ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 7, с. 75-85
УДК 539.172.3:539.2:539.26
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТОНКИХ ФОЛЬГАХ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ-БЕРИЛЛИЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ОТЖИГЕ
© 2004 г. К. К. Кадыржанов1, В. С. Русаков2, Т. Е. Туркебаев1, М. Ф. Верещак1, А. К. Жубаев1
1Институт ядерной физики НЯЦ РК, Алматы, Казахстан 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, Москва, Россия
Поступила в редакцию 09.07.2003 г.
Методами мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа исследованы двухслойные системы, полученные магнетронным осаждением бериллия на фольги нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Установлено, что термически индуцированная бериллизация тонких стальных фольг приводит к у —► а-превращению и образованию бериллидов. Показано, что образование и распад берилллида никеля №Ве сопровождаются прямым у —► а- и обратным а —► у-превращениями соответственно. Определены последовательность фазовых превращений и относительное количество образующихся фаз в приповерхностном слое и объеме образца. На основе анализа полученных экспериментальных данных сделано предположение об определяющей роли локальной концентрации бериллия в распределении фаз по глубине образца.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время нет альтернативы в использовании многофункциональных материалов для современных технологий. Например, для ядерной энергетики в качестве такого материала рассматривается система бериллий-сплав на основе меди-конструкционная сталь. Бериллий представляет интерес как важнейший легирующий элемент, используемый для получения различных сплавов на основе железа, меди, магния, никеля, алюминия и других металлов. Сплавы, содержащие бериллий, обладают уникальными физическими и механическими свойствами [1]. В этой связи актуальным является исследование процессов взаимодействия бериллия с нержавеющей сталью. Этим процессам посвящен ряд работ [2-7], выполненных, в основном, в 1960-70 гг. и обобщенных в монографиях [8-10]. Во всех экспериментах толщины исследованных образцов существенно превосходили толщины образующихся диффузионных слоев. Авторами работ [2-5, 7] были проведены измерения толщины диффузионного слоя в зависимости от времени в широком температурном диапазоне (500-1000°С), при этом длительность термического отжига достигала нескольких тысяч часов. При определении толщины диффузионного слоя использовалась, как правило, последующая электрохимическая или механическая обработка, которая могла повлиять на результат термической бериллизации. В диффузионном слое фиксировалось появление твердого раствора бериллия в стали [5-7], бериллидов железа [5, 7] и никеля [8], сегрегаций никеля, обогащенных бериллием [6].
Использование фольг в качестве образцов при исследовании термически индуцированных процессов фазовых превращений имеет по сравнению с массивными образцами ряд преимуществ: 1) на порядки величин меньшие времена релаксации неравновесных процессов; 2) возможность комплексного использования неразрушающих методов исследования - мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа; 3) возможность определения относительного количества образующихся фаз на поверхности и в объеме образца.
В настоящей работе приводятся основные результаты исследования фазовых превращений при термических отжигах тонких фольг нержавеющей стали с бериллиевым покрытием [11, 12] с помощью методов мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для проведения исследований были приготовлены тонкие фольги нержавеющей стали 12Х18Н10Т, элементный состав которой по основным компонентам приведен в таблице. Толщина фольг ~30 мкм выбиралась из соображений эффективного использования методов мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа, поскольку комбинируя эти методы, можно получить информацию о фазовых превращениях как в объеме, так и в приповерхностных слоях исследуемого образца. Фольги получались путем холодной прокатки стальной полосы толщиной 135 мкм с помощью вальцов из закаленной углеродистой стали. При этом проводились промежуточные и конеч-
Элементный состав стали 12Х18Н10Т по основным компонентам
Элемент С Cr Ni Mn Si Ti Fe
Содержание, вес. % 0.1 17.3 9.7 0.62 ~0.54 ~0.51 Основа
ный отжиги в вакууме 6.5 х 10 4 Па при температуре 850°С в течение 2 ч.
Нанесение бериллиевых покрытий заданной толщины (1, 2 и 3 мкм) на подложки из стальной фольги проводилось методом магнетронного осаждения на установке "Аргамак" ИЯФ НЯЦ РК [13]. Подложка размещалась на массивном медном держателе, температура которого вместе с подложкой во время осаждения не превышала 150°С, что обеспечивало отсутствие заметной диффузии в процессе напыления. Для лучшей адгезии перед осаждением бериллия подложка подвергалась травлению ионами аргона. Ионное травление и осаждение бериллия проводились в едином вакуумном цикле. Контроль толщины осажденных слоев осуществлялся весовым методом.
Тонкие фольги стали с бериллиевым покрытием были подвергнуты последовательным изотермическим и последовательным изохронным отжигам. Изотермические отжиги проводились при температуре 800°С, общая продолжительность которых составляла 6.5 ч. Часовые изохронные отжиги осуществлялись в интервале температур 400-800°С с шагом 50°С. Термические отжиги проводилась в муфельной печи при давлении 7.8 х х 10-4 Па. Время выхода на заданную температуру и время охлаждения образцов, которое осуществлялось вместе с печью, составляло ~30 мин.
Мессбауэровские спектры снимались двумя методами: регистрацией у-квантов в геометрии на поглощение (МС) и регистрацией электронов конверсии в геометрии обратного рассеяния (КЭМС) с обеих сторон образца. В первом случае мессбауэ-ровская спектроскопия дает информацию об усредненном фазовом состоянии всего образца, во втором случае - о фазовом состоянии приповерхностных слоев толщиной ~0.1-1мкм в зависимости от концентрации атомов бериллия в этих слоях. В исследованиях использовался источник 57Со в матрице Сг активностью ~30 мКи. МС- и КЭМС-спектры были получены при комнатной температуре на мессбауэровском спектрометре СМ2201, работающем в режиме постоянных ускорений с пилообразной формой временной зависимости доплеровской скорости движения источника относительно поглотителя. Для регистрации у-квантов с энергией 14.4 кэВ использовался сцинтилляционный счетчик с кристаллом Ка1(Т1), для регистрации электронов конверсии - герметичный счетчик, наполненный газовой смесью Аг + + 10%СН4 под давлением ~1.3 х 104 Па. Калибров-
ка спектрометра осуществлялась с помощью эталонного образца a-Fe, обогащенного до 89% 57Fe.
Обработка и анализ экспериментальных мес-сбауэровских спектров проводились с помощью программного комплекса MSTools [14]. Модельная расшифровка МС- и КЭМС-спектров эталонных образцов осуществлялась с помощью программы SPECTR [15]. Обработка мессбауэров-ских спектров исследуемых систем проводилась методом восстановления функций распределения сверхтонких параметров парциальных спектров [16]. Для обработки спектров использовалась программа DISTRI [14].
Рентгенофазовый анализ образцов выполнялся на автоматическом дифрактометре ДРОН-2 с Р-фильтром на излучении Cu^a. Измерения проводились в геометрии Брэгга-Брентано с обеих сторон образца. В этом случае изучалось фазовое состояние приповерхностных слоев образца толщиной 3-4 мкм. Идентификация кристаллических фаз проводилась с использованием картотеки порошковых рентгенограмм ASTM.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В общем случае экспериментальные спектры представляют собой суперпозицию двух хорошо разрешимых парциальных спектров с различными относительными интенсивностями - мессбауэ-ровской линии парамагнитного типа и зееманов-ского секстета с заметно уширенными компонентами (рис. 1, 2). Как видно, уширение внешних асимметричных компонент секстета выражено сильнее, чем средних, а средних - сильнее, чем внутренних. Отмеченные особенности спектров позволяют сделать вывод о том, что парциальные спектры состоят из большого числа мессбауэров-ских спектров с близкими значениями сверхтонких параметров. Именно поэтому обработка всех спектров исследуемых фольг с бериллиевым покрытием проводилась методом восстановления функций распределения сверхтонких параметров парциальных спектров. Для парциального спектра парамагнитного типа восстанавливалась функция распределения p(e) квадрупольного смещения £, а для зеемановского секстета - функция распределения p(Hn) эффективного магнитного поля Hn. При этом осуществлялся поиск возможных линейных корреляций между сверхтонкими параметрами для каждого из парциальных спектров [16].
Последовательный изотермический отжиг. Последовательному изотермическому отжигу при
I, % 1009590858075-
I, % 100
95
90
85
80
I, % 100
96
92
88
I, % 100
96
92
88
(а)
(б)
I, % 104102100-, 98
-6-4-2 0 2 4 6 8 -8-6-4-2 0 2 4 6 8 V, мм/с V, мм/с
I, % , К (г)
10410210098
(в)
V, мм/с
(д)
-6-4-2 0 2 4 6 8 -8-6-4-2 0 2 4 6 8
V, мм/с
I, % (е)
104102 100 98
-6-4-2 0 2 4 6 8 -8-6-4-2 0 2 4 6 8
V, мм/с
I, % . (з)
104-
102 100 98
V, мм/с
(ж)
-1-1-1-1—^-1——I-1
-1-1-1-т-1-1-1-1
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
I, % 100
95
90
85
80
V, мм/с
V, мм/с
(и)
I, % 104-
(к)
102- * 1
98
-6-4-2 0 2 4 6 8 -8-6-4-2 0 2 4 6 8 V, мм/с V, мм/с
Рис. 1. МС-спектры (а, в, д, ж, и) и КЭМС-спектры (б, г, е, з, к) для образца нержавеющей стали с бериллиевым покрытием, dвe = 2 мкм, после последовательных изотермических отжигов при Т = 800°С; Готж, ч: 0 (а, б), 0.5 (в, г), 1.5 (д, е), 3.5 (ж, з), 6.5 (и, к).
/, %
10090807060-
I, % 100-
(а)
90 80
I, % 100
90 80
I, % 100-
90 80
I, % 100
90
80
70
Без отжига
"1-1-I I I-1-1-1
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 V, мм/с
(в)
~1-1-1-г
-6 -4 -2 0
(д)
т 0
(ж)
I, % 10090 80 70 60
I, % 100-
(б)
~1-г
4 6 8 V, мм/с
~1-
4 6 8 V, мм/с
Без отжига
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
V, мм/с
(г)
~1-1-1-1-Г^-1-г
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
V, мм/с
(е)
6 -4 -2 0 2 4 6 8 V, мм/с
(и)
90
80
I, % 10096 92 88
I, % 100
98
96
-1-1-1-1-1-1-Г-1
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
V, мм/с
Л % (к)
6 -4
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.