Сплавы с особым коэффициентом линейного расширения (стр. 1 из 3)

Министерствообразованияинауки, молодежииспортаУкраины

Приазовскийгосударственныйтехническийуниверситет

Кафедраматериаловедения

домашнеезадание

по дисциплине Специальные стали и сплавы

на тему:Сплавы с особым коэффициентом линейного расширения

температурный коэффициент упругость сплав

Введение

Среди конструкционных материалов важное место занимают инварные ГЦК-сплавы на основе системы Fe-36% Ni,для которых свойственно аномально низкое термическое расширение в диапазоне температур 4.2-300 К. Кроме того, они обладают низкими значениями модулей упругости, теплопроводности, а так же большой объемной магнитострикцией и теплоемкостью. Благодаря низкому значению температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), инварные сплавы находят широкое применение в различных областях техники, где предъявляются высокие требования к термической стабильности размеров изделия. [1]

1. Происхождение и особенности инварных аномалий физических свойств

Под инварными аномалиями физических свойств подразумеваются малые значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), положительные или нулевые величины температурных коэффициентов модулей упругости, большие положительные значения спонтанной магнито-стрикции и магнитострикции парапроцесса, значительное уменьшение температуры магнитного упорядочения и намагниченности под действием давления и т.д. В инварах эти параметры, как правило, по абсолютной величине на порядок больше, чем у обычных ферромагнетиков [2].

Еще не так давно к инварам относили лишь сплавы на основе γ-Feсистем Fe-Ni, Fе-Со, Fe-Pt, Fe-Pdи Fe-Mn. К настоящему времени инвароподобные свойства обнаружены в большом числе сплавов и соединений не только с кристаллической решеткой, но и с аморфной структурой. Из веществ с кристаллической структурой инвароподобные характеристики имеют сплавы с ГЦК-решеткой (на основе Fe-Ni), ОЦК-решеткой (Fе-Со), сложной кубической ре шеткой (фазы Лавеса ZrFe2, РЗМСо₂), с гексагональной решеткой (РЗМFе₁₇). Инвароподобные свойства характерны для материалов с маг нитным упорядочением второго рода (γ-Fe-Ni), первого рода (НоСо₂, ЕгСо₂) и для сплавов Сг-Fе, Сг-Fе-Мnи соединений Mn-As_1-xSb_xу которых основа Сг и MnAsимеет фазовый магнитный переход первого рода. В инвары включены зонные ферромагнетики на основе Зd-переходных металлов (сплавы на основе γ-Fe) и соединения РЗМСо, и РЗМFе₁₇, у которых часть электронов-носителей магнитного момента (4f-электроны) локализованы. Инвароподобные характеристики обнаружены не только в сплавах на основе или с участием Ре, но и в сплавах и соединениях, не имеющих в своем составе Fе, таких ZrZn₂, Ni-Pt, Ni₃Al, НоСо₂ и т.д.. Инвароподобными свойствами обладают как вещества с концентрационной негомогенностью (γ-Fe-Ni), так и соединения с концентрационной гомогенностью (фазы Лавесса). К инварам исследователи относят очень слабые зонные ферромагнетики (ZrZn, NiTi, Fe₃Al), слабые зонные ферромагнетики (γ-Fe-Ni) и сильные зонные ферромагнетики (Fе-Рt, Fе-Рd), а также антиферромагнетики (γ-Fe-Mn, Cr-Mn)[2].

Из изложенного выше видно, что инварный эффект не связан с определенным кристаллическим строением вещества, типом магнитного упорядочения, гомогенностью или негомогенностью твердого раствора, он является многогранным часто встречающимся в природе явлением.

По характеру физических свойств γ-Fe-Niсплавы можно разделить на три группы:

1.Niи Fe-Niсплавы, содержащие 70% Niи выше.

2.Средненикелевые сплавы с концентрацией Ni~45%-~70%.

3.Инвары с содержанием ~ Ni28% -~5%.

В сплавах 1 группы слабые магнитообъемные аномалии наблюдаются только в окрестностях Т_с. По мере приближения в сплавах содержание № к ~70% отмеченные аномалии ослабевают до пол ной ликвидации (рис. 1.1)при этом разный характер зависимостей ω_s(T²) в интервале ∆Tи ниже T_kнивелируется.

В итоге при 70%Niβ= 0 при всех температурах ниже Т_с. Практическое совпадение J_s/J₀ (T/T_c)сплавов 1 группы, особенно близких к 70%Ni, с функцией Бриллюэна B^1/2 свидетельствует, что хотя эти сплавы относятся к зонным ферромагнетикам, температурная зависимость J_sформируется в основном за счет пере ориентации магнитных моментов вдоль векторов намагничивания доменов при практическом постоянстве их величины при температурах ниже Т_с. Это мнение подтверждается термодинамическим анализом магнитных вкладов в физические свойства Niв работе [3], в которой показано, что ферромагнетизм № удовлетворительно описывается как зонной, так и локализованной моделями. Отмеченное выше, и максимально возможные значения μ₀ и J₀, их совпадения с кривой C-П дало основание считать Niи сплавы 1 группы сильны ми зонными ферромагнетиками [3]. Несколько более высокие значения μ_BNiв парамагнитном состоянии по сравнению с ферромагнитным дает основание предполагать, что в окрестностях Т_свозможно некоторое перераспределение электронов между Зd-подзонами, вызывающими те небольшие магнитообъемные эффекты в окрестностях T_с, которые отмечены выше. В сплавах 3 группы - инварах, несмотря на ослабление магнитообъемных аномалий при ферромагнитном упорядочении (рис. 1.2), постоянство коэффициента Р во всем температурном интервале от Т_сдо 4.2 К свидетельствует о единстве природы ферромагнитного состояния при всех температурах ниже Т_с.

Fе-Niинвары традиционно относят к слабым ферромагнетикам , так как их средние магнитные моменты не обладают максимально возможными значения ми, а μ_в и J₀ не ложатся на кривую С-П. В настоящее время установлено, что в этих сплавах магнитный момент появляется еще в парамагнитном состоянии благодаря спиновым флюктуациям и возрастает при переходе температуры через Т_си далее вплоть до глубокого охлаждения. Сравнение поведения μ_в Niи инваров дает основание утверждать, что знак коэффициента β, α, следовательно, и знак магнитообъемных аномалий определяются характером изменения μ_в при переходе сплава из парамагнитного состояния в ферромагнитное. В сильном ферромагнетике- Niболее высокое значение μ_в в парамагнитном состоянии по сравнению с ферромагнитным обеспечивают отрицательный знак коэффициента β.

В работе [1] установлено, что для γ-Fe-Niсплавов характерно, что в слабом ферромагнитном состоянии спонтанная магнитострикция обратнопропорциональна квадрату температуры, а коэффициент спонтанной магнитострикции имеет положительное значение. В сильном ферромагнитном состоянии при температурах ниже t_к в γ-Fe-Niсплавах магнитный вклад в ТКЛР практически не обнаруживается и только в узкой области температур, примыкающей к Т_с , спонтанная магнитострикция сплавов по составу близких к Niпропорциональна квадрату температуры, а коэффициент спонтанной магнитострикции имеет малые значения и отрицательный знак.

2.Теплофизические и механические свойства сплавов инварного класса системы Fe-Ni-C

Сплавы, содержавшие 28 - 40 % Ni и 0,1 - 1,0 % С, изучали в аустенит-ном состоянии после закалки от 1130 °С в воде. Фазовый состав определяли рентгеновским и металлографическим методами, а также методом ЯГР. По мере увеличения содержания углерода в сплавах, содержавших менее 34 % Ni, происходило снижение уровня ТКЛР (рис. 2.1), а концентрация никеля, отвечавшая минимальному значению ТКЛР, уменьшалась, причем его значение несколько росло.

Очень важно, что добавки углерода в железоникелевые сплавы расширяют температурный диапазон, в котором сохраняется пониженное значение ТКЛР.

На рис. 2.1 в качестве примера приведены результаты, иллюстрирующие влияние углерода на твердость железоникелевых сплавов с 34 % Ni. Видно, что с повышением его содержания твердость сплавов возрастает, что обусловлено искажениями кристаллической решетки, увеличением сил трения, препятствующих движению дислокаций. Легирование углеродом ведет также к уменьшению энергии дефектов упаковки, затрудняет поперечное скольжение, вызывая тем самым упрочнение.[5]

3.Атомно-кристаллическая структура сплавов системы Fe-Ni-C

Методом ЯГР изучали тонкую магнитную и атомную структуры сплавов, содержавших 28 - 35 % Niи 0,1 - 1,0 % С в аустенитном состоянии. Оказалось, что с увеличением содержания углерода средняя вели чина сверхтонкого магнитного поля на ядрах ⁵⁷Ре воз растает, происходит также уширение линий сверхтонкого расщепления вследствие флуктуации сверхтонко го магнитного поля около средней величины.

Результаты мессбауэровских исследований сплавов свидетельствуют об их магнитной негомогенности в закаленном состоянии. При этом имеется несколько типов локальных атомных конфигураций железа, которым соответствуют разные значения сверхтонких магнитных полей. С увеличением концентрации никеля и углерода магнитная негомогенность усиливается.

Детальный анализ кривых распределения сверх тонких полей Р(Н) позволяет выявить пять наиболее вероятных значений H_cв(рис. 3.1). В частности, для сплава 70НЗЗ они близки к 17,5; 19,1; 20,7; 23,1 и 25,5 МА/м. Формирование таких полей обусловлено образованием локальных конфигураций железа, имеющих в своем окружении разное число атомов никеля и углерода. Атомы железа, находящиеся в таких конфигурациях, имеют разные магнитные моменты. Конфигурации со сверхтонким полем 17,5 МА/м могут быть связаны с атомами железа, находящимися в окружениях, близких к окружению атомов железа в цементите. Конфигурации с полем 20,7 МА/м связаны с атомами железа, не имеющими в ближайшем окружении атомов угле рода, а окруженными только никелем. Наконец, кон фигурации с полями 23,1 и 25,5 МА/м могут быть связаны с атомами железа, находящимися в окружении как никеля, так и углерода, причем с разным числом атомов никеля и углерода в них.