Особенности формирования r-состояний в сплавах на основе никеля, титана и ванадия

Во второй главе представлены данные об исследуемых образцах, а также приведены методы исследования этих образцов. Объектами исследования были следующие материалы: сплавы V-4Ti-4Cr, V-10Ti-5Cr и V-5Fe (ОЦК – решетка). Кроме того, исследовались сплавы на основе Ni (ГЦК-решетка). Сплав содержит, кроме Ni, 15% Cr, 10% Fe, 2-3 % Ti, 2-3 % Al, 3 % Mo. Материалом для исследования ГПУ-сплавов служил поликристаллический титан ВТ1-0. Согласно данным металлографических экспериментов, образцы титана имели разную зернистость ─ 0,1 мкм, 1 мкм, 5 мкм и 30 мкм. Все исходные образцы, согласно рентгенодифрактометрическим данным, были однофазными (находились в состоянии твердого раствора). Сплавы были облучены в ионном ускорителе «Vita» ионами Ar+ с энергией 30 кэВ и плотностью тока 50 мкА/см2 до флюенса 1.5.1018 ион/см2 при различных температурах мишени (300-900оС). Для образцов сплава V-4Ti-4Cr были проведены дополнительные облучения в интервале доз – от 1∙1017 ион/см² до 2∙1018 ион/см². Для сплава ВТ1-0 проводились пострадиационные отжиги в электропечи при вакууме 10-3 Па, температура контролировалась хромель-алюмелевой термопарой. Образцы при отжиге заворачивались в фольгу тантала. После ионного облучения образцы исследовались с помощью: 1) рентгеноструктурного анализа. Исследования проводились в аппарате ДРОН-2.0 (излучение CrKα), оснащенного компьютером и программным обеспечением, позволяющим рассчитать межплоскостные расстояния в автоматическом или полуавтоматическом режиме; 2) метода измерения микротвёрдости. Измерения проводились на микротвердомере LECO. Данный прибор основан на принципе измерения микротвердости по методу Виккерса при нагрузках от 10 г до 1000 г; 3) металлографического метода с использованием микроскопа LECO 300, обеспечивающего увеличение до Х2000; 4) температурные зависимости термоЭДС измерялись интегральным методом, в котором температуру T1 одного из спаев термопары поддерживают все время постоянной, а разность потенциалов Е измеряют в зависимости от температуры Т2 другого спая. Основой прибора для измерения термоЭДС служил микротвердомер ПМТ–3, в котором алмазную пирамидку с держателем заменили приспособлением с иглой из вольфрама. В используемом приборе исследуемый образец приводился в контакт с вольфрамовой иглой, снабженной микропечью. Для определения термодинамических характеристик радиационно-индуцированных состояний использовали метод определения энергии активации (метод сечений). В этом методе анализируются изменения какого-либо свойства материала в процессе изотермических отжигов при различных температурах. В наших экспериментах использовалось значение микротвердости , как характеристики изменения свойств системы. По экспериментальным данным строят зависимости изменений данной физической величины от времени отжига при различных температурах. Используют выражение: , (1) где t1 и t2 – времена достижения заданного значения микротвёрдости при отжиге с температурами T1 и Т2, соответственно, - искомая энергия активации отжига метастабильной радиационно-индуцированной структуры, k – постоянная Больцмана. Необходимо, чтобы исходные значения при различных температурах отжига были одинаковыми. Поэтому облученный образец разрезали вдоль его поверхности, далее отдельные части подвергали отжигу при различных температурах. Кроме того, был предпринят расчёт значений стационарных концентраций вакансий для различных материалов в интервале использованных радиационных параметров, соответствующих формированию R-состояния. Расчет проводился с помощью уравнений баланса для радиационных дефектов. , (2) . где – скорость создания смещений, задаваемая облучающим устройством, и - коэффициенты диффузии вакансий (В) и междоузельных атомов (МA). При этом - равновесная концентрация вакансий, - коэффициент рекомбинации В и МА, - радиус аннигиляции В и МА, определяемый объемом зоны их спонтанной рекомбинации, - , – постоянная решетки, – атомный объем, , – плотность стоков для вакансий и междоузельных атомов, соответственно. Второй член в уравнениях (1) описывает рекомбинацию точечных дефектов, последний, третий член в правой части уравнений описывает гибель точечных дефектов на стоках (преимущественно, на дислокациях). Концентрации и определяются с помощью формул: . (3) В третьей главе приведены результаты исследования радиационно-индуцированных превращений в сложнолегированных никелевых сплавах системы Ni-Cr-Fe-Ti-Al-Mo (в этих сплавах можно варьировать исходную структуру). Данные сплавы перед облучением были подвергнуты двум различным типам термической обработки: одна группа образцов была закалена с температуры 1060°С; образцы другой группы сплавов были сначала закалены с температуры 1060°С, затем состарены 5 часов при 780°С и потом состарены 16 часов при 650°С. Таким образом, образцы первой группы были в состоянии твердого раствора, вторая группа – гетерогенные сплавы после дисперсионного твердения. После облучения в узком интервале радиационных параметров (температура мишени в процессе облучения 300 – 5500С, доза 1,5.1018ион/см2) в закаленных сплавах было обнаружено существенное изменение рентгеновской дифракции (характерные изменения дифракционных линий показаны на рис.1) и увеличение микротвердости материала до 6 раз (рис.2). Рис.1. Дифрактограмма закаленного образца никелевого сплава, исходного (а) и облученного при 4500С (Ar+, 30 кэВ), 1.5 . 1018 ион/см2 (б) Также в этом интервале параметров для данного сплава были обнаружены поверхностные модулированные структуры. Дифракционные эффекты и изменения свойств (микротвердости) достигают максимума при температуре облучения 4500С. В процессе пострадиационных отжигов изменённое состояние сплавов разрушалось, что указывает на его метастабильный характер. Рис.2. Зависимость микротвердости образцов закаленного никелевого сплава от температуры облучения 1,5.1018ион/см2 (Ar+, 30 кэВ) В состаренных сплавах при температуре облучения 400°С у основания пика γ-фазы со стороны меньших углов появляется дополнительная линия. Сравнение периодов решётки, соответствующих основной и дополнительной дифракционным линиям, позволяет идентифицировать эту линию как линию γ'-фазы, которая, по-видимому, возникает в результате распада твердого раствора. После облучения состаренных сплавов оказалось, что форма линии при температурах облучения 300°С, 400°С, 450°С и 500°С несколько отличается от формы линии необлучённого образца, также несколько изменяется микротвердость. В целом, дифракционная картина и свойства сплава испытывают изменения подобные тем, что наблюдались в закаленном сплаве, однако они существенно меньше. Мы предполагаем, что формирование R-состояния связано с упругими напряжениями внутри области некоторого критического размера. Выделения второй фазы разбивают эту область на более мелкие участки, меньше критического размера, что приводит к подавлению образования R-состояния. В четвёртой главе рассматриваются радиационно-индуцированные состояния в поликристаллическом титане с разным размером зерна. Здесь также после облучения в узком интервале радиационных параметров (температур мишени) зарегистрировано образование R-состояния. Главным признаком этого состояния является возникновение нанокластерной структуры (рис. 3) с размером кластеров 15-20 нм. Одновременно было обнаружено характерное изменение рентгеновской дифракционной картины (раздвоение линий), как это наблюдалось для материалов с другими кристаллическими решетками. Рис.3. Электронная микроскопия сплава ВТ1-0 (средний размер зерна 5 мкм) облученного Ar+, 30 кэВ, 1,5∙1018 ион/см2 при температуре мишени 6500С В ходе исследований было получено, что в зависимости от исходного размера зерна максимум дифракционных эффектов сдвигается в область более высоких температур. Для образцов титана, средний размер зерна которого составляет 30 мкм, температура максимума составляет 6000С, для размера зерна 5 мкм - 6500С, 1 мкм - 7000С. Аналогичная картина наблюдается и в результатах измерения микротвердости. Значения микротвердости почти в 4 раза превышают исходные значения для образцов этого сплава. Следовательно, размер зерна определяет положение R-состояния на шкале радиационных параметров. По-видимому, это связано с тем, что критические размеры упруго напряженных областей изменяются в зависимости от изменения границы зерен. Для того, чтобы продвинуться в понимании природы полученных особых состояний, были проведены эксперименты по определению энергии активации при отжиге дефектной структуры ранее облученных ионами образцов титана со средним размером зерна 30 мкм. Оценка энергии активации проводилась по «методу сечений». После облучения сплава ВТ1-0 ионами аргона с энергией 30 кэВ до дозы 1,5.10 18 ион/см2 при температуре 7000С материал приобрел микротвердость 6 ГПа. Исходный облученный образец разрезался по облученному пятну на три части (чтобы получить три образца с точно одинаковым значением микротвердости). Далее образцы отжигались при температурах 500, 600 и 7000С. По формуле (1) были вычислены значения энергии активации для этого материала. Полученное среднее значение для оказалось равным 0,3 эВ. Полученное значение энергии активации не соответствуют характерным энергиям точечных дефектов (энергия образования точечных дефектов (вакансий) составляет примерно 1 эВ; энергия связи примесного атома с точечным дефектом меньше 0,1 эВ). Можно предположить, что наблюдаемые значения энергии активации могут быть приписаны разрушению кластерной структуры и преобразованию полиэдров в кристаллической решетке. В пятой главе объектами эксперимента являлись две различные группы сплавов на основе ванадия – сплавы системы V-Ti-Cr и V-Fe. На рис.4 представлены рентгенограммы исходного и облученного при 6500С (Ar+, 30 кэВ, 1,5∙1018 ион/см2) образцов сплава V-4Ti-4Cr. Рис.4. Дифрактограммы образца V-4Ti-4Cr, исходного (а) и облученного при 6500С (Ar+, 30 кэВ), 1.5 . 1018 ион/см2 (б) В процессе облучения форма рентгеновских пиков существенно изменялась – дифракционные пики расщеплялись на две составляющие. Данный дифракционный эффект изменяется в зависимости от дозы облучения (Ar+, 30 кэВ, 1.1017 – 2.1018 ион/см2, Тмиш=6500С), достигая своего максимума при облучении дозой 1,5.1018 ион/см2. Наблюдаемые дифракционные эффекты сопровождаются сильными изменениями свойств, в частности, упрочнением материала. На рис. 5 показаны значения микротвердости в исходных и облученных образцах. Видно, что в сплаве V-4Ti-4Cr максимальное упрочнение достигается при температуре облучения 650°С, где наблюдаются максимальные дифракционные эффекты. Значения микротвердости в 6 раз превышают исходную величину, причем в целом упрочнение коррелирует с дифракционными изменениями. Рис.5. Зависимость микротвердости образцов сплава V-4Ti-4Cr от а) температуры облучения, 1,5.1018 ион/см2, б) от флюенса ионов при Тмиш=6500С (Ar+, 30 кэВ) Абсолютные значения микротвердости, зафиксированные в области особого состояния в сплаве V-4Cr-4Ti, очень велики и, по-видимому, не могут быть объяснены в рамках какого-либо дислокационного механизма. Отсюда возникла идея об изменениях в электронной подсистеме (состояния металлической связи), индуцированных облучением, что могло бы привести к наблюдаемому изменению свойств. Для проверки этого предположения были предприняты измерения температурной зависимости термоЭДС. О состоянии электронной связи можно судить по абсолютному коэффициенту термоЭДС S(T)=-dE/dT, который представляет собой наклон температурной зависимости термоЭДС при данной температуре измерения. Измерение величины S в исследуемых образцах дает возможность судить о качественном изменении состояния металлической связи. Результаты измерений термоЭДС, выполненные при различных температурах, показаны на рис. 6 для исходного образца и образцов, облученных при различных температурах мишени. Видно, что наклон полученных температурных зависимостей термоЭДС различен. Из рис. 7 видно, что величина S(T) в нашем эксперименте изменяется немонотонно с температурой облучения и имеет минимум при температуре 6500С, где наблюдается максимальное упрочнение и максимальные дифракционные эффекты. Можно высказать предположение, что в данной температурной области уменьшается плотность электронных состояний (“диэлектризация” материала, увеличение ковалентной составляющей связи), и именно это изменение приводит к наблюдаемому упрочнению. Рис.6.Температурные зависимости термоЭДС в сплаве V-4Ti-4Cr при различных температурах облучения Рис.7. Абсолютный коэффициент термоЭДС, определенный для температуры измерения 1500С в сплаве V-4Ti-4Cr В ходе структурных исследований, в морфологии сплава V-4Ti-4Cr были обнаружены признаки пространственного упорядочения – в отдельных зернах наблюдаются полосчатые или точечные контрасты, соответствующие упорядоченной самоорганизованной структуре. Предположительно, проявление пространственного упорядочения и его тип зависят от конкретной ориентировки кристаллита. Был проведен анализ состояния дефектной структуры, возникающей в процессе ионного облучения, с параметрами, соответствующими возникновению радиационно-индуцированного состояния для сплава V-Ti-Cr. По формулам (3) были рассчитаны значения стационарной концентрации вакансий (предполагается, что при данных параметрах облучения в ускорителе гибель дефектов происходит преимущественно путем рекомбинации). При T = 923 K получено значение стационарной концентрации вакансий СV∞≈ 10-5. Расчеты показали, что R-состояние возникает, когда расстояние между вакансиями приблизительно равно 12 нм. Можно предположить, что эта величина определяет некий критический размер упруго-напряженных областей, на которые разбивается материал в данном радиационно-индуцированном состоянии. Исследование облученных образцов сплава V-10Ti-5Cr показало, что в этом сплаве в процессе облучения также происходят некоторые фазовые превращения. Однако изучение радиационно-индуцированных превращений в твердом растворе в данном сплаве затруднено, поскольку поверхность сплава оказывается покрыта слоем карбонитрида титана, соединения с большой твердостью. При температуре облучения 6000С и 7000С наблюдались некоторые изменения формы линий твердого раствора, указывающие на радиационно-индуцированные превращения, но образование карбонитрида титана, по-видимому, частично подавляет исследуемое превращение. При исследовании сплава V-5Fе было обнаружено, что структурные превращения в этом материале существенно отличны от описанных выше превращений для сплавов системы V-Ti-Cr, в частности, признаков образования особого состояния здесь не выявлено. Отличия формы линий дифрактограмм после облучения и исходной незначительны. Микротвердость данного сплава изменяется монотонно с температурой облучения, причем эти изменения также незначительны. Таким образом, фазово-структурные превращения в сплавах систем V-Ti-Cr, с одной стороны, и V-Fe, с другой стороны, оказываются существенно различными. В сплавах V-Ti-Cr развивается особое радиационно-индуцированное (R) превращение, в сплавах V-Fe оно отсутствует. Можно предположить, что в данном случае причиной различий также как и в никелевых сплавах, является присутствие второй фазы. Данная фаза (δ – фаза) присутствует на фазовой диаграмме V-Fe, в то время как диаграмма состояния тройного сплава системы V-Ti-Cr представляет собой совокупность твердых растворов.

Похожие:

	Каскады атомных соударений в сплавах на основе ванадия при радиационном воздействии Ерес с точки зрения долгосрочного прогнозирования механических свойств функциональных материалов. Непосредственным проявлением радиационного...		Подгруппа титана На долю титана приходится около 0,2% от общего числа атомов земной коры, т е он является одним из весьма распростанённых в природе...
	Учебно-методический комплекс сдм. В. 01 Профилактика и коррекция... Данный курс изучает закономерности и отклонения психической деятельности и свойств личности в сопоставлении с закономерностями формирования...		Особенности полимеризации этилена на бис(фенокси-иминных) комплексах титана различного строения Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском филиале Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского...
	Особенности формирования нефтей северо-татарского свода на основе...		Практическая работа «Выращивание кристаллов медного купороса и хлорида... А во-вторых, в результате деятельности проекта будет создана презентация «Кристаллы и их применение» и выращенные кристаллы медного...
	Методическая разработка урока физики, 8 класс 2009 г. Автор: Платонова... Урок «Кристаллические тела и особенности их строения» первый урок в теме «Изменение агрегатных состояний вещества»		Программа вступительного экзамена по направлению подготовки Шифр... Расчёт жбк по предельным состояниям. Группы предельных состояний. Суть и типы коэффициентов надежности. Характеристика. Основные...
	Бесшовной метод пластики магистральных вен пористым имплантатом из... Понятие о Священном Писании Число книг св. Библии. Деление книг св. Библии по содержанию. Способы выражения смысла Священного Писания:...		Моделирование устойчивого развития региона на основе качественного... ...
	Воронежская область в общероссийской печати Ткачева Т. Подарок под ёлкой : [месторождение никеля в Воронеж обл.] // Российская газета – 2011. – 25 янв. – С. 18		Особенности формирования новых терминосистем (на материале английской...
	Взфэи 57 2007 1000 Особенности формирования и принципы функционирования социальных внебюджетных фондов 7		Реферат по дисциплине «Психология менеджмента» Социально-психологический климат в организации. Факторы и особенности формирования
	Стюарт Мак Роберт Руки титана Учебно-методический комплекс разработан доктором философских наук, профессором кафедры философии и методологии науки Лешкевич Т....		Тематика рефератов Особенности формирования уставного капитала путем передачи прав на результаты интеллектуальной деятельности