Вплив легування та ультразвукової ударної обробки на фізико-механічні властивості інварних ГЦК сплавів системи FE-NI-С

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, Ye.O. Svystunov, G.I. Kuzmich, Mцssbauer analysis of the FCC Fe-Ni-C alloys after heat and ultrasonic treatment. Functional Materials 11, #1 (2004) 101 (corrected version in 11, #3 (2004));

2. V.M. Nadutov, V.M. Garamus, R.Willumeit, D.V. Semenov. Small-angle neutron scattering in Invar Fe-Ni-C alloys in magnetic field. Functional Materials 2004, т. 11, #3;

3. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, Ye.O. Svystunov, G.I. Kuzmich. Mцssbauer effect in f.c.c. Fe-Ni-C alloys after the ultrasonic impact surface treatment. Сzechoslovak Journal of Physics, Vol. 55 (2005), №7.

4. В.М. Надутов, Ж.-Б. Вогт, Д. В. Семенов, A. Варлен, Е.А.Свистунов, И.С, Гавриленко. “Влияние циклического нагружения на механические и инварные свойства ГЦК-Fe-Ni-C сплавов”, “Металлофизика и новейшие технологии” 28, № 1: 53 (2006).

5. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, Ye.O. Svystunov. Mцssbauer analysis of f.c.c. Fe-Ni-C alloys after heat and ultrasonic treatments. International scientific and practical conference “Spectroscopy in special applications” (SSA). - Abstract. - Ukraine, Kyiv (June 18-21), - 2003.

6. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, Ye.O. Svystunov, G.I. Kuzmich, V.M. Garamus, R. Willumeit. Mцssbauer study of the f.c.c. Fe-Ni-C alloys after ultrasonic treatment. International Conference “Mцssbauer Spectroscopy and Its Applications” (ICMSA). - Abstract. - (June 21-25), - 2004.

7. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, Ye.O. Svystunov, I.S. Gavrylenko. Mцssbauer effect in f.c.c. Fe-Ni-C alloys after ultrasonic and low-frequency impact surface treatments. International Conference “Mцssbauer Spectroscopy in Material Science” (MSMS). - Abstract. - Czech, Vљemina (June 1-4), - 2004.

8. V.M. Nadutov, D.V. Semenov, O.I. Zaporozhets, Ye.O. Svystunov, N.G. Dordienko. The effect of ultrasonic impact treatment on state of solid solution and properties of the f.c.c. Fe-Ni-C alloys. International Conference “Functional Materials” (ICFM). - Abstract. - Ukraine, Crimea, Partenit (Oktober 3-8), - 2005.

9. V.M. Nadutov, J.-B. Vogt, D.V. Semenov, A. Verleene, O.I. Zaporozhets. Study of cyclic plasticity and elastic modulus of invar Fe-Ni-C-based alloys. International Conference “Functional Materials” (ICFM). - Abstract. - Ukraine, Crimea, Partenit (Oktober 3-8), - 2005.

Інші цитовані джерела.

10. Сагарадзе, Н.Д. Земцова, Е.И. Старченко, В.А. Шабашов, Е.Е. Юрчиков, ФММ, 55, № 1: 113 (1983).

АНОТАЦІЇ

Семенов Д.В. Вплив легування та ультразвукової ударної обробки на фізико-механічні властивості інварних ГЦК сплавів системи Fe - Ni - С. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2006.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу легування вуглецем у поєднанні з марганцем і кобальтом, а також ультразвукової ударної обробки, на механічні властивості і термічне розширення ГЦК Fe-Ni-C сплавів інварного класу, та з'ясуванню природи цього впливу на основі аналізу даних механічних випробовувань, вимірювань малокутового розсіяння нейтронів, пружних модулів, мессбауерівських спектрів і термічного розширення.

Проведено механічні випробування на розтяг загартованих від 1373 К сплавів Fe-Ni і Fe-Ni-C та легованих Mn і Сo. Показано покращення вуглецем механічних властивостей інварних сплавів. В рамках моделі магніто-дисперсійного твердіння оцінено приріст межі плинності за рахунок впливу магнітних неоднорідностей в сплавах. За результатами оцінки показано, що в ГЦК-сплавах Fe-Ni і Fe-Ni-C має місце явище інварного зміцнення, внесок якого визначається вмістом нікелю і послаблюється при введенні вуглецю, а також при зниженні температури. При легуванні Mn або Co в межах 1-2 мас.%, а також додаванні мікродоз Y та Tb, інварний внесок принципово не змінюється.

Проведено малоциклові механічні випробування на втому зразків сплавів Fe-Ni-Y-C, Fe-Ni-Co-Y-C і Fe-Ni-Mn-Co-Tb-C, і показано відносно високий опір сплавів циклічним знакозмінним навантаженням. Встановлено, що інварні сплави, які містять вуглець, на відміну від аустенітних сталей, не виявляють ефект циклічного знеміцнення при збільшенні числа циклів. Дослідження зразків після випробувань на втому показали збереження фазового складу та інварних властивостей, поряд з незначною зміною пружних характеристик, що пояснюється послабленням жорсткості міжатомного зв'язку за рахунок накопичених дефектів.

Проведено дослідження змін поверхневої структури, мікротвердості, термічного розширення і пружних властивостей зразків Fe-Ni-C сплавів під дією УУЗО з амплітудою удару 20-28 мкм. Показано поступове механічне зміцнення поверхневого шару масивних зразків без зміни мікроструктури і фазового складу поверхні. Встановлено, що термічне розширення сплавів після УУЗО залишилось на рівні інварного, що пояснюється збереженням незмінного фазового складу і магнітного стану.

З використанням мессбауерівської спектроскопії показано, що УУЗО вуглецевих сплавів веде до атомного перерозподілу в твердому розчині, не змінюючи фазовий склад. Результати проаналізовано у співставленні з даними, отриманими після поверхневої УНЧО, яка викликає зміну фазового складу. Показано високу ефективність УУЗО як способу поверхневого зміцнення при збереженні інварних і пружних властивостей у порівнянні з низькочастотною ударною обробкою.

Ключові слова: інвар, Fe-Ni-C сплав, інварне зміцнення, магніто-дисперсійне твердіння, межа плинності, межа міцності, термічне розширення, дилатометрія, мессбауерівська спектроскопія, МКРН, пружні властивості, УУЗО, УНЧО.

Семенов Д.В. Влияние легирования и ультразвуковой ударной обработки на физико-механические свойства инварных ГЦК-сплавов системы Fe - Ni - С. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов. - Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованиям влияния легирования углеродом в сочетании с марганцем и кобальтом, а также ультразвуковой ударной обработки, на механические свойства и термическое расширение ГЦК Fe-Ni-C сплавов инварного класса, и выяснению природы этого влияния на основе анализа данных механических испытаний, измерений малоуглового рассеяния нейтронов, упругих модулей, мессбауэровских спектров и термического расширения.

Проведены механические испытания на растяжение закаленных от 1373 К сплавов Fe-Ni и Fe-Ni-C и легированных Mn и Сo. Показано улучшение углеродом механических свойств инварных сплавов. В рамках модели магнито-дисперсионного твердения оценен прирост предела текучести за счет влияния магнитных неоднородностей в сплавах. По результатам оценки показано, что в ГЦК-сплавах Fe-Ni и Fe-Ni-C имеет место явление инварного упрочнения, вклад которого определяется содержанием никеля и ослабляется при введении углерода, а также при снижении температуры. При легировании Mn или Co в пределах 1-2 масс.%, а также введение микродобавок Y и Tb, инварный вклад принципиально не изменяется.

Проведены малоцикловые механические испытания на усталость образцов сплавов Fe-Ni-Y-C, Fe-Ni-Co-Y-C и Fe-Ni-Mn-Co-Tb-C, и показано относительно высокое сопротивление сплавов циклическим знакопеременным нагружениям. Установлено, что инварные сплавы, которые содержат углерод, в отличие от аустенитных сталей, не обнаруживают эффект циклического разупрочнения при увеличении числа циклов. Исследования образцов после испытаний на усталость показали сохранение фазового состава и инварных свойств, наряду с незначительным изменением упругих характеристик, что объясняется ослаблением жесткости межатомной связи за счет накопленных дефектов.

Проведено исследование изменений поверхностной структуры, микротвердости, термического расширения и упругих свойств образцов Fe-Ni-C сплавов под действием УУЗО с амплитудой удара 20-28 мкм. Показано постепенное механическое упрочнение поверхностного слоя массивных образцов без изменений микроструктуры и фазового состава поверхности. Установлено, что термическое расширение сплавов после УУЗО осталось на уровне инварного, что объясняется сохранением неизменного фазового состава и магнитного состояния.

С использованием мессбауэровской спектроскопии показано, что УУЗО углеродистых сплавов приводит к атомному перераспределению в твердом растворе, не изменяя фазовый состав. Результаты проанализированы в сопоставлении с данными, полученными после поверхностной УНЧО, которая вызывает изменение фазового состава. Показана высокая эффективность УУЗО как способа поверхностного упрочнения при сохранении инварных и упругих свойств по сравнению с низкочастотной ударной обработкой.

Ключевые слова: инвар, Fe-Ni-C сплав, инварное упрочнение, магнито-дисперсионное твердение, предел текучести, предел прочности, термическое расширение, дилатометрия, мессбауэровская спектроскопия, МУРН, упругие свойства, УУЗО, УНЧО.

Semenov D.V. The effect of alloying and impact ultrasonic surface treatment on physical and mechanical properties of the f.c.c. Fe-Ni-C Invar alloys. - Manuscript.

The thesis for scientific degree of Candidate of Sciences (physics and mathematics) on the speciality of the physics of metals - 01.04.13. - The G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to investigation of the effect of alloying with carbon in combination with the manganese and cobalt as well as the impact ultrasonic surface treatment on mechanical properties and the thermal expansion of the f.c.c. Fe-Ni-C Invar alloys, and to determination of nature of this effect on the basis of the analysis of data of mechanical testing, the measurements of small-angle neutron scattering, elastic moduli, Mцssbauer spectra and the thermal expansion.

The mechanical tensile testing of hardened from 1373 K and alloyed with the Mn and Co austenitic f.c.c. Fe-Ni and Fe-Ni-C alloys have been carried out. The improvement of mechanical properties of Invar alloys due to carbon was shown. Within the framework of model of a magneto-precipitation hardening the increment of yield stress due to the influence of magnetic heterogeneities in the alloys was estimated. As a result of estimation it was shown that the phenomenon of Invar hardening takes place in the f.c.c. Fe-Ni and Fe-Ni-C alloys, the contribution from which is determined by nickel concentration and is weakened by carbon doping as well as at the temperature decreasing. The Invar contribution is not principal changed with the Mn or Co alloying within the limits of 1-2 %wt. as well as with the microdoping of Y and Tb.

The low cyclic fatigue tests of Invar f.c.c. Fe-Ni-Y-C, Fe-Ni-Co-Y-C and Fe-Ni-Mn-Co-Tb-C alloys were carried out and the relatively high cyclic sign-variable resistance of the alloys was shown. In fact, the effect of cyclic softening at the fatigue life of the carbon-containing Fe-Ni-C alloys unlike to the austenitic steels was not revealed. The investigation of the samples after the testing has shown the stability of phase composition and Invar properties along with the minor change of the elastic characteristics, that points to the decrease of stiffness of interatomic bond at the expenses of the cumulative defects of crystal structure.

The investigation of changes of surface structure, microhardness, thermal expansion and elastic properties of the Fe-Ni-C alloys caused by UST-influence with the impacts amplitude of 20-28 m was carried out. The gradually hardening of the bulk-samples without changes in the microstructure of a surface and the surface phase composition was shown. In fact, the thermal expansion of the alloys after the US-treatment keeps safe at Invar level, that points to stability of the phase composition and the magnetic state.

By means the Mцssbauer spectroscopy it was shown that the UST of carbon-containing alloys causes the atomic redistribution in a solid solution without any changes in the phase composition. The results were analyzed in comparison with the data derived after the low-frequency impact surface treatment (IST), which results in changes of phase composition. The high efficiency of the UST as the surface hardening method keeping safe the Invar and the elastic properties in comparison with the low-frequency impact surface treatment was shown.

Key words: Invar, Fe-Ni-C alloy, Invar hardening, magneto-precipitation hardening, yield stress, tensile strength, thermal expansion, dilatometry, Mцssbauer spectroscopy, SANS, elastic properties, UST, IST.

Размещено на Allbest.ru