Формирование твердых растворов замещения и внедрения при

Формирование твердых растворов замещения и
внедрения при деформационно-индуцированном
растворении вторых фаз в металлических матрицах
В. А. Шабашов, В. В. Сагарадзе, А. В. Литвинов, Н. Ф. Вильданова, А.Г.Мукосеев, К. А. Козлов
В отличие от традиционного металлургического способа получения пересыщенных твердых растворов закалкой из расплава, разрабатываются методы неравновесного деформационно-индуцированного сплавления и синтеза с использованием
сдвига под давлением и шаровых мельниц. В цикле работ исследованы основные закономерности формирования твердых растворов замещения из элементов с положительной и отрицательной энтальпией смешивания, а также пересыщенных твердых
растворов углерода, азота и кислорода в металлических матрицах.
Сплавление и синтез элементов с использованием механической активации при сдвиге
под высоким давлением (СД) и в высокоэнергетических мельницах позволяет конструировать элементный, фазовый и структурный
состав материалов с особыми свойствами, недостижимыми в традиционной металлургии.
Развитию исследований в этой области способствовали новые технологии, использующие
интенсивные механические воздействия, такие
как взрыв, гидроэкструзия, шаровые мельницы, фрикционное воздействие и т.д.. В этом
ряду интенсивной механоактивации СД является едва ли не единственным методом, позволяющим контролировать условия воздействия, в
частности степень деформации и температуру.
Использование мессбауэровской спектроскопии наряду с электронной микроскопией и рентгеном позволило решить задачу анализа структуры на уровне ближнего атомного
порядка, что особенно важно для исследования твердых растворов и формирования сложных композитных систем. Особенностью СД является синтез в объеме образца. Вторые фазы в
исходном материале находятся либо в виде интерметаллидов и фаз внедрения, полученных
при термообработке, либо в механических смесях и слоях, сформированных на поверхности
металлических матриц. С целью анализа фазовых превращений при СД была создана методика наблюдения ЯГР спектра in situ при высо-
ком давлении и сдвиге под высоким давлении.
В качестве инструмента нагружения использовали вращающиеся наковальни Бриджмена из
кубического нитрида бора, прозрачного для
мессбауэровского излучения, см. рис.1.
Рис.1
В Fe-Ni сплавах инварного диапазона с добавлением интерметаллид-образующих добавок Ме (Ti, Al, Zr, Si) было проанализировано
неравновесное растворение интерметаллидов
Ni3Me и сформулирована феноменология аномальных
деформационно-индуцированных
фазовых переходов при низких температурах.
В системе Al-Fe получена схема растворения высших алюминидов Al6Fe в матрице алюминия с образованием твердых растворов AlFe и дефектных алюминидов со стехиометрией
вычитания алюминия Al6-хFe. На сплавах Fe-Ni и
Fe-Cr установлена зависимость кинетики механосинтеза от кристаллической симметрии компонентов в смеси.
Осуществлен механосинтез пересыщенных
твердых растворов углерода и азота в железе
и его сплавах с ОЦК и ГЦК решеткой. Установлены закономерности растворения нитридов
и карбидов в матрицах ОЦК и ГЦК сплавов железа. Показано, что в образцах с композитной
(слоистой) морфологией происходит ускорение процессов механосплавления.
Исследования по растворению оксидов
в различных металлических матрицах позволили предложить новый метод механосинтеза
ODS сталей, основанный на возможности аномального ускорения механохимических реакций при интенсивной холодной пластической
деформации смесей малоустойчивых оксидов
железа и меди в матрицах металлов и легированных сталей с образованием специальных
нанооксидов (Y и Ti) для создания радиационно-стойких ODS сталей. На рис.2 приведены
спектры, иллюстрирующие примеры механохимических реакций с восстановлением железа из его оксида и формированием раствора
кислорода и специальных оксидов в Zr.
Исследуемые фазовые переходы являются
аномальными по отношению к активируемым
термической диффузией фазовым переходам.
Теоретические расчеты свидетельствуют, что
низктемпературная диффузия элементов замещения возможна из межузельного положения
в поле напряжения дислокаций. Насыщение
структуры деформационными вакансиями (как
и термические вакансии при нагреве) ускоряет обратные процессы формирования промежуточных метастабильных и равновесных фаз.
(Fe�O�/Fe�O�)
Zr�Fe(O)
Zr-Fe
αFe
Рис.1
Поток деформационных вакансий в этих процессах выполняет преимущественно роль “отделочной” процедуры по формированию вторичных фаз.
Как было показано, подобные деформационно-индуцированные переходы включают
процессы растворения и формирования фаз,
кинетика и результат которых определяется
конкуренцией этих процессов.