СТРУКТУРА, ^^^^^^^^
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.1 '24779:539.12.043:536.425
РАССЛОЕНИЕ ТВЕРДОГО РАСТВОРА В СПЛАВАХ Fe-Ni И Fe-Ni-P ПРИ ОБЛУЧЕНИИ, ДЕФОРМАЦИИ И ОТЖИГАХ
© 2014 г. С. Е. Данилов, В. Л. Арбузов, В. А. Казанцев
Институт Физики Металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: danilov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 05.05.2012 г.; в окончательном варианте — 24.05.2013 г.
Методами остаточного электросопротивления и измерения коэффициента термического расширения исследованы процессы расслоения твердого раствора при деформации, облучении электронами и при последующих отжигах в сплавах Fe—34.7 ат. % Ni и Fe—34.7 ат. % Ni—0.1 ат. % P. Показано, что как при деформации, так и при облучении, образуются вакансионные кластеры различной кратности. Наличие атомов фосфора в твердом растворе облегчают образование вакансионных кластеров и увеличивает долю вакансий, выживших в форме вакансионных кластерах как для деформированных сплавов, так и для облученных в районе комнатных температур. При деформации, облучении и последующих отжигах наблюдается одинаковое изменений электросопротивления и КТР. Получена близкая к линейной зависимость прироста электросопротивления от увеличения КТР. Полученные результаты хорошо согласуются с матричной моделью распада твердого раствора.
Ключевые слова: инвар, расслоение, облучение, железоникелевый сплав, деформация, фосфор.
Б01: 10.7868/80015323014020041
ВВЕДЕНИЕ
В сталях и сплавах, в отличие от чистых металлов, под действием облучения развиваются различные радиационно-индуцированные структурно-фазовые превращения, которые зависят и во многом определяются, с одной стороны, составом и первоначальным фазовым состоянием, с другой стороны, типом, флюенсом и температурой облучения. Поскольку эти радиационно-индуцированные диффузионные процессы идут с участием неравновесных точечных дефектов, знание их свойств, закономерностей их генерации и эволюции при различных температурах является необходимым.
В сплавах с нестехиометрическим составом под облучением часто происходят процессы расслоения твердого раствора на области, имеющие состав, близкий к стехиометрии для той или иной фазы. При этом состояние решетки приближается к термодинамически равновесному состоянию. В широко использующихся аустенитных хромонике-левых сталях при облучении также происходит расслоение твердого раствора [1, 2]. Эксперименты на модельных железоникелевых сплавах различного состава показали, что при концентрации никеля в области 30—40%, при облучении происходит расслоение на две фазы состава, близкого к Бе№ и Ре3№, и при дальнейшем облучении наблюдается упорядочение в этих фазах с образованием соединений [3, 4]. При таком расслоении наблюдается сильный рост электросопротивления, который
может быть использован в качестве индикатора происходящего расслоения твердого раствора [5].
Известно, что добавление фосфора в нержавеющие стали повышает их стойкость к вакансион-ному распуханию [6]. При этом атомы фосфора сильно взаимодействуют с радиационными дефектами и могут образовывать сегрегации [7], ухудшая механические свойства [8].
При оценке влияния облучения на структурно-фазовые превращения, необходимо учитывать, не только концентрацию мигрирующих дефектов и их подвижность, но и диффузионные длины миграции дефектов, концентрации стоков или ловушек. Концентрации ловушек, в свою очередь, могут меняться в процессе облучения, например, накопление вакансионных кластеров (ВК), образующихся в каскадах смещений и при миграции вакансий [9]. При электронном облучении, когда генерируются одиночные пары Френкеля, радиационно-индуци-рованные процессы определяются свободно-мигрирующими дефектами, что позволяет выявить роль точечных дефектов в механизмах этих процессов. Создание высокой плотности стоков точечных дефектов может служить основой для повышения радиационной стойкости различных материалов за счет резкого уменьшения миграции дефектов и их средней концентрации. Одним из способов создания высокой плотности стоков служит пластическая деформация.
Инварные сплавы являются удобным модельным материалом для исследования радиационно-индуцированных структурно-фазовых превращений в сплавах в силу чувствительности инварных свойств к изменениям структуры. С другой стороны, радиационно-индуцированная потеря инвар-ности может послужить способом модификации материалов для придания им новых функциональных свойств: квазибиметаллы, регулирование коэффициента термического расширения (КТР) в готовом изделии, и т.п. В работе [10] нами была обнаружена корреляция между структурно-фазовыми изменениями в сплавах Fe—Ni и изменениями электросопротивления и КТР.
Целью данной работы было изучение особенностей расслоения твердого раствора под действием пластической деформации, облучения электронами и последующих отжигов на инварных сплавах Fe—Ni и Fe—Ni—P. Сравнение легированного фосфором и нелегированного сплавов имеет целью определение роли фосфора, важной в практическом плане, типичной конструкционной примеси, в радиационно-стимулированных процессах.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплав Fe—34.7 ат. % Ni (Fe—Ni), был приготовлен вакуумной переплавкой из железа, и никеля высокой чистоты. После прокатки, резки и электрополировки, образцы отжигали в вакууме 10-6 Па при 1323 K 1 час и быстро охлаждали (~ 100 K/сек). Для получения сплава Fe—34.7 ат. % Ni—0.1 ат. % P (Fe—Ni—P) часть образцов сплава Fe—Ni насыщали фосфором из газовой фазы при 1323 K в течение 18 ч в закрытом кварцевом объеме, предварительно откачанном до 10-6 Па, с последующим быстрым охлаждением. Концентрация фосфора составляла ~ 0.1 ат. %. Рентгено-структурный анализ показал наличие одной аустенитной фазы в обоих сплавах в закаленном от 1323 К состоянии. Пластическая деформация проводилась на закаленных сплавах при комнатной температуре прокаткой в валках со степенью деформации около 45%.
Облучения при температурах 240—600 К 5 МэВ электронами на линейном ускорителе электронов проводили в проточном гелиевом криостате. Образцы отжигали изохронно со средней скоростью нагрева 1 K/мин в атмосфере проточного гелия очищенного титановым геттером.
Для оценки степени радиационно-индуциро-ванного расслоения в этих сплавах, использовали изменения величины остаточного электросопротивления, измеренного при 4.2 К, чувствительного не только к точечным и линейным дефектам решетки, но и к структурно-фазовым превращениям. Для измерения электросопротивления применяли
T, K
Рис. 1. Изменения остаточного электросопротивления (а) и КТР (б) сплавов Fe—Ni и Fe—Ni—P в закаленном и деформированном состояниях при изохронном отжиге со скоростью 1 К/мин.
стандартный потенциометрический метод с погрешностью измерения — 0.02%.
Измерения коэффициента термического расширения (КТР) проводили на дилатометре DL-1500 RHP в динамическом режиме с постоянной скоростью нагрева 2 град/мин, и в интервале температур от комнатной до 100—110°C в атмосфере чистого гелия. Образцы представляли собой фольги толщиной ~100 микрон с размерами 8 х 4.5 мм2, которые закрепляли в специально сконструированной кварцевой ячейке. Это, в свою очередь, потребовало корректного определения паразитного собственного хода, который измеряли не менее 10 раз. Достоверность каждого измерения следовала из факта возврата кривой расширения в исходную (стартовую) точку при остывании образца. При этом вычисляли усредненное значение КТР на интервале 300—360 К.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для выяснения роли деформации в процессах расслоения при изохронном отжиге совместно исследовали образцы в закаленном и в деформиро-
0 1 2 3 4 5 400 600 800 1000 1200 Ф, 1018 см-2 T, K
Рис. 2. Изменения остаточного электросопротивления и КТР под облучением при 300 К (а) и при последующем изохронном отжиге (б) сплавов Fe—Ni и Fe—Ni—P в закаленном состоянии.
ванном состоянии. На рис. 1 представлены результаты изменения удельного электросопротивления и КТР при изохронном отжиге без предварительного облучения, с одинаковой средней скоростью роста температуры 1 К/мин, на закаленных и деформированных сплавах Fe—Ni и Fe—Ni—P. Изменения остаточного электросопротивления Ар = р — рЗАК нормированы на значение остаточного электросопротивления в закаленном состоянии рЗАК. Значения удельного электросопротивления деформированных сплавов больше, чем у закаленных сплавов.
С повышением температуры на обоих деформированных сплавах наблюдается рост электросопротивления при температурах в области 350— 600 К так же, как и рост величины КТР. При этом на закаленных сплавах не наблюдается заметных изменений электросопротивления и КТР. В районе температур 700—900 К в деформированных сплавах происходит спад электросопротивления и КТР. В закаленных сплавах вначале (700—800 К) наблюдается рост электросопротивления и КТР, а затем спад так же, как и в деформированных сплавах. При дальнейшем нагревании до 1400 К изменений КТР не наблюдается. Поведение зависимостей для электросопротивления и для КТР каче-
ственно совпадает. Температуры, при которых происходят изменения, также совпадают.
На рис. 2 изображены изменения электросопротивления и КТР закаленных сплавов при электронном облучении (температура облучения 300 К) и последующем изохронном отжиге. Так же, как и в случае отжига необлученных сплавов, изменения электросопротивления нормированы на электросопротивление сплавов в закаленном состоянии. При облучении происходит рост электросопротивления и КТР в обоих сплавах, причем с увеличением флюенса наблюдается замедление роста. Величина прироста электросопротивления и КТР в сплаве Fe—Ni выше, чем в сплаве Fe—Ni—P. При изохронном отжиге после облучения рост электросопротивления и КТР в диапазоне температур 350—550 К продолжается. При 700—900 К, как и в случае изохронного отжига деформированных сплавов (см. рис. 1), наблюдается спад КТР и электросопротивления к значениям, характерным для закаленного состояния. Необходимо отметить, что как и в случае отжига необлученных сплавов, изменения электросопротивления и КТР происходят подобным образом и при одних и тех-же температурах.
Рис.
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.