствии с планами НИР ЦНИИЧермет и МАТИ, координиру емымк Научным советом АН СССР "Новые процессы получения и обработк металлических материалов" (раздел 2.13.4.5Л.2), Государственной стандартизг ции (раздел ТК-180: Государственная слунсба стандартных справочных данных Межвузовской научно-технической программой «Физико-химические процеси при взаимодействии водорода с металлическими материалами и водородны технологии» (ГКРФ повисшему образованию, приказ №. .162 от 22.03.1993).
Цель работы --развитие методов анализа, установление закономерностей и механизмов термически активированной и атерыической неупругости в ОЦК И ГЦК сплавах; изучение на этой основе особенностей строения легнроаанних твердых растворах внедрения, процесоре, межатомного взаимодействия при упорядочение, расслоении, фазовых превращений и формировании высоко-демпфирующего состояния.
В рамках указанного іщіравлєния поставлены следующие задачи:
-
Установить закономерности формирования низкочастотного релаксационного спектра, обусловленного диффузионной подвижностью атомов внедрения в поле напряжений для легированных неупорядоченных ОЦК-твердых растворов.
-
Разработать и обосновать соответствующие физические модели не;пруго-сти, методы анализа .к принципы их компьютерного моделирования; получить количественною информацию об атомном строении и параметрах межатомного .взаимодействия в многокомпонентных системах.
-
Выявить- роль упорядочения и расслоения сплавов со структурой твердых растворов замещения на основе систем Fe - Cr, Fe - А1 и Ті'- Nb на характер перераспределения А0 и обусловленную этим перераспределением неупругость
. сплаиов и их охрупчивание.
-
Определить механизмы и Закономерности проявления релаксационной и гистерезисной неупругости и твердых растворах с ГЦК (Fe-Ni, Fe-Ni-Mo, Fe-Cr-Ni) и ОЦК (Ti-Nl) упаковкой и (із этой основе установить влияние строения высокотемпературной фазы на кинетику-фазовых бездиффузиошшх превращений при охлаждении.
-
На осново изучения упругих и неупругих характеристик дислокационной и доменной субструктуры определить принципы формирований высокодемифи-рующего состояния в ОЦК сплайах с магиитоупругим механизмом поглощения энергии и сделать практические рекомендации по выбору их составов и способов обработки.
Нау>іц«« повзши-
На основа экснерюлантйльпога и тслретическагр анализа температурных эа-виспмортей щгутреннего трения (ВТ) легированных сплавов ца основе железа, хрома, ниобия и титана разработаны физические модели релаксационных Процессов, обусловленных диффузией под напряжением AQ» позволяющие с единых физичесмгх позиций описать влияние атомов замещения и внедрения на актива-ццонные параметры диффузии углерода, азота и кислорода;
Предложены и обоснованы методы анализа и моделирования релаксационного спектра внутреннего трения в приближении короткодействующего и дально-действующего межатрмвдгр взаимодействия в легированных ОЦК твердых растворах, включающие анализ распределения растворенных атомов в модельном кристалле с использованием, ЭВМ;
Определен количественный вклад межатомного взаимодействия в первой И более удаленных- координационных сферах с учетом деформационнрго и ' химического" межатомного взаимодействия при легировании карбидообраэую-щими и некарбидообразукшщми элементами. Получены новые данные о пере-! распределении атомов внедрения в твердом растворе вокруг атомов замещения при закалке и старении, упорядочении и расслоении.
. Установлено значение критической концентрации карбидообраэующнх легирующих элементов в твердой растворе, выше которой ДЗ не оставляют для AIJ в твердом растворе позиций, в которых они не испытывали бы присутствия A3. На этой основе предложен и апробцровад критерий легироваїшостн сплавов со структурой твердых растворов.
Обнаружен эффект расщепления температурных кривых ВТ, обусловленных,
диффузионной релаксацией АВ В высокохромистам феррите и дана<*го физиче
ская интерпретация на основе Процессов епшюдальнбго распада (расслоещч)
твердого раствора замещения Fe-Cr. Комплексный анализ распада твердого рас
твора внедрения-замещашш позволил.установить кинетику и стадиннбеть про
цессов расслоения и охрупчнвания высокохролшетого. феррита, выявить дисдо-
кацнонно-црнмесный и сегрегационный механизмы повышения сопротивления
микрочлас пиеской деформации и проявления хрупкости. ' "
Выявлены 'закономерности перераспределения атомов углерода при упоря-(очеиии в системе Fe-Al і. ^ тину DOj и соответствующие им проявления редакционной, дислокационной и магнитомеханической неупругости. Перераспре-іеление атомов углерода и изменение количества межатомных С-АІ взанмидеіі-ггвий в процессе упорядочения Изменяет параметры диффузионной релаксации 10 механизму Снука. Упорядочение снижает подвижность как Дислокационной, ак и доменной структур, при воздействии внешних напряжений,
Установлено, что присутствие водорода В твердом растворе Nb и P-Ti-Nb :плаве снижает диффузионную подвижность "тяжелых" АВ (на примере кисло-юда). Взаимодействие с атомами водорода повышает энергию активации мигрант атомов кислорода в поле напряжений, Время образования термодинами-іески стабильных водородіїьіх атмосфер на дислокациях при комнатной температуре значительно цреаосходігг время перераспределения водорода в твердом застворе,
Обнаружен эффект дислокацианна-усилецноЙ релаксации а ГЦК сплавах на існове железа, определены тер'моактизационные параметры процесса, влияние :остава, содержания примесей внедрения, степени деформации и деформационного старения, В рамкам представлений q миграции АВ в "активированных" трисутствием дислокаций объемов нетвердом растворе предложена пшотеза о механизме этого эффекта,
Определено влияние дислокациоцно-примесного строения высокотемпера-гурной (аустенитпой) фазы ГЦК сплавов железа на ее релаксационную стой-шсть, кинетику и механизм последующего низкотемпературного бсзднффузион-иого превращения, В сплавах Fe-Ni-Mo, закрепление дислокаций атомами внедрения приводит к смене.изотермической кинетики МП на атермнческую. Развиты методы построения диагремм изотермического МП по данным ВТ и р. .чета знерпш' активации В системах Fe-Ni-Mo и Fe-Cr-Ni-Mo,
Выявлена, что механизм отрыва дислокаций под действием приложенных напряжений в высокотемпературной В2 фазеннкслида титана (Ti-50,6%№) может быть атермическим. или терміпески активированным. Атермическо;,гу механизму отрыва соответствует хорошо развитое-МП (В2-> В19') при охлаждении, высокие эффекты запоминания формы и демпфирования, переход к термически
.8
активированному механизму дислокашіоішогр отрыва в высокотемпературной
фоте затрудняет МП, снижает эффект запоминания формы и демпфирующую
способность материала. /
Установлены закономерности влияния внутренних И рнешних факторов на демпфирующую опособность ОЦК сплаяоп на основе железа с развитым мапш-томеханическим рассеянием энергии механических колебаний, предложена модель поглощения энергии, осиовгшная на учете взаимодействия границ магнитных доменов с различными дефектами кристаллического строения.
На защиту выносятся следующие положений;
1 Общие закономерности и систематические данные О влиянии карбидооб-ратующах и некарбидообразующпх легирующих элементов на. параметры низкочастотного спектра v-'лаксгцин в легированном феррите, обусловленные миграцией атомои внедрения п ОЦК сплавах железа, при. расслоении и упорядочении твердою раствора замещения и в процессе распада пересыщенного твердого раствора внедрения.
-
Физические модели коротко- и дадьцодействующего межатомного взаймы действия в ОЦК решетке, методы ч результаты компьютерного моделирования соответствующих релаксационных процессов для неупорядоченных и упорядоченных сплавов на основе Fe, Cr, №.
-
Установленные закономерности концентрационного, термическогр и мет одшческого влияния на температурный и амплитудны.й спектр поглощения энергии и эффект дислокационно-усиленной релаксации в ГЦК сплавах железа, Результаты анализа строения высокотемпературных фаз и их влияния на кинетику и механизм атермического, изо термического'и термоупругого мартенситных превращений в сплавах на основе Ре и Ті, Кинетические и энергетические пара* метры изотермического МП в сплавах систем Fe-Ni-Mo И Fe-Cr-Ni,
-
Экспериментальные результаты и концепция влияния закрепления дислокаций в высокотемпературной фазе на тип, кинетику и параметры бездиффузи-ониого изо- и атермичеркого фазового превращения сплавов на основе Fe-Ni и TiKi. Данные о влиянии водорода на релаксационные, микродеформационные характеристики и свойства ОЦК сплавов на основе Nb; физические представленім о перераспределении и взаимодействии водорода и "тяжелых" внедренных
атрмоч 9 твердом pseieqpe и на дислокациях.
5. Данные р влиянии структурных ц внешних факторов на мапштоупругое и дислркационнра поглощение энергии и структурную модель взаимодействия доменной структуры и. дефектов решетки npj't формировании высокодемпфи-рутрщего состояния, аснрвапнуто на принципе аддитивности вкладов внутренних напряжений различного структурного происчождения. Составы и режимы термических обработок сплавов на Fe-Cr основе; с добавками Mo, Al, Nb, Zr на вы-сокрдем,пфируіощее состояние с' регламентированный уровнем прочностных характеристик,
Практическая цщчцмасть работы.
Обоснованы принципы выбора состава и режимов обработки сложполеї иро-ванных сплавов с регламентированным уровнем демпфирующих и экслуата-ционых характеристик, Разработки нащли использование:
при рекомендациях по выбору состава и оптимизирующей свойства обработки для изделий новой технику (КБ Приборостроения), при выборе материалов для шумопогловдающих бытовых компрессоров (ЦНИИМВ), при разработке технологии передела' сЛцткоэ прецизионных высокохромистыч сплаиов (Электрометаллургический завод "Днепроепецсталь") и обработки мартененто-старегащей стали ("Safidvik Steel"). ..-
при составлении таблиц справочных данных о демпфирующих характеристиках широкого круга Металлических материалов ("Метод внутреннего трепня в металловедческих исследованиях. Справочник", Мл Металлургия, 1991); при. разработке и аттестации ГОССТАНДАРТОМ стандартны* справочных данных на свойства коррозионно-стойких,;! прецизионных сплавов с заданными коэффициентом теплового расширения И упругими свойствами. (Таблицы ССД, ТССД 75-84, Изд. стандартов, 1984; СТД СЭЙ 23-88, Инфцентр системы ССД СЭП, 1988; Таблицы ССД, ГССД 162-93, Изд. стандартов, 1993).
Результаты исследовании обобщены в соавторстве в монографии "Механическая спектроскопия металлических материалов" и используются в качестве учебного пособия при подготовке инженеров-физиков, бакалавров и магистров по напранлеш; о "Материаловедение и технология новых материалов''
і О
Апробации работы,
Основные результаты пи теме диссертации были доложены и обсуждены;
- на Всесоюзных и Российски* совещаниях по механизмам циугреннего тр
ния в твердых телах (Кутаиси - 1982, Батуми : 1985, Ереван - 1987, Воронеж
1993, 1995 гг.), lV-VIH Всесоюзных сапешаниих по взаимодействию между дні
локациями н атомами примесей и свойствах сплавов (Тула - 1979, -1982, 198
198В, J991 гг.); конференциях пр вопросам рассеяния энергии гри колебания
механических систем (Киев - 1986, Каменецк-ПодольскиЙ - 1989 гг.); научиї
технических конференциях "Демпфирующие металлические материалы" (Кире
- 1984, 1988, 1991, 1994 гг), "Новые материалы и технологии машиностроенш
(Москва, МАТИ - 1993, 1994, 1995, 1997 гг.), "Новые конструкционные стали
сплавы" (Запорожье - 1986 г.), "Проблемы повышения технического, уровг
производства черные металлов, и сплавов" Щонецк-}987 г.), Выездной научні
технический семинар (Волгоград - 1989г.), Школах-семинарах ЦНИИЧерж
"Фазоаы« превращения" (Руза-1982-1989гг,); .
- на Международных и Европейских Конференциях, в том числе г
"Внутреннему трению и рассеянию ультразвука в, твердых телах": ICIFLTAS-
. (Пекин, Китай, 1989), EC1FUAS-6 (Краков, Польша, 1991), ICIFUAS-10 (Риі Игалия, 1993), 1CIFUAS-11 (Пуатъе, Франция, 1996)); по "Маргенснтнодгу npi вращению" ІСОМАТ-95 (Лозанна, Швейцария; 19.93); по тематике создания н< вых материалов и методой их исследования; Euromat-95 (Венеция/Падуя, Итали 1995) и Euromat-97 (Маастрихт, Нидерланды, 1997), "Materials Week" (Розенмо США, 1994), Materials Congress (Сайренеестер, Великобритания, 1998), по прс блеме "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тулі 1997), на Симпозиумах "Механика и механизмы демпфирования в материала* (Норфолк, США, 1995), "Водород Ь металлах" (Ле Диабляре, Швейцария, 1996 "Неразрушающие методы исследования матергзлов" (болдер, США, 1997),
- на научных семинарах Института металлофизики ЦНИИЧермет (1983-199'.
199К гг.), кафедры физики Каирского Университета (Египет, 1993), департамм
той материаловедение (1995) и физики (199(5) Федеральною Технологическог
1 (неrirrsii' 'Лозанна,Швейцария).
Публикации, По результатам выполненных по теме диссертации исследований имеется 76 публикаций в отечественной и зарубежное печати (в том числе, монография и справочник в соавторстве). Список 46 работ, Приведенных п автореферате, отражает основные положенні) и содержание диссертационной работы.
Структура и обьвм работы. Диссертация состоит из введения и 6 глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающею 350 наименований. Работа изложена" на 274 страницах машинописного текста и содержит 108
рисунков, 47 таблиц.
>