Виявлення впливу вуглецю на міжатомну взаємодію сплавів на основі заліза і нікелю (стр. 4 из 5)
Для підтвердження ролі вуглецю у формуванні інварної аномалії провели дослідження впливу відпалу при 773 К на термічне розширення ГЦКFe-Ni і Fe-Ni-С сплавів. В сплаві з вмістом вуглецю 0,55% та концентрацією нікелю 36,1% після відпалу при 773 K в діапазоні температур 110-300 K спостерігається збільшення значення ТКЛР на 44%, табл. 4. При температурах від 300 до 500 K зберігається тенденція до збільшення <
>, але вже на 26%.Таблиця 4. Значення ТКЛР сплавів, отримані за кривими нагрівання після відпалу при 773 K
| Позначення сплаву |  | |||||
 |  |  |  |  |  | |
| Fe–36,1% Ni–0,55% C | 0,23 | 2,17 | 1,71 | 1,35 | 0,93 | 2,68 |
| Fe–29,7% Ni–0,97% C | 1,61 | 5,13 | 6,39 | 10,73 | 11,08 | 13,42 |
| Fe–30,5% Ni–1,5% C | 3,74 | 8,36 | 6,37 | 10,21 | 10,73 | 11,84 |
| Fe–30,2% Ni–0,8% Mn–1,15% C | 1,65 | 4,72 | 5,79 | 10,52 | 12,20 | 16,51 |
В сплаві з вмістом вуглецю Fe–29,7% Ni–0,97% C , після відпалу при 773 K спостерігається мартенситне перетворення при Мs = 143 K. Значення
сплаву за кімнатної температури виросло майже в два рази і наблизилось до значення в бінарному сплаву Fe-29,2% Ni.В сплаві з більшим вмістом вуглецю Fe-30,5% Ni-1,5% C також спостерігається мартенситне перетворення, але на 11 K вище по температурі ніж в сплаві з 0,97% C. При температурі 300 K значення ТКЛР в межах похибки співпадає зі значенням
для сплаву Fe–29,7% Ni–0,97% C. Проте в температурному діапазоні 300-500 K < > зросло на 6% по відношенню зі сплавом з меншим вмістом вуглецю.В сплаві з домішкою вуглецю та марганцю Fe-30,2% Ni-0,8% Mn-1,15% C, після відпалу при 773 K, спостерігається мартенситне перетворення на 4 K вище ніж для сплаву тільки з домішкою вуглецю в кількості 0,97%. Середнє значення <
> в діапазоні температур 110-500 K виросло майже на 67% по відношенню до сплаву після гартування з 1373 K. Треба відмітити, що значення мікротвердості для цього сплаву Hм понизилось лише на 10%.Таким чином, показано, що значення ТКЛР і мікротвердості залежить від відпалу, що обумовлює зменшення концентрації розчиненого вуглецю за рахунок графітизації.
4.Дослідження впливу вуглецю і марганцю на магнітну структуру сплавів Fe-Ni
Дослідження впливу вуглецю і марганцю на магнітну структуру в Fe-Ni та Fe-Ni-С сплавів методами мессбауерівської спектроскопії та малокутового розсіяння нейтронів для розширення уявлень про магнітний внесок у інварний ефект. Сплави з вуглецем є ефективним чинником, щоб вплинути на магнітну структуру в Fe-Ni сплавах.
Для вивчення розподілу надтонких полів провели мессбауерівські вимірювання сплавів в геометрії пропускання, які містять біля 30% та 36% нікелю, а також вуглець. Обробку спектрів провели за допомогою модернізованого нами метода Віндоу. Додавання вуглецю в інварний сплав Fe–36,0% Ni не змінює загальну форму спектру, а також структуру p(H) розподілу. Розчинення вуглецю підвищило низьку та середньо польові компоненти і зменшило внесок високо польової.
Наша робота з обробки спектрів інварних сплавів модернізованим методом Віндоу має важливу перевагу перед іншими, яка полягає у можливості визначення ізомерних зсувів компонент спектру з різною величиною надтонкого поля [1]. Застосовуючи цю методику, ми отримали нову інформацію стосовно значень ізомерних зсувів в сплавах Fe-Ni-C, які дають розмиті ЯГР спектри. Встановлено, що при легуванні вуглецем s-електронна щільність на ядрах атомів заліза зменшується. Це означає, що атоми вуглецю займають позиції сусідні з атомами Fe в конфігураціях з низьким вмістом нікелю, оскільки нікель збільшує термодинамічну активність вуглецю в аустеніті.
Додавання вуглецю повністю змінює магнітне упорядкування в сплаві з 30% Ni у порівнянні з малою зміною в інварі Fe-36,0% Ni. При легуванні вуглецем (сплав Fe-29,7% Ni-0,97% C)внесок високопольових компонент збільшився в порівнянні зі сплавом Fe-30,3% Ni без вуглецю . Це відбулося через зміну ближнього атомного порядку в підсистемі заміщення. Зміна порядку призводить до локального перерозподілу електронного заряду між атомом Fe та доданою домішкою, що проявляється в зміні спінової та зарядової щільності на ядрах атомів Fe. При легуванні вуглецем ізомерні зсуви складових спектру з малими полями, які відповідають конфігураціям атомів заліза і вуглецю, збільшились. Збільшення ізомерного зсуву високопольових компонент викликано атомами нікелю та збільшенням їх кількості в найближчому оточенні атомів заліза за рахунок їх перерозподілу стимульованому вуглецем.
Для встановлення впливу марганцю на розподіл надтонких полів провели мессбауерівське дослідження сплаву Fe-30,2% Ni-0,8% Mn-1,15% C. Результат з оцінки ізомерних зсувів вказує на те, що марганець збільшує s - електронну щільність на ядрах заліза, зменшуючи приблизно у два рази д у порівнянні з таким же значенням для сплавів Fe-Ni-C, і таким чином частково компенсує вплив вуглецю.
Для того, щоб підтвердити, що вуглець спричиняє зміни в магнітній структурі, провели дослідження з малокутового розсіювання нейтронів [3]. Для цього вивчалися інварні сплави Fe-30,3% Ni та Fe-30,5% Ni-1,5% C. Розмір та форма неоднорідностей оцінили, користаючись оберненим Фур'є аналізом. МКРН спостерігається як у сплаві Fe-30,3% Ni так і в Fe-30,5% Ni-1,5% C, що вказує на існування неоднорідностей в аустеніті. Нахил кривої МКРН залежить від діапазону векторів розсіювання q і наявності вуглецю в сплаві. Для апроксимації кривих МУРН був застосований експоненціальний закон:
, де A – фактор контрасту, а B – залишковий некогерентний фон. Моделювання кривих відповідно до цього закону, дозволило оцінити значення показника б у малому і великому векторі розсіювання q.Два нахили на кривих МКРН, вказують на різну структуру неоднорідностей малого та великого розміру. Для Fe-30,3% Ni сплаву величина б для великого q вище, ніж для малого q, але зберігається меншим, чим 3. Це означає, що ми маємо деякі некомпактні неоднорідності з фрактальною структурою.
Добавка вуглецю в інвар веде до зміни інтенсивності розсіювання і відповідно до нахилу кривої МКРН у всьому інтервалі q. Число і структура неоднорідностей змінюється зі зміною кількості вуглецю.
Для малих векторів розсіювання q = 0,006-0,03 значення показника б = 3,9 ± 0,1. Це означає, що МКРН для малих значень q викликане від неоднорідностей великого розміру, що характеризуються гладкими поверхнями. Такими неоднорідностями можуть бути кластери атомів C та Ni великого розміру, у тому числі і магнітні неоднорідності, що підтверджують і мессбауерівські спектри .
Таким чином, з однієї сторони головний внесок у МКРН у Fe-Ni і Fe-Ni-C сплави є магнітний, а з іншої сторони це є неоднорідності, які описуються в терміні фрактальної структури.
Для того, щоб одержати відомості про розмір та форму неоднорідностей у сплавах, дані, в інтервалі з q більшим, ніж 0,01 Е-1, були проаналізовані, користаючись методом Оберненого Фур'є Перетворення (ОФП). МКРН від зразка, що містить вуглець, вказує на формування великих неоднорідностей. Аналіз методом ОФП показав, що радіус інерції збільшується від 146 Е (14,6 нм) до 214 Е (21,4 нм).
Для розширення уявлення про вплив вуглецю на формування магнітної структури і, як наслідок, інварних властивостей, дослідили вплив відпалу на фізичні характеристики.
На початку провели дослідження сплаву з вмістом нікелю 25,3% і легованим 0,78% вуглецю. Після відпалу при температурі 773 K виник перерозподіл атомів вуглецю. Це добре видно зі зменшення інтенсивності лінії дублету сплаву Fe-25,3% Ni-0,78% C на 12%. Для того, щоб показати, що вуглець викликає надтонку структуру, проаналізували спектри, отримані від зразка з більшим вмістом нікелю 29,7% і легованим 0,97% вуглецю після старіння при 773 K . Після старіння, коли має місце кластеризація і графітизація в Fe-Ni-C сплавах, p(H) функція звужується і внутрішнє магнітне поле зменшується. Форма p(H) розподілу стає подібною до бінарного Fe-30,3% Ni сплаву. Параметр гратки аустеніту сплаву Fe-29,7% Ni-0,97% С зменшився на 0,58% після відпалу при 773 K і досяг значення для бінарного сплаву з вмістом нікелю 30,3%. Утворення графіту в Fe-Ni-C сплаві після відпалу показано металографічним методом.
В спектрі сплаву Fe-30,2% Ni-0,8% Mn-1,15% C, після відпалу при 773 K, спостерігається тотожна тенденція, що і в сплаві легованому лише вуглецем і з близьким вмістом нікелю.
Таким чином, мессбауерівські дані та результати дослідження МКРН показали формування неоднорідної магнітної структури під впливом C, що корелює з даними дилатометричного аналізу термічного розширення сплаву Fe-Ni-C.
5. Вплив вуглецю на міжатомний зв’язок
Провели дослідження впливу вуглецю на швидкість ультразвуку і пружні модулі в легованому Fe-Ni-Cr-Mn-C аустеніті. Отримані значення пружних модулів
, 
, 
, а також характеристичної температури 
добре узгоджуються з літературними даними отриманими в мессбауерівських дослідженнях температурних залежностей параметрів надтонкої взаємодії в ГЦК Fe-Ni-C та Fe-Mn-C сплавах. Але виявилося, що та не постійні і змінюються немонотонно в межах 2 % в залежності від концентрації C. Зокрема, зменшення характеристичної температури знаходиться в межах 2 - 3 K. Зменшення пружних модулів та на перший стадії, з підвищенням концентрації вуглецю до 0,2 – 0,3 % , може означати послаблення міжатомної взаємодії в аустеніті, а зростання величин та вказує на зростання взаємодії Me-Me. Але слід зазначити, що мікротвердість аустенітних сталей в цьому інтервалі концентрацій зменшується на 26 %.