Структура и фазовые превращения сплавов системы железо-хром тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Пушкарев, Бажен Евгеньевич

• Пушкарев, Бажен Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пушкарев, Бажен Евгеньевич

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Высокотемпературная часть диаграммы состояния.

1.2. Область а-фазы.

1.3. Область несмешиваемости.

Глава 2. Методика исследований.

2.1. Характеристика исследуемых сплавов, приготовление и термическая обработка образцов.

2.2. Методика исследования структуры с помощью дифракционной электронной микроскопии.

2.3.Методика рентгеновского фазового анализа.

Глава 3. Структура закаленных сплавов системы железо-хром.

3.1. Структура сплава Ре-47Сг, закаленных от 1200°С и 1400°С

3.2. Структура сплава. Ге-40%Сг закаленного от 1200°С и 1400°С

3.3. Структура сплавов Ре-30%Сг и Ге-20%Сг. закаленных от 1200°С и 1400°С.

3.4. Структура сплавов системы железо-хром после повторной закалки от 1000°С.

Глава 4. Структура сплавов системы железо-хром, термообработанных на ст-фазу.

4.1. Структура сплава Ре-47%Сг, формирующаяся в результате термообработки на а-фазу.

4.2. Структура сплавов Ре-40%Сг, Ре-30%Сг и Ре-20%Сг, формирующаяся в результате термообработки на а-фазу.

Глава 5. Структура сплавов системы железо-хром, после отпуска при температурах 550°С и 500°С.

5.1. Структура сплава Ре-47%Сг, формирующаяся в результате отпуска.

5.2. Структура сплавов Ре-40%Сг и Ре-30%Сг, формирующаяся в результате отпуска.

5.3. Структура сплава Ре-20%Сг, формирующаяся в результате отпуска.

Глава 6. Систематизация полученных экспериментальных результатов в виде метастабильной фазовой диаграммы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и фазовые превращения сплавов системы железо-хром»

АКТУАЛЬНОСТЬ. Сплавы системы железо-хром/ широко используемые в настоящее время в химической промышленности и ядерной энергетике, привлекают к себе постоянный интерес исследователей, особенно в связи с проявлением в них так называемой хрупкости 475°С. Однако, несмотря на многочисленные исследования, система железо-хром до сих пор понята не до конпа. Термодинамические данные свидетельствуют, что в этой системе наблюдаются положительные отклонения от закона Рауля, т.е. в ней должка проявляться тенденция к расслоению. Действительно при температурах 550°С и ниже такая тенленния проявляется < тт* гурно. приводя к расслоению твердого раствора на обогащенные хромом и обогащенные желе-юч кластеры, которые формируются, как считают большинство исследователей, по спинодальному механизму. В то же самое впемя нги те*тенатуг>ах б()0-830°С в этой счешем« вблизи

Л. * IT. £ " - л ~ л. + эквиатомного состава образуется так называемая а-фаза — интерметаллическое соединение FeCr. Кат: известно, образование такого химического соединения может происходить только путем 9 упорядочения атомов Fe и Сг, что в принципе возможно при отрицательны \ о i клонениях твердого pac t вора от закона Рауля. Однако, Т4рлед1„1мические исследования, проведенные при высоких ^ температурах (1100-1400е С) путем измерения давления насыщенного пара Сг над твердыми растворами железо-хром свидетельствуют, что отрицательные отклонения в них никогда не наблюдались.

I " ' ' , причины таких противоречий в поведении сплавов системы • • железо-хром, а также резких различий в их морфологии, к сожалению. У но совеем понятны и до проведения настоящего исследования не были

Особенностью настоящей работы является то. что в нем ттепвые подробно структурными методами исследована высоко! емпературыая (1200°С-1400°С) область диаграммы состояния сплавов системы железо-хром с содержашшрфома 20, 30, 40 и 47 вес.% при достаточно длительных временах выдержки (до 22ч при 1200°С).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основной целью работы было исследование структурных превращений в сплавах системы железо-хром в широком температурном и концентрационном интервале. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Изучить структуру сплавов системы железо-хром, формирующуюся после закалки от 1200°С.

2. Исследовать структурные превращения сплавов системы железо-хром, происходящие при термообработке на а-фазу.

3. Исследовать, в чем отличия структур сплавов системы железо-хром; сформировавшихся в результате отпуска, в зависимости от предшествующей термообработки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ К НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получены следующие новые результаты:

1. В работе структурными методами подтверждено существование области расслоения при высоких температурах (1200°С-1400°С), что соответствует полученным ранеед^рмодщамическим данным.

2. Описана новая структурная составляющая — 1-структура, сформированная не как результат упорядочения (т.е. не являющаяся химическим соединением), а как результат расслоения твердых растворов. Она состоит из чередующихся слоев, обогащенных и обедненных атомами хрома. Матрица, СлСружающил Х-струкдуру, также плртетшет:'-ос'"г "леетонине тт п^"!еттст,"г,т*г^т со^о^т тт^л'б^ти ¡"ме^т

О^ю^^тто^НЬ*^ ЧЯГ^^и У* ООСЛНСШ-ТОГО ПО ХрОМ^7 ТВ СП Л ОГО

3. Показано, что с понижением температуры переход от высокотемпературных структур расслоения к структуре а-фазы предваряется изменением типа химического взаимодействия компонентов, проявляющейся в изменении знака отклонения от закона Рауля от плюса к минусу. Такой переход начинается с формирования доменов, где знак отклонения от закона Рауля иной, чем в матрице. Эти области, названные нами «е-доменами», хорошо фиксируются электронной микроскопией.

4. Показано, что при понижении температуры ниже 600°С в сплаве вновь происходит расслоение, которое также предваряется образованием доменов.

Таким образом, в системе железо-хром дважды происходит изменение знака отклонения от закона Рауля с изменением температуры.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Работа дает представление о реальных процессах протекающих в сплавах системы Ре-Сг при изменении температуры термообработки. Показано, что существующую стабильную диаграмму Ре-Сг необходимо рассматривать как достаточно грубое приближение.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы работы докладывались и обсуждались па 3-й Российской уииверситетско-академичесгсой' научно-практической конференции (Ижевск, 1997), на региональной на^шо-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении" (Тюмень, 1997) и на Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (Ижевск, 1998).

По результатам проведенных исследований опубликовано 5 печат ных работ.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения; б глав, включающих в себя: литературный обзор, методики исследований, четырех исследовательских глав; заключения и списка использованных источников.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Пушкарев, Бажен Евгеньевич

Выводы.

Старение сплавов системы железо-хром с содержанием 30-47% хрома при температурах 500°С и 550°С приводит к формированию в них структур расслоения. Причем для сплавов Ре-47%Сг и Ре-40%Сг тип структуры существенно зависит от предыдущей термообработки и времени старения. В сплаве Ре-30%Сг в результате старения при температуре 500°С в течение 75 часов формируется высокодисперсная смесь а! и а2 твердых растворов. Для сплава Ре-20%Сг оказалось недостаточно 75 часов старения, чтобы в нем появились структурные составляющие характерные для расслоения.

Глава 6. Систематизация полученных экспериментальных результатов в виде метастабильной фазовой диаграммы.

Хорошо известная стабильная фазовая диаграмма Бе-Сг, предложенная Вильямсом [26], предполагает наличие области несмешиваемости ниже 560°С и существование химической спинодали как совокупности точек, для которых вторая производная свободной энергии по концентрации равна нулю. Спинодальный механизм распада Бе-Сг бинарных сплавов был детально изучен Логнеборгом [20], Миллером с сотрудниками [53-55] и другими авторами. Все они предполагают, что выше области несмешиваемости и выше области ст-фазы на диаграмме Ре-Сг находится область гомогенного а-твердого раствора для всех концентраций (кроме у-петли). Результаты, полученные в настоящей работе, позволяют скорректировать эти представления. Эти результаты были представлены нами в интегральном виде, в виде фазовой метастабильной диаграммы (рис.6.1). Так как в настоящей работе выдержки при различных температурах редко превышали 8 часов, то фазовая диаграмма, представленная по структурным данным, является метастабильной, тем более что некоторые области, изображенные на ней, перекрываются (не успевает раствориться предыдущая фаза, например слоистая .[-структура, и уже выделяется новая, например а-фаза). Кроме того, на этой диаграмме указано метастабильное состояние в виде областей с иным, чем в матрице, знаком отклонения от закона Рауля, т.е. с иным, чем в матрице типом химического взаимодействия компонентов. Такая ситуация для стабильных диаграмм совершенно недопустима, поскольку нарушаются основные правила построения стабильных фазовых диаграмм. т°с

Рис.6.1. Метастабильная фазовая диаграмма.

Часть метастабильной фазовой диаграммы Бе-Сг, представленная на рисунке 6.1, значительно отличается от известной стабильной диаграммы, предложенной Вильямсом [26], в частности тем, что при высоких температурах область существования гомогенного твердого раствора невелика и в основном распространяется на составы, содержащие менее ( чем 20%Сг. В остальной части высокотемпературной области метастабильной диаграммы могут быть два типа структур: 1) Смесь грубых частиц а! и а2 твердых растворов и слоистой .Г-структуры - для эквиатомных и близких к ним составов и 2) твидовая структура - для Ре-(20-30)%Сг сплавов. При температурах ниже 800°С указанные выше структуры, формирующиеся при высокой температуре, растворяются и на их месте образуются а-фаза для эквиатомных и близких к ним составов. В температурном интервале образования а-фазы в а-твердом растворе формируются области с иным, чем у матрицы знаком отклонения от закона Рауля. При температурах старения (ниже 600°С) вновь происходит изменение знака отклонений от закона Рауля и образуется | высокодисперсная смесь а.1 и а2 твердых растворов, как следствие I процесса расслоения (рис.6.1), если предыдущая термообработка проводилась в температурном диапазоне существования а-фазы (для Ре-40%Сг и Ре-47%Сг). .¡-структура сохраняется в том случае, когда предыдущая термообработка проводилась в диапазоне. высокотемпературного расслоения. Для сплава Ре-30%Сг термообработка при температурах ниже 600°С приводит к формированию высокодисперсной смеси а! и а2 твердых растворов. |

При температурах выше 830°С и ниже 600°С наблюдается тенденция твердых растворов Ре-Сг к расслоению, т.е. атомы Ре и Сг стремятся каждый окружить себя себе подобными в полном соответствии с термодинамическими свойствами твердых растворов

Бе-Сг [11,12]. При 600-800°С тип химического взаимодействия между атомами Бе и Сг изменяет свой знак на обратный, т.к. эти атомы стремятся образовать между собой интерметаллическое химическое соединение (ст-фазу). Такой дуализм в поведении сплавов системы железо-хром — очень интересное явление, которое требует дальнейшего изучения. Как предполагают .авторы работы [52], такое поведение сплавов железо-хром обусловлено той критической ролью, которую играет среднее число валентных электронов в определении

V ^ знака взаимодействия и величины энергии упорядочения, и, следовательно, в проявлении тенденции к упорядочению или расслоению.

Как заключили авторы [21], благодаря очень вялой кинетике образования сг-фазы область несмешиваемости для процесса расслоения метастабильна и простирается до более высоких температуру 900°К, т.е. проникает в область сг-фазы. Такое V предположение кажется крайне маловероятным для области существования а-фазы, поскольку две тенденции — тенденция к упорядочению и тенденция к расслоению — не могут существовать о одновременно в виду их альтернативности.

97

Заключение.

1.Используя структурные методы показано, что при высоких температурах нагрева (1200°С-1400°С) в сплавах системы железо-хром происходит расслоение сплава на обогащенные и обедненные по хрому области. В сплавах с высоким содержанием хрома (40-47%) такое расслоение приводит к образованию смеси а1+ос2 твердых растворов и .1-структуры, в сплавах с меньшим содержанием хрома (20-30%) образуется твидовая структура.

2. Описана структурная составляющая, возникающая как результат процесса расслоения, — слоистая .[-структура, внутри которой впоследствии начинается образование частиц чистого хрома.

3. Показано, что при температурах формирования ст-фазы структурные составляющие высокотемпературного расслоения растворяются, и в сплавах образуются е-домены , представляющие I собой области, где энергия смешения имеет иной знак, чем энергия смешения окружающей матрицы.

4. Показано, что при температурах ниже 600°С тенденция) 1 сплавов к образованию интерметаллической фазы вновь сменяется ) тенденцией к расслоению, чему также предшествует образование | е-доменов. Структура низкотемпературного расслоения зависит от \ предшествующей термообработки: в сплавах, термообработанных ; ранее на структуру высокотемпературного расслоения, происходит | огрубление структурных составляющих; в сплавах, | термообработанных ранее на ст-фазу наблюдается смесь щ+а2 твердых растворов.

5. Показано, что система железо-хром дважды изменяет знак энергии смешения при изменении температуры.

6. Результаты структурных исследований обобщены в виде метастабильной фазовой диаграммы железо-(0-47)%хрома.