MENU
Главная » Файлы » Научные статьи » 02.00.00 Химические науки

Влияние импульсных магнитных полей на структуру и прочностные свойства сплавав Fe-Si-Al. Шипко М.Н. , Степович М.А., Игошин И.П.
25.05.2012, 21:43
Влияние импульсных магнитных полей на структуру и прочностные свойства сплавав Fe-Si-Al.
Шипко М.Н. , Степович М.А., Игошин И.П., Костюк В.Х., Староверов Б.А.

Ивановский филиал ФГБОУВПО "Российский государственный торгово-экономический университет"

ФГБОУВПО "Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина"

Приведены экспериментальные результаты исследования влияния импульсных магнитных полей на кристаллическую структуру и свойства сплавов Fe-Si-Al.

Установлено, что после магнитоимпульсной обработки повышается твердость и трещиностойкость сплавов. Это связано с воздействием магнитного поля на спиновую систему материала, стимулирующую снижение концентрации вакансий.

Ключевые слова: импульсы, магнитное поле, спектроскопия, вакансии, сплав, спиновая система.

THE INFLUENCE OF PULSED MAGNETIC FIELDS ON THE STRUCTURE AND MECHANICAL STRENGT IN ALLOYS OF Fe-Si-Al SYSTEM

M.N. Shipko 1, 2, M.A. Stepovich 1, J.P. Igoshin 2, V.H. Kostyuk2, B.A.Staroverov

1 Ivanovo branch FGBOUVPO "Russian State Trade and Economic University"

2 FGBOUVPO "Ivanovo State Power University. VI Lenin "

The experimental results of the study the influence of pulsed magnetic fields on the crystal structure end mechanical strength of precision alloys Fe-Si-Al.

Found that after the magnetic-pulse treatment increases the hardness and crack resistance of alloys. It is shown that changes in the strength characteristics of the alloy due to the impact of a magnetic field on the spin system of the material, enabling reduction of the concentration of vacancies.

Keywords: pulses, magnetic field, spectroscopy, vacancy, an alloy, the spin system.

До сих пор широко распространено мнение, что слабое магнитное поле при комнатной температуре не в состоянии оказать существенное влияние на структуру и свойства сплавов[1-3]. Действительно, в таких системах можно рассчитывать лишь на эффекты, связанные с воздействием магнитного поля на магнитные моменты атомов[4]. Вместе с тем изменяя спиновое состояние атомов можно существенно изменить энергетическое состояние точечных и линейных дефектов. В частности под влиянием импульсного магнитного поля можно существенно изменить подвижность дислокаций из-за их взаимодействия с границами доменов, движущимися при намагничивании[5].В результате изменяется пластичность материалов и другие их физико-механические свойства. Отметим, что многие авторы объясняют полученные экспериментальные результаты в рамках теории вязкости электронного газа или электрон-дислокационного трения[6]. Однако эти интерпретации нельзя считать исчерпывающими из-за их значительного несоответствия экспериментальным данным. Это свойственно, прежде всего, для сплавов находящихся в метастабильном состоянии или обладающих упорядоченным расположением атомов и дефектов (вакансий). К таким материалам относятся сплавы системы Fe-Si-Al.

Сплавы на основе системы Fe-Si-Al находят применение в узлах приборов точной механики. В виду высокой склонности к хрупкому разрушению этих материалов в приборах может происходить неконтролируемое разрушение или ухудшение качества узлов в процессе эксплуатации. Поэтому поиск путей их "холодного" упрочнения является актуальным. Среди способов "холодного" упрочнения наиболее широкое распространение получили методы радиационной, электромагнитной обработки, обработки давлением. Несомненный интерес представляет и магнитоимпульсная обработка, которая используется для упрочнения режущих инструментов; узлов машин. Обнаруженные эффекты упрочнения при магнитоимпульсном воздействии можно разбить на три группы: проявляющиеся во время магнитоимпульсного воздействия, необратимые постэффекты или релаксирующие со временем. Имеющиеся данные свидетельствуют о возможности применения низкочастотного импульсного поля для повышения пластичности сплавов Fe-Si-Al. Однако механизмы его влияния на свойства и структуру сплавов остаются не выясненными.

Целью настоящей работы являлось исследования влияния импульсов магнитного поля на локальные характеристики кристаллической решетки и физико-механические свойства сплава Fe-Si-Al имеющего состав (вес %): 9,4 Si; 5,2 Al; остальное Fe. Особое внимание уделено данным по влиянию количества импульсов на трещиностойкость и твердость сплава при их частоте 10-30 Гц и напряженности(0?100 кА/м).

Обработка сплавов проведена в установке с системой автоматического управления параметрами импульсов. В процессе обработки регулировали амплитуду импульсов, их длительность, а также интервалы между импульсами. Исследование локальных характеристик кристаллической решетки выполнено методом мёссбауэровской спектроскопии на ЯГР-спектрометре MS-1104EM с автоматической обработкой ЯГР-спектров по программе UnivemMS; изомерный сдвиг спектров определяли относительно ?-Fe. Структура и элементный состав образцов изучались в растровом электронном микроскопе Tescan Vega II XMU с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром INCAx-sight. Микротвердость, пористость образцов и распределение пор по размерам выполнены стандартными методами.

В результате проведённых исследований установлено, что после обработки в низкочастотном импульсном магнитном поле прочностные характеристики материала (твердость и нагрузка появления трещин) повышаются.

Рис. 1. Мёссбауэровские спектры Fe3(SiAl): до (а) и после (b) магнитоимпульсной обработки

Так, в исходном сплаве трещины появляются при нагрузке 50 Н, а после обработки - при нагрузке 150 Н; в 1,5…1,8 раза возрастает и микротвердость сплава. Изменение этих величин связывается с перераспределением внутренних напряжений вследствие упорядочения вакансий и изменения дислокационной структуры сплава [6]. ЯГР-спектрометрия показала, что в процессе магнитоимпульсной обработки происходит изменение ближайшего окружения атомов железа. На рис.1 показаны спектры исходного образца Fe3(SiAl) и этого же образца после магнитноимпульсной обработки.

Оба спектра были разложены на составляющие секстеты с использованием вышеуказанной программы обработки ЯГР-спектров. Наилучшее согласие экспериментального и расчетного спектров оказалась при варианте представления спектра (как до, так и после магнитоимпульсной обработки) на 5 секстетов. Для лучшей сопоставимости образцов до и после электроимпульсной обработки при разложении спектров задавалась равная ширина для всех секстетов. Для лучшей сопоставимости образцов до и после электроимпульсной обработки при разложении спектров задавалась равная ширина для всех секстетов.

Параметры компонентов спектров: изомерный химический сдвиг , квадрупольное расщепление , магнитное поле Н на ядрах Fe57, ширина резонансных линий и площади секстетов, пропорциональные неэквивалентным положениям ионов железа в структуре Fe3(SiAl), - приведены в таблице1.

Таблица.1. Параметры мессбауэровских спектров Fe3(SiAl) до и после магнитоимпульсной обработки образца

Образец Fe3(SiAl) Компонента спектра Изомерный сдвиг *, мм/с Квадрупольное расщепление

*, мм/с

Магнитные поля на ядрах Fe57 H, кЭ Площади компонент S, %.

Ширина линии



До обработки С1 0,08 -0,04 298 23,2 0,45

С2 0,02 0,00 276 13,0 0,45

С3 -0,01 0,16 230 5,6 0,45

С4 0,23 -0,03 202 50,9 0,45

С5 0,30 0,14 140 7,3 0,45

После обработки С1 0,07 -0,02 295 26,4 0,49

С2 0,02 0,01 269 10,2 0,49

С3 0,03 0,05 223 5,7 0,49

С4 0,23 -0,01 202 52,2 0,49

С5 0,35 0,21 136 5,5 0,49

Погрешность 0,01

0,03

3



Из данных таблицы следует, что в процессе магнитоимпульсной обработки происходит изменение ближайшего окружения атомов железа. В частности, увеличивается число атомов Fe имеющих в ближайшем окружении 8 и 4 атома железа - см. секстеты С1, ?-узлы и секстеты С4, ?-узлы соответственно; одновременно уменьшается число атомов железа, имеющих в первой координационной сфере 7 и 3 атома Fe. Это свидетельствует об увеличении заселенности этих положений атомами железа и, соответственно, уменьшением вакансий в узлах ? и ? и как следствие, дополнительного упорядочения сплава. Обработка спектров не позволила обнаружить больших изменений параметров их сверхтонкой структуры: магнитного поля Н на ядрах Fe5+ и изомерного сдвига ?. Незначительные изменения этих параметров наблюдаются для секстиплета С3 в окружении 6 Fe и 2 вакансий. Вместе с тем, для таких атомов железа заметно уменьшается величина квадрупольного расщепления (с 0,16 до 0,05 0,03 мм/с).

Выполненные исследования показывают, что магнитоимпульсная обработка является эффективным способом воздействия на физико-механические свойства упорядочивающихся прецизионных сплавов. В результате такого воздействия удаётся повысить твёрдость сплава в 1,5…1,8 раза, а его трещиностойкость - в 3 раза. Причиной этого упрочнения может являться воздействие импульсов магнитного поля на спиновую систему материала, вследствие чего возникают добавочные упругие напряжения, стимулирующие снижение концентрации вакансий, переползание дислокаций и дополнительное упорядочение сплава.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нацик В.Д. Торможение дислокаций электронами в сильных магнитных полях // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1974, Т. 67, С.240.

2. Большуткин Д.Н. и др. Низкотемпературная пластическая деформация меди и алюминия в магнитных полях до 27 кЭ // Физика низких температур. 1975, Т. 1, С.1414.

3. Большуткин Д.Н., Досиенко В.А., Ильичёва В.Я. Низкотемпературная пластическая деформация никеля в магнитных полях до 34 кЭ // Физика низких температур. 1976, Т. 2, С.256.

4. Фокина Е.А. Влияние магнитного поля на фазовые превращения в сталях / Фазовые превращения и структура металлов и сплавов. М.: АН СССР, 1982, С.46-53.

5. Freeman A.J., Frankel R.B. Hiperfine interactions. New York: Academic Press, 1970. 367 p.

6. Шипко М.Н., Помельникова А.С., Шипко Г.А. Физико-химические особенности технологий поверхностного упрочнения сталей и сплавов. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2008. 143 с.
Категория: 02.00.00 Химические науки | Добавил: GOD | Теги: Fe-Si-Al., импульсных, полей, магнитных, сплавав, прочностные, на, структуру, влияние, свойства
Просмотров: 3291 | Загрузок: 0 | Комментарии: 3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]