1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 84, № 9, 2020

Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 9, стр. 1359-1362

Твердофазные реакции в механоактивированных нанокристаллических сплавах Fe–Cr при термообработке

В. Е. Порсев 1, *, А. Л. Ульянов 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук
Ижевск, Россия

* E-mail: porsev@udman.ru

Поступила в редакцию 19.03.2020
После доработки 10.04.2020
Принята к публикации 27.05.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методами рентгеновской дифракции и мёссбауэровской спектроскопии исследованы твердофазные реакции, протекающие в нанокристаллических сплавах Fe–Cr при термообработке. При изохронных отжигах механически сплавленных порошков Fe–Cr наноструктурное состояние сохраняется для всех образцов вплоть до температуры 700°С. Сплав Fe(80)Cr(20) имеет тенденцию к расслоению во всем интервале температур отжига. Отжиг всех образцов в диапазоне температур 400–500°С приводит к расслоению на обогащенные железом и обогащенные хромом области. При температуре отжига выше 500°С в образцах Fe(70)Cr(30) и Fe(60)Cr(40) наблюдается изменение тенденции в сторону ближнего упорядочения. Отжиг при температуре выше 600°С образцов Fe(52)Cr(48) приводит к образованию σ-фазы.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, ОЦК сплавы Fe–Cr являются основой ферритных сталей и рассматриваются в качестве возможных конструкционных материалов для оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах, работающих в условиях облучения и при температурах до 700°С [1]. Однако, как было показано еще в середине прошлого века, структурная температурная нестабильность и, соответственно, охрупчивание этих сплавов в результате либо расслоения по механизмам зарождения и роста, спинодального распада, либо формирования σ-фазы [2] и упорядоченных структур существенно ограничивает область практического применения таких сплавов. С конца прошлого века и по настоящее время пристальное внимание было привлечено к получению нанокристаллических сплавов Fe–Cr методом механического сплавления [3–9]. При этом существует очень ограниченное количество работ, посвященных стабильности таких сплавов при термообработке. Возникает вопрос, может ли формирование нановключений сигма-фазы в двухфазной области при меньших концентрациях Cr предотвратить рост зерна при термообработке и тем самым сохранить высокий уровень механических свойств, характерных для нанокристаллических сплавов? В литературе такие данные отсутствуют, поэтому для ответа на поставленный вопрос в качестве предварительного этапа в настоящей работе ставилась задача изучения процессов, протекающих при отжигах механически сплавленных нанокристаллических порошков Fe–Cr в интервале температур 400–700°С.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исходные бинарные смеси в атомных соотношениях Fe : Cr – 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40 и 52 : 48 – готовили из порошков Fe марки ОСЧ 13-2 (99.98%) и Cr марки ПХ1М (99.7%). Механическое сплавление (МС) проводили в шаровой планетарной мельнице Pulverisette-7 (Fritsch, Германия) в инертной среде аргона. Термообработку механически сплавленных образцов проводили в вакуумной печи в интервале температур 400–700°С в течение 4 ч. Рентгеновские исследования выполнены на дифрактометре ДРОН-3М в монохроматизированном (монохроматор – графит) CuKα-излучении. Для определения размеров зерен и величины микроискажений использовали модифицированный гармонический анализ Уоррена–Авербаха с аппроксимацией формы линии функцией Фойгта [10]. Мессбауэровские исследования выполнены при комнатной температуре на спектрометре ЯГРС-4М в режиме постоянных ускорений с источником резонансного γ-излучения 57Со(Rh). Из спектров восстанавливали функции распределения сверхтонких магнитных полей Р(Н) с использованием обобщенного регуляризованного алгоритма решения обратных некорректных задач [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а приведены рентгеновские дифрактограммы для смеси Fe(80)Cr(20), из вида которых следует, что после механического сплавления и последующих отжигов обнаруживаются только ОЦК рефлексы. Такая же картина наблюдается и в случае сплавов Fe(70)Cr(30) и Fe(60)Cr(40). Для состава Fe(52)Cr(48) при Тотж = 600°С формируется σ-фаза (рис. 1б). Из приведенных дифрактограмм видно, что в результате отжига механосинтезированных образцов происходит сужение рентгеновских рефлексов, что может свидетельствовать об увеличении размера зерен 〈L〉 и уменьшении уровня микроискажений 〈ε2〉1/2 кристаллических решеток присутствующих в образце фаз. Для оценки 〈L〉 и 〈ε2〉1/2 был использован рефлекс 110 в области углов 2θ = 43°. Для всех составов с увеличением температуры отжига происходит уменьшение 〈ε2〉1/2, в то время как значение 〈L〉 меняется незначительно вплоть до 500°С, а затем наблюдается его резкий рост. Тем не менее, размер зерна 〈L〉 во всех образцах не превышал 100 нм. Поэтому можно говорить, что в результате отжига при температурах до 500°С, по всей видимости, происходит преимущественно релаксация внутренних напряжений, а выше этой температуры рост зерна играет преобладающую роль при рекристаллизации.

Рис. 1.

Рентгеновские дифрактограммы сплавов Fe(80)Cr(20) (а) и Fe(52)Cr(48) (б) механически сплавленных в течение 8 ч (1) и отожженных при различных температурах в течение 4 ч: 2 – 400, 3 – 500, 4 – 600, 5 – 700°С.

На рис. 2а представлены мёссбауэровские спектры с соответствующими функциями распределения сверхтонких магнитных полей Р(Н) для состава Fe(80)Cr(20) после механосинтеза и последующих отжигов. Как видно, функция Р(Н) имеет широкое распределение полей от 150 до 350 кЭ, а спектр характерен для разупорядоченного состояния или твердого раствора Cr в α-Fe. С увеличением Тотж кривая Р(Н) незначительно сдвигается в сторону больших полей. В случае с сCr = 40 ат. % (рис. 2б) мёссбауэровский спектр аналогичным образом представляет собой секстет с широкими линиями, а функция Р(Н) имеет непрерывный набор составляющих в интервале полей от 120 до 350 кЭ. При Тотж = 400°С (рис. 2б, кривая 2) в спектрах появляются компоненты с Н ≤ 100 кЭ, что может быть обусловлено наличием в образце обогащенных хромом областей [12]. C увеличением Тотж до 500°С кривая Р(Н) сдвигается в сторону больших полей, а затем при дальнейшем увеличении температуры отжига – в обратном направлении. Для состава с сCr = 48 ат. % вплоть до Тотж = 500°С наблюдается аналогичный процесс сдвига функции P(H) в область больших полей, при Тотж = 600°С в спектре присутствует значительный вклад от синглетной составляющей со средним изомерным сдвигом δ = –0.15 ± 0.01 мм/с, количество которой достигает 100% при Тотж = 700°С. Данный синглет, согласно [13], можно связать с образованием в образцах сигма-фазы.

Рис. 2.

Мёссбауэровские спектры и функции распределения сверхтонких магнитных полей Р(Н) сплавов Fe(80)Cr(20) (а) и Fe(60)Cr(40) (б) механически сплавленных в течение 8 ч (1) и отожженных при различных температурах в течение 4 ч: 400 (2), 500 (3), 600 (4), 700°С (5).

На рис. 3 показаны значения средних сверхтонких магнитных полей 〈H〉 для механически сплавленных и отожженных в течение 4 часов при различных температурах образцов Fe–Cr. Для образца Fe(80)Cr(20) значение 〈H〉 незначительно увеличивается с ростом температуры. Это можно объяснить тем, что при отжиге сплав имеет тенденцию к расслоению во всем интервале температур отжига. В случае с порошками Fe(70)Cr(30) и Fe(60)Cr(40) монотонного поведения значений 〈H〉 не наблюдается. Как видно из рис. 3, среднее сверхтонкое поле сначала резко возрастает, достигая максимума при Tотж = 500°C, а затем начинает уменьшаться при дальнейшем повышении температуры отжига. Такое поведение 〈H〉 указывает на то, что вплоть до температуры отжига 500°C сплавы Fe(70)Cr(30) и Fe(60)Cr(40) имеют тенденцию к расслоению, а, начиная с 600°C, происходит гомогенизация сплава, т.е. преобладает процесс ближнего упорядочения. Значение 〈H〉 для сплава Fe(52)Cr(48) резко возрастает с ростом температуры отжига вплоть до 500°C, выше этой температуры происходит формирование σ-фазы.

Рис. 3.

Зависимость среднего сверхтонкого поля 〈H〉 от температуры отжига для механически сплавленных порошков Fe–Cr.

ВЫВОДЫ

При изохронных отжигах механически сплавленных порошков Fe–Cr с концентрацией хрома от 20 до 48 ат. % все образцы, сохраняют наноструктурное состояние вплоть до температуры 700°С. Сплав Fe(80)Cr(20) имеет тенденцию к расслоению во всем интервале температур отжига. Отжиг всех образцов в диапазоне 400–500°С приводит на локальном уровне к расслоению тела зерна на обогащенные железом и обогащенные хромом фазы. При Тотж > 500°С в сплавах Fe(70)Cr(30) и Fe(60)Cr(40) происходит изменение тенденции в сторону ближнего упорядочения. Отжиг образцов Fe(52)Cr(48) к образованию σ-фазы при Тотж ≥ ≥ 600°С.

Работа выполнена в рамках НИР государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ (№ АААА-А17-117022250038-7) при частичной поддержке программой Президиума УрО РАН №18-10-2-21.

Список литературы

  1. Ehlich K., Konys J., Heikinheimo L. // J. Nucl. Mater. 2004. V. 327. P. 140.

  2. Hsieh C.-C., Wu W. // ISRN Metallurgy. 2012. V. 2012. Art. № 732471.

  3. Koyano T., Takizawa T., Fukunaya T. et al. // J. Appl. Phys. 1993. V. 73. № 1. P. 429.

  4. Koyano T., Mizutani U., Okamoto H. // J. Mater. Sci. Lett. 1995. V. 14. P. 1237.

  5. Murugesan M., Kuwano H. // IEEE Trans. Magn. 1999. V. 35. № 5. P. 3499.

  6. Fnidiki A., Lemoine C., Teilet J. et al. // Phys. B. 2005. V. 363. P. 271.

  7. Bentayeb F.Z., Alleg S., Bouzabatta B. et al. // JMMM. 2005. V. 288. P. 282.

  8. Fnidiki A., Lemoine C., Teilet J. // Phys. B. 2005. V. 357. P. 319.

  9. Delcroix P., Le Caër G., Costa B.F.O. // J. Alloys Compounds. 2007. V. 434–435. P. 584.

  10. Дорофеев Г.А., Стрелецкий А.Н., Повстугар И.В. и др. // Коллоид. журн. 2012. Т. 74. № 6. С. 710; Dorofeev G.A., Povstugar I.V., Protasov A.V. et al. // Colloid J. 2012. V. 74. № 6. P. 675.

  11. Voronina E.V., Ershov N.V., Ageev A.L. et al. // Phys. Stat. Sol. B. 1990. V. 160. P. 625.

  12. Елсуков Е.П., Колодкин Д.А., Ульянов А.Л. et al. // Коллоид. журн. 2015. Т. 77. № 2. С. 152; Yelsukov E.P., Kolodkin D.A., Ul’yanov A.L. et al. // Colloid J. 2015. V. 77. № 2. P. 143.

  13. Costa B.F.O., Le Caër G., Loureiro J.M. // J. Alloys Compounds. 2006. V. 424. P. 131.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал