научная статья по теме ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ FЕ И СПЛАВЕ FЕ 75SI 25 ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ FЕ И СПЛАВЕ FЕ 75SI 25 ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 3, с. 64-71

УДК 669.1782:539.89:536.424.1

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ Ре И СПЛАВЕ Ре758125 ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ

© 2004 г. В. М. Фомин, Е. П. Елсуков, Д. А. Вытовтов, Г. А. Дорофеев

Физико-технический институт УрО РАН, 426001 Ижевск, ул. Кирова, 132 Поступила в редакцию 18.08.2003 г.

Методами дифференциального термического анализа, рентгеновской дифракции и мессбауэровской спектроскопии изучены структурно-фазовые превращения, происходящие в нанокристаллическом Fe и сплаве Fe75Si25 в результате перехода из сильнодеформированного состояния к равновесному при термообработке. Переход к равновесному состоянию нанокристаллического a-Fe можно условно поделить на два этапа. Для сплава Fe75Si25 была установлена многостадийность структурной эволюции.

ВВЕДЕНИЕ

Изучению превращения порядок-беспорядок в системе Fe-Si уделялось в литературе в последнее время достаточно много внимания. Было показано, что одним из наиболее эффективных способов получения высококонцентрированных разупоря-доченных сплавов Fe-Si является метод механоак-тивации, причем как механическое измельчение [1-4], так и механическое сплавление [5-12]. Но до сих пор остается не выясненным целый ряд вопросов, связанных с обратным процессом перехода от сильнодеформированного неравновесного состояния к равновесному.

Полученный механоактивацией неравновесный сплав Fe75Si25 является идеальным модельным объектом для изучения структурно-фазовых превращений по направлению к равновесному состоянию. Первое исследование влияния изотермических отжигов на превращение беспорядок-порядок в механоактивированном сплаве Fe75Si25 [13] показало, что процесс осуществляется в две стадии. Позднее при исследовании механически сплавленного образца Fe + 18.1 ат. % Si с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии было показано [14], что процесс перехода к равновесию является более сложным.

Целью настоящей работы было детальное изучение структурно-фазовых изменений в разупоря-доченном нанокристаллическом сплаве Fe75Si25 при непрерывном нагреве до заданной температуры с последующей закалкой и изотермическом отжиге.

Для привлечения дополнительной информации об изменениях, не связанных с фазовыми превращениями, был также изучен переход к равновесию при термообработке в нанокристаллическом Fe.

Нанокристаллическое Fe было получено путем измельчения карбонильного железа в течение 16 ч в атмосфере Ar в шаровой планетарной

мельнице (Pulverizette-7, материал измельчающих тел-сталь ШХ-15).

Сплав Fe75Si25 был выплавлен в вакуумной индукционной печи в атмосфере Ar из высокочистых компонентов Fe и Si (99.99). Выплавленный слиток был гомогенизирован в течение 6 ч при 1423 К. Методом химического анализа было показано, что содержание Si в сплаве составило 24.5 ат. %. Для получения разупорядоченного состояния механическое измельчение проводилось при тех же условиях. Время измельчения составляло 8 ч, что достаточно для перехода в разупорядоченное состояние.

В качестве термообработки образцов использовались процедуры непрерывного нагрева до различных температур со скоростью 20 град/мин с последующей закалкой, и в случае сплава Fe75Si25, дополнительно изотермического отжига при температуре T = 600 К в течение времени от 8 мин до 192 ч.

Помимо этого в работе были использованы образцы, полученные отжигом a-Fe при температуре 1123 К в течение 3 ч, а сплава Fe + 25 ат. % Si для упорядочения по Б03-типу при 1173 К - 1 ч, далее медленное охлаждение до 773 К и выдержка при этой температуре - 5 ч [1]. Это состояние обозначено нами далее в тексте как Fe3Si.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) был выполнен со скоростью нагрева 20 град/мин. Рентгеновские дифрактограммы (РД) были получены при комнатной температуре с использованием CuÁ'a- и Fe^a-излучений. Из РД были получены параметр ОЦК-решетки (а), размер блоков когерентного рассеяния ({L)) и величина микроискажений «е2)1/2). Мессбауэровские 57Fe спектры (МС) были получены при комнатной температуре с использованием источника 57Co в матрице Cr. Из мессбауэровских спектров находились функции распределения сверхтонких магнитных полей (СТМП) P(H) вместе с погрешностями определения P(H).

АТ, отн. ед.

Tii

Тз

V /

V

Ti t i

300 500 700 900 1100

T, K

Рис. 1. Кривая ДТА нанокристаллического Fe.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Непрерывный нагрев под закалку. a) a-Fe. В соответствии с общим видом кривой ДТА, приведенной на рис. 1, для исходного образца нанокристаллического Fe были выбраны следующие характерные температуры: 550, 740, 850, 920 и 1070 К.

Измельченный образец нанокристаллического Fe был поделен на порции и производился нагрев в атмосфере Ar со скоростью 20 град/мин каждой порции до соответствующей характерной температуры с последующей закалкой в воде.

На рис. 2 приведены рентгеновские дифракто-граммы образцов в зависимости от температуры нагрева. Как видно, с увеличением температуры, до которой происходит нагрев под закалку, происходит сужение линий ОЦК-рефлексов a-Fe и их незначительное смещение. На основе полученных дифрактограмм был проведен анализ структурных характеристик в зависимости от температуры нагрева: параметр ОЦК-решетки (рис. 3в), размер блоков когерентного рассеяния (рис. 3 а), величина микроискажений (рис. 36). На основе полученных данных переход к равновесному состоянию нанокристаллического a-Fe можно условно поделить на два этапа. Как видно из поведения величины микроискажений и значения параметра решетки, на первом этапе, где данные характеристики значительно уменьшаются, происходит структурная релаксация. При этом значение размера зерна остается практически неизменным. На втором этапе, на котором наблюдается резкое увеличение размера зерна, происходит

Интенсивность, отн. ед.

(110) $ п

40 42

Интенсивность, отн. ед. (220)

А

550

А ч.

44 46 20, град

48

50

94 96

98 100 20, град

102 104

Рис. 2. РД образцов нанокристаллического Бе, полученных в ходе непрерывного нагрева под закалку до различных температур.

100

80

60

: 40

' 20

0 0.3

0.2

0.1

(а)

АТ, отн.ед.

0

0.2869 0.2868 0.2867 0.2866 0.2865 0.2864

(б)

? *

? I

(В)

1 1 {

" л

н

д

о

* О

53

300 400

500 Т,

600 700 800

С

J

Тз т4 1 \

\

Т5

\ 5

V Т6

400

600

800

1000 т, к

Рис. 3. Зависимости от температуры нагрева под закалку образцов нанокристаллического Бе: размера блоков когерентного рассеяния (а), величины микроискажений (б) и параметра ОЦК-решетки (в).

дальнейшее падение величины микроискажений и параметра решетки с приближением к значению, соответствующему эталонному образцу. Следует отметить также, что существует состояние, при котором величины микроискажений и параметры решетки близки к значениям, соответствующим равновесному состоянию, а размер зерна все еще остается в пределах 20 нм.

б) Ре + 25 ат. 81. Для разупорядоченного нанокристаллического сплава Бе758125 из кривой ДТА (рис. 4) были выбраны следующие характерные температуры: 400, 550, 640, 680, 870 и 1070 К. На рис. 5 и 6 приведена часть РД и МС с соответствующими функциями Р(Н) закаленных от характерных температур сплавов вместе с данными для исходного и отожженного на максимальное упорядочение образцов. В исходном состоянии сплав Бе758125 является разупорядоченным нано-кристаллическим с параметром ОЦК-решетки а = 0.2838 нм, размером зерна (Ь) = 7 нм и величиной микроискажений (г2)1/2 = 0.41%. МС этого образца характеризуется широким набором локальных конфигураций атомов Бе с различным числом атомов в ближайшем окружении. Тем не менее из функции Р(Н) этого образца можно сделать вывод о практическом отсутствии локальной конфигурации с 0 атомов в ближайшем окружении (Н0 = 330 кЭ). В упорядоченном состоянии (Бе381) РД характеризуется очень узкими линиями, на ней присутствуют сверхструктурные рефлексы (111) и (200), линия (440) полностью расщепляется на Ка1- и Ка2-компоненты. Ин-

Рис. 4. Кривая ДТА механоактивированного сплава Бе + 25 ат. % Б1.

дексы указаны для Б03-сверхструктурной ячейки. Параметр ОЦК-структурной ячейки упорядоченного сплава а = 0.2826 нм, (Ь) не менее 60 нм, а значение (г2)1/2 близко к 0. В мессбауэровском спектре присутствуют преимущественно две компоненты: с 0 атомов (Н0 = 330 кЭ) и с 4 атомами

(Н4 = 200 кЭ). Соотношение интенсивностей компонент Р4 : Р0 = 1.9 хорошо согласуется с теоретическим значением Р4 : Р0 = 2. Наличие составляющей слабой интенсивности (Н3 = 250 кЭ) свидетельствует об отклонении от стехиометричес-кого состава к 24.5 ат. % Бь Все полученные результаты находятся в хорошем согласии с полученными ранее в работах [1, 2, 4, 13] данными для разупорядоченного и упорядоченного сплавов.

Из РД (рис. 5 и табл. 1) следует, что закалка от Т1 = 400 К и Т2 = 550 К не приводит к каким-либо изменениям за исключением уменьшения ширины линий. Не обнаружено изменений и в мессбау-эровских спектрах этих образцов. Увеличение температуры закалки до Т3 = 640 К и Т4 = 680 К приводит к появлению диффузного рассеяния в области углов от 20 до 40 20 градусов. В мессбауэровском спектре для Т3 = 640 К увеличивается интенсивность составляющей с Н4. При Т4 = 680 К резко возрастает компонента Н4 по интенсивности, увеличивается ее значение с 180 до 200 кЭ, появляется компонента Н0 - 320 кЭ. При закалке от Т5 = 870 К в рентгеновских дифрактограммах появляются сверхструктурные рефлексы (111) и (200), линии становятся узкими, хотя полного расщепления пика (440) еще не происходит. Мессба-уэровский спектр этого образца практически полностью соответствует таковому для упорядоченного сплава Бе381. Рентгеновская дифракто-грамма и мессбауэровский спектр образца, закаленного от Т6 = 1070 К полностью идентичны таковым для Бе381 сплава.

ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ Интенсивность, отн.ед.

Исходный

550 К

680 К

А-у,

870 К

(111)

(200)

25 30 35

(440)

40 42 44 46 48 97 99 101 103 20, град

Рис. 5. РД образцов механоактивированного сплава Бе + 25 ат. % Б1, полученных в ходе непрерывного нагрева под закалку до различных температур.

Из описанных выше данных и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»