КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-13-00908

НазваниеДеформационно-индуцированные циклические превращения «растворение-выделение дисперсных фаз» при различных температурах и модифицирование сплавов на основе железа

РуководительСагарадзе Виктор Владимирович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2014 г. - 2016 г. 

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые словаСплавы, температура деформации, междоузельные атомы, диффузия, дислокационный массоперенос, кинетика растворения фаз, модифицирование структуры и свойств, электронная микроскопия, мессбауэровская спектроскопия

Код ГРНТИ59.49.13


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект посвящен решению актуальной и научно значимой задачи – выяснению природы аномальных диффузионных фазовых превращений, сопровождающих деформационное наноструктурирование сплавов на основе железа при разных температурах интенсивной деформации (77-500 К и выше). Будет выяснен структурный механизм и кинетика растворения и выделения дисперсных фаз с разной энергией межатомной связи (интерметаллидов, карбидов, нитридов и оксидов) в матрице сплавов в условиях деформационной генерации большого количества вакансий и междоузельных атомов. Соотношение между неравновесными процессами растворения фаз и равновесными процессами их выделения зависит от температуры и степени деформации. Поэтому важнейшим шагом в исследовании деформационно-индуцируемого «растворения-выделения» упрочняющих частиц является установление температурно-кинетических зависимостей этих процессов, в чем, в основном, и заключается новизна представляемого проекта. Знание закономерностей таких деформационно-индуцированных превращений позволит модифицировать структуру и свойства с помощью нанотехнологических процессов и увеличить характеристики прочности, износостойкости и жаропрочности новых сплавов на основе железа.

Ожидаемые результаты
Будут получены экспериментальные и теоретические результаты мирового уровня по структурному механизму и кинетике процессов аномального растворения дисперсных частиц с разными энергиями и типами межатомной связи (интерметаллиды, карбиды, нитриды и оксиды) в различных матрицах специальных сплавов на основе железа в зависимости от температуры и степени деформации. Планируется определить релаксационные процессы, связанные с выделением вторичных нанофаз в сплавах железа в условиях генерации большого количества точечных дефектов, как непосредственно в процессе деформации при разных температурах, так и в условиях последующего высокотемпературного отжига. Будут выяснены закономерности деформационного модифицирования новых сплавов (с повышением характеристик длительной прочности и фрикционной стойкости) при образовании упрочняющих наноразмерных фаз, что имеет не только научную, но и практическую значимость. Планируется опубликовать серию из 7 научных статей в журналах, индексируемых в Web of Science.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Методами мессбауэровской спектроскопии, магнитометрии и трансмиссионной электронной микроскопии проанализированы процессы деформационно-индуцированного «растворения-выделения» интерметаллидов в аустенитных сплавах на Fe-Ni основе при разных температурах и степенях деформации. Выяснены также особенности поведения нитридов хрома, цементита и оксидов железа в процессе низкотемпературного (~300К) деформационного воздействия в аустенитных сплавах на основе cистем Fe-Mn и Fe-Cr-N, Fe-Cr-Mn. 1. Обнаружена аномальная интенсификация процессов растворения наночастиц когерентной γ’-фазы Ni3Ti в состаренной аустенитной стали Н36Т3 при снижении температуры интенсивной деформации прокаткой (ε ~ 3,2) от 573 до 77 К. Растворение фазы Ni3Ti фиксируется по значительному повышению температуры Кюри и увеличению среднего поля на ядре 57Fe (от 142 до 234 кЭ) в Fe-Ni-Ti матрице в условиях криогенной деформации. Усиление аномальных процессов деформационного растворения γ’-фазы Ni3Ti при их взаимодействии с дислокациями связано с подавлением (при криогенных температурах 203 и 77 К) альтернативных диффузионных процессов выделения частиц интерметаллидов, инициируемых точечными дефектами деформационного происхождения. 2. Обнаружен эффект деформационного растворения карбидов (Fe, Mn)3C в аустените стали Гадфильда (110Г13) в условиях трения скольжения при ~300К. Данный эффект проявляется в возникновении после деформации на рентгеновских дифрактограммах стали, отпущенной на структуру тонкопластинчатой карбидной фазы, новых линий, принадлежащих аустениту с необычно большим параметром кристаллической решетки (а=0.3660-0.3680 нм). Возникновение рассматриваемого аустенита является результатом инициированного деформацией растворения дисперсных частиц (Fe,Mn)3C, которое приводит к локальному обогащение аустенита углеродом и марганцем. 3. Получены объемные образцы железа, дисперсно-упрочненного оксидами (ДУО) железа, с использованием деформационно-идуцированного растворения поверхностных оксидов в порошковой матрице ОЦК-железа при обработке в шаровой мельнице. Спеченные образцы ДУО-железа имеют прочностные характеристики (временное сопротивление 490 МПа) почти в 2 раза более высокие, чем В спеченного чистого железа (255 МПа).

 

Публикации

1. Сагарадзе В.В., Шабашов В.А., Коршунов Л.Г. и др. отправлены 3 статьи в журнал ФММ, индексируемый в Web of Sciebce журнал Физика металлов и металловедение, - (год публикации - 2015)


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1. Обнаружено аномальное деформационно-индуцированное растворение интерметаллидов Ni3Al в матрице аустенитных сплавов Fe-Ni-Al при криогенной температуре 77 К в процессе деформации ( е ~ 3.4) сдвигом под высоким давлением в среде жидкого азота, которое сменяется деформационно-индуцированным выделением интерметаллидов при повышении температуры деформации до 473-573 К. 2. Выполнен диффузионный расчет температур, при которых возможно деформационно-индуцированное растворение интерметаллидов типа Ni3Ti(Al) в сплавах на Fe-Ni основе за счет дрейфа атомов (Ni) в поле напряжения дислокаций, пересекающих частицы. Показано, что диффузия междоузельных атомов в виде краудиона может проходить при 77 К. Диффузия гантельной пары междоузлий вслед за дислокациией возможна приблизительно при 173 К и выше, а диффузия по вакансионному механизму может осуществляться только при сравнительно высоких температурах, приблизительно 723 К и выше. 3. При 77 и 300 К сопоставлена кинетика деформационно-индуцированного растворения карбидов (Fe,Mn)3C и нитридов Cr2N в состаренных сплавах Fe-13Mn-1.1C и Fe-22Cr-1.2N. По увеличению параметра решетки аустенита обнаружено растворение карбидов и нитридов в процессе деформации при 300 К, которое практически отсутствует в сплаве Fe-13Mn-1.1C в условиях деформации при 77 К. Показано, что низкотемпературная деформация состаренной стали Гадфильда (Fe-13Mn-1.1C) осуществляется не только за счет дислокационного скольжения, но и в результате мартенситного превращения γ→ε. Вероятно при дислокационном скольжении имеет место существенно большая генерация междоузельных атомов, ответственных за растворение частиц второй фазы, чем при кооперативном мартенситном превращении. 4. Получены первые результаты по экспериментальному выявлению типов точечных дефектов, образующихся в процессе деформации при 77 К в аустенитном сплаве Fe-36 мас. % Ni с помощью анализа температурной зависимости электросопротивления. Показано, что в закаленном сплаве Fe-36 Ni изменение (подъем) электросопротивления начинается только при температуре 700 К, а в деформированном (при 77 К) образце электросопротивление падает при нагреве от температуры деформации (77 К) до 140 К, что связано с миграцией и отжигом междоузельных атомов («размораживание» и миграция вакансий в облученном сплаве Fe-36Ni начинается только выше 220 К).

 

Публикации

1. Коршунов Л. Г., Сагарадзе В. В., Черненко Н. Л., Шабашов В. А. СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ КАРБИДНОЙ ФАЗЫ В СТАЛИ ГАДФИЛЬДА, ИНИЦИИРОВАННЫЕ ФРИКЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ Физика Металлов и Металловедение, том 116, №8, с. 867-973 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.7868/S0015323015080094

2. Сагарадзе В. В., Шабашов В.А., Козлов К. А., Катаева Н. В., Завалишин В. А., Афанасьев С. В., Заматовский А. Е., Литвинов А. В., Ляшков К. А. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ДЕФОРМАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ В СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Физика Металлов и Металловедение, том 116, №10, с. 1056-1068 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.7868/S0015323015080148

3. Шабашов В. А., Сагарадзе В.В., Литвинов А. В., Заматовский А. Е. РЕЛАКСАЦИЯ СТРУКТУРЫ Fe–Ni СПЛАВОВ ПРИ ИНДУЦИРОВАННОМ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ МЕХАНИЧЕСКОМ СПЛАВЛЕНИИ Физика Металлов и Металловедение, том 116, №9, с. 918-927 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.7868/S0015323015090156


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. Проведено сопоставление процессов растворения различных интерметаллидов Ni3Ti(Al, Si, Zr) при низкотемпературной деформации и нейтронном облучении. Показано, что повышение температуры воздействия от 77 до 423-573 К приводит к преобладанию альтернативного процесса выделения интерметаллидов, усиленного генерацией точечных дефектов деформационного и радиационного происхождения. 2. Мессбауэровским методом подтвержден диффузионный переход атомов азота из нитридов хрома Cr2N (CrN) в аустенитную матрицу в процессе деформации состаренной стали 08Х22ГА1.24, что связано с деформационным растворением нитридов. В ЯГР спектре наблюдается увеличением площади дублета, имеющего сверхтонкие параметры, близкие параметрам дублета от внедрений азота в окраэдрические междоузлия ГЦК железа. 3. Показано, что деформация при 77 К сдвигом под давлением 8 ГПа отожженного при 873 К, 1 ч, сплава Fe-36Ni-0.5C вызывает увеличение среднего магнитного поля <H> на ядре 57Fe <H> вследствие растворения углеродсодержащих частиц (графита) с проникновением атомов углерода в положения внедрения в матрице аустенита с ГЦК решеткой. Деформация при температурах 473 и 573 К в сплавах с углеродом (Fe-36Ni-0.5C, Fe-36Ni-1.14C), напротив, снижает значения <H> и активизирует выход углерода из ГЦК матрицы. Таким образом, качественно температурная зависимость процессов «растворении-выделения» содержащих углерод частиц при интенсивной деформации в сплавах на основе железа аналогична процессу «растворения-выделения» интерметаллидов, что связано с влиянием температуры деформации на генерацию и миграцию междоузельных атомов и вакансий. 4. С помощью резистометрических исследований показано, что при отжиге от 80 до 530 К после низкотемпературной (70-80 К) деформации или электронного облучения в сплаве Fe-36Ni наблюдается миграция междоузельных атомов (70-140 К), вакансий (200-240 К), а также диссоциация вакансионных комплексов (240-530 К). Полученные экспериментальные результаты позволяют связать деформационно-индуцированные низкотемпературные диффузионные процессы (например растворение интерметаллидов при 77 К в сплавах Fe-Ni-Al, Ti) c миграцией междоузельных атомов Ni, Al, Ti из частицы в матрицу в поле напряжения движущихся дислокаций. 5. Получены объемные образцы железа, дисперсно-упрочненных нанооксидами железа (FeO) со средним размером 4.5 нм, по предложенной новой прогрессивной технологии механического легирования порошка железа с использованием в качестве носителя кислорода поверхностных окислов. Показано, что предел текучести σ0.2 модифицированного железа после механического легирования, компактирования, спекания и отжига при 1273-1373 К составляет 570-615 МПа, что близко к пределу текучести реакторной стали ЭП 450-ДУО. С использованием поверхностного окисления порошка получены первые микрообразцы модифицированной реакторной стали Х13В2-ДУО с бимодальным распределением Y-Ti оксидов со средними размерами 22 с концентрацией ~1.6•10 в 21 м-3 и 2.5 нм с концентрацией ~2•10 в 23 м-3, что по структуре близко к упрочненной стали ЭП 450-ДУО. Для реализации оптимальных свойств на перспективных для реакторной энергетики жаропрочных сталях типа Х13В2-ДУО, в том числе на объемных образцах, необходимы дальнейшие исследования. 6. Обнаружен аномально низкий коэффициент трения (f~0.15) в стали Гадфильда с 1.2 мас.% углерода в процессе сухого трения скольжения одноименных пар при температурах 77 - 273 К в газообразном и жидком азоте. Микроанализ состава показал, что на поверхности трения образцов стали Гадфильда, испытанных в среде азота при разных температурах, встречаются участки, содержащие до 0.5-1.0 мас.% азота и кислорода. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости подробного исследования природы наблюдаемого аномально низкого коэффициента трения в стали Гадфильда с целью создания новых антифрикционных материалов на основе железа.

 

Публикации

1. Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Черненко Н.Л. Structural and phase transformations in Hadfield steel upon frictional loading in liquid nitrogen The Physics of Metals and Metallography, VOL. 117, NO. 8, P. 828-833 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S0031918X16080068

2. Сагарадзе В.В., Шабашов В.А., Катаева Н.В., Завалишин В.А., Козлов К.А., Кузнецов А.Р., Литвинов А.В., Пилюгин В.П. Deformation-induced dissolution of the intermetallics Ni3Ti and Ni3Al in austenitic steels at cryogenic temperatures Philosophical Magazine, VOL. 96, NO. 17, P. 1724–1742 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1080/14786435.2016.1162915

3. Сагарадзе В.В., Шабашов В.А., Катаева Н.В., Козлов К.А., Кузнецов А.Р. Аномальные диффузионные превращения в сталях в процессе наноструктурирования при холодной деформации Наноматериалы и технологии: Сборник трудов международной научно-практической конференции (Улан-Удэ, 22-26 августа 2016.) / науч.ред. Б. Б. Дамдинов, В. В. Сызранцев. – Улан-Удэ: Издательство БГУ, 2016, С. 216-220 (год публикации - 2016)

4. Сагарадзе В.В., Шабашов В.А., Катаева Н.В., Козлов К.А., Кузнецов А.Р., Литвинов А.В. The anomalous diffusion processes «dissolution-precipitation» of the γ′ Phase Ni3Al in an Fe–Ni–Al alloy during low-temperature deformation Materials Letters, Volume 172, Pages 207–210 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.11.078

5. Шабашов В.А., Козлов К.А., Ляшков К.А., Заматовский А.Е., Титова С.Г. Deformation-Intensified Atomic Separation in bcc Fe–Mn Alloys The Physics of Metals and Metallography, VOL. 117, NO. 12, P. 1206–1218 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S0031918X16120139

6. Шабашов В.А., Сагарадзе В.В., Заматовский А.Е., Пилюгин В.П., Козлов К.А., Литвинов А.В., Катаева Н.В. Dynamic aging in an Fe–Ni–Al alloy upon megaplastic deformation. Effect of the temperature and deformation rate The Physics of Metals and Metallography, VOL. 117, NO. 8, P. 805-816 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S0031918X16080147


Возможность практического использования результатов
не указано