Неоднородные структурные состояния в сплавах на основе железа c магнитомеханическим взаимодействием: корреляция физических и инженерных свойств

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 проекта 19-72-20080

НазваниеНеоднородные структурные состояния в сплавах на основе железа c магнитомеханическим взаимодействием: корреляция физических и инженерных свойств

Руководитель Головин Игорь Станиславович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-210 - Взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейтронов с конденсированным веществом

Ключевые слова Сплавы на основе железа, атомное упорядочение, структурное расслоение, неоднородные наноструктурные состояния, дифракция нейтронов

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интерметаллиды и упорядочивающиеся сплавы на основе железа относятся к категории функциональных материалов, физические и инженерные свойства которых в значительной степени зависят от их конкретной атомной структуры, объемного содержания различных структурных фаз и микроструктурного состояния. В частности, в некоторых сплавах на основе железа (Fe-Al, Fe-Co, Fe-Ga, Fe-Si и др.) наблюдается резкая зависимость их прочностных характеристик, электропроводности, коэффициента внутреннего трения, магнитострикции от степени атомного упорядочения, а в составе Fe-Cr – от атомного расслоения твердого раствора замещения. Например, в системе Fe-xGa (галфенолах) константа магнитострикции при x ≈ 19 в 40 раз больше, чем в α-Fe. Легирование этого сплава небольшим количеством (менее 1 ат. %) редкоземельным элементом еще более повышает это значение. Aтомное упорядочение в составах Fe-Al и атомное расслоение в Fe-Cr приводит их упрочнению, охрупчиванию и значительному понижению демпфирующих свойств этих материалов. Хотя рекордные значения магнитострикции в системе Fe-Ga и связанные с ней величины внутреннего трения уже активно используются в промышленности (изготавливаются сонары, сенсоры, актуаторы), физические причины их формирования остаются в значительной степени загадочными. В последнее время основное внимание уделяется микроструктурным аспектам формирования необычных свойств этих материалов. Основной на сегодня является модель возникновения рекордной магнитострикции вследствие образования неравновесных атомных структур с локальными неоднородностями атомных масштабов, включающими атомы легирующих элементов и, в частности, редкоземельных металлов. На следующем уровне пространственного масштаба при определенных условиях объемная микроструктура сплава формируется из областей нано- или мезоскопических размеров с упорядоченной структурой, дисперсно распределенных в структурно неупорядоченной матрице. В некоторых моделях предполагается образование легкоподвижных наноразмерных кластеров с ближним порядком в расположении атомов. Изменение внешних условий, прежде всего температуры, радикально влияет на атомную структуру, на микроструктуру и, соответственно, на материаловедческие свойства сплавов на основе железа. Так, в литом составе Fe-27Ga в интервале температур от комнатной до 900ºС происходит три фазовых перехода, в ходе которых кубическая сингония меняется на гексагональную и обратно. Кроме того, в самой кубической решетке упаковка меняется от объемно- к гранецентрированной. В сплавах Fe-xCr с х > 20% в результате спинодального расслоения твердого раствора замещения происходит образование кластеров типа Гинье-Престона. Столь же радикально изменяются магнитные и демпфирующие свойства сплавов. Соответственно, наиболее полная информация о структурных и микроструктурных свойствах сплава может быть получена в экспериментах, проводимых в режиме in situ с непрерывным изменением внешнего воздействия. Основными методами изучения структурных состояний сплавов на атомном и мезоскопическом уровнях являются дифракция и малоугловое рассеяние коротковолнового излучения (рентгеновского, синхротронного и нейтронного) и трансмиссионная электронная микроскопия (ТЕМ). Основным достоинством рентгеновской и особенно синхротронной дифракции является высокая светосила метода и возможность сформировать пучок малого поперечного сечения (~50 мкм), что позволяет провести анализ локальной структуры и выявить, таким образом, масштаб неоднородности. Наоборот, дифракция нейтронов является сугубо объемным методом, с ее помощью определяются средние характеристики, не искаженные локальными флуктуациями. Малоугловое рассеяние нейтронов позволяет проследить образование неоднородностей структуры на наноскопическом уровне размеров, возникающих при спинодальном расслоении сплава. С помощью ТЕМ можно получить информацию о форме и размерах упорядоченных областей, их изменениях при внешнем воздействии и о типе и распределении дефектов упорядоченной структуры. Информация, получаемая перечисленными экспериментальными методами, носит, как правило, взаимно дополняющий характер и в рамках проекта они будут использованы совместно. Однако, в качестве основного предполагается использование метода рассеяния нейтронов, позволяющего получать количественную информацию об атомной и магнитной структурах материала, его фазовом составе и особенностях его микроструктурного состояния. Более того, нейтронные эксперименты будут организованы в режиме in situ и в реальном времени. В in situ дифракционных экспериментах количественно определяются температурные зависимости и особенности кинетики изменений объемной доли и параметров элементарной ячейки присутствующих структурных фаз, факторов заполнения кристаллографических позиций, микронапряжений в кристаллитах и характерных размеров областей когерентного рассеяния. Эксперименты будут проводиться на нейтронных спектрометрах, действующих на импульсном реакторе ИБР-2 в ОИЯИ (Дубна). Реактор ИБР-2 и парк спектрометров при нем являются единственным в России объектом инфраструктуры, обеспечивающим проведение экспериментов по рассеянию нейтронов на мировом уровне. В проекте объединены усилия двух групп специалистов – НИТУ МИСиС (Москва, рук. И.С. Головин) и ЛНФ ОИЯИ (Дубна, рук. А.М. Балагуров), эффективно сотрудничающих в течение последних нескольких лет. Специалисты из МИСиС определяют материаловедческую направленность исследований, обеспечивают подготовку образцов и аттестацию их физических и механических свойств, включая магнитные и демпфирующие характеристики. Специалисты из ОИЯИ являются ответственными за проведение нейтронных экспериментов и предварительную обработку данных. Обе группы состоят из квалифицированных специалистов с большим опытом работы и включают, кроме того, нескольких аспирантов МИСиС и МГУ. Совместная работа групп привела к получению целой серии новых, имеющих принципиальный характер, результатов, что подтверждается публикациями в высокорейтинговых международных научных журналах. Полученные в результате работ по проекту данные будут иметь фундаментальное значение для теории интерметаллидов и упорядочивающихся сплавов на основе железа и для анализа корреляций микроструктурного состояния с физическими характеристиками этих материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Головин И.С., Палачева В.В., Мохамед А., Балагуров А.М., Бобриков И.А., Самойлова Н.Ю., Сумников С.В. Phase Transitions in Metastable Fe-Ga Alloys IARIA, The Tenth International Conference on Sensor Device Technologies and Applications, Nice, France, 27-30.10.2019, p. 13-16 (год публикации - 2019)

2. Головин И.С., Балагуров А.М., Бобриков И.А., Сумников С.В., Мохамед А.K. Cooling rate as a tool of tailoring structure of Fe-(9–33%)Ga alloys Intermetallics, Volume 114, 2019, 106610 (год публикации - 2019)
10.1016/j.intermet.2019.106610

3. Балагуров А.М., Самойлова Н.Ю., Бобриков И.А., Сумников С.В., Головин И.С. The first- and second-order isothermal phase transitions in Fe3Ga-type compounds. Acta Crystallographica Section B: Structural Science, Crystal Engineering and Materials, B75, 1024-1033 (год публикации - 2019)
10.1107/S2052520619013106

4. Головин И.С., Мохамед А.К., Палачева В.В., Чеверикин В.В., Поздняков А.В., Коровушкин В.В., Балагуов А.М., Бобриков И.А., Фазел Н., Моуас М., Гассер Д.-Г., Гассер Ф., Табари П., Лан К., Ковас А., Остендорп С., Хубек Р., Дивинский С., Вилде Г. Comparative study of structure and phase transitions in Fe-(25–27)%Ga alloys Journal of Alloys and Compounds, Volume 811, 152030 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jallcom.2019.152030

5. Головин И.С., Мохамед А.К., Бобриков И.А., Балагуров А.М. Time-Temperature-Transformation from metastable to equilibrium structure in Fe-Ga Materials Letters, Materials Letters, Volume 263, 2020, 127257 (год публикации - 2020)
10.1016/j.matlet.2019.127257

6. Мохамед А.К., Задорожный М.Ю., Савельев Д.В., Чудаков И.Б., Головин И.С. Damping capacity, magnetic and mechanical properties of Fe-18Cr alloy Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,Volume 494, 2020, 165777 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jmmm.2019.165777

7. Балагуров A.M., Бобриков И.А., Сумников С.В., Головин И.С. Cluster-like structure of Fe-based alloys with enhanced magnetostriction Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2020, Vol. 14, Suppl. 1, pp. S11–S14 (год публикации - 2020)
10.1134/S1027451020070058

8. Мохамед А.К., Чеверикин В.В., Медведева С.В., Бобриков И.А., Балагуров А.М., Головин И.С. First- and second-order phase transitions in Fe-(17-19)at.%Ga alloys Materials Letters, Materials Letters, Volume 279, 2020, 128508 (год публикации - 2020)
10.1016/j.matlet.2020.128508

9. Милютин В.А., Гервасьева И.В., Шишкина Д.А., Горностырев Ю.Н., Боньон Е., Бобриков И.А., Балагуров А.М., Мохамед А.К., Головин И.С. Effect of high magnetic field on the phase transformation in Fe-24%Ga and Fe-27%Ga alloys during isothermal annealing Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 514, 2020, 167284 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jmmm.2020.167284

10. Бобриков И.А., Самойлова Н.Ю., Сумников С.В., Иваншина О.Ю., Корнеева К.А., Балагуров А.М. Головин И.С. Temperature evolution of Fe–27Ga structure: comparison of in situ X-ray and neutron diffraction studies Journal of Applied Crystallography, Journal of Applied Crystallography, Volume 53, Part 5, 2020, Pages 1343-1352 (год публикации - 2020)
10.1107/S1600576720010948

11. Головин И. С., Палачева В. В., Мохамед А. К., Балагуров А. М. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА Fe–Ga-СПЛАВОВ – ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНИКИ ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, том 121, № 9, с. 937–980 (год публикации - 2020)

12. Сунь М., Балагуров А., Бобриков И., Ванг К., Вен В., Головин И., Фанг К. High damping in Fe-Ga-La alloys: Phenomenological model for magneto-mechanical hysteresis damping and experiment Journal of Materials Science & Technology, Journal of Materials Science & Technology, Volume 72, Pages 69-80 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jmst.2020.07.043

13. Балагуров А.М., Чернышов Д.Ю., Босак А.А., Бобриков И.А., Сумников С.В., Головин И.С. In-grain phase separation and structural ordering in Fe–Ga alloys seen from reciprocal space Intermetallics, Intermetallics, Volume 128, 107016 (год публикации - 2021)
10.1016/j.intermet.2020.107016

14. Головин И.С., Палачева В.В., Мохамед А.К,, Цифре Ж., Дубов Л.Ю., Самойлова Н.Ю., Балагуров А.М. Mechanical spectroscopy of atomic ordering in Fe-(16−21)Ga-RE alloys Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds, Volume 864, 158819 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.158819

15. Головин И.С., Мохамед А.К., Палачева В.В., Занаева Э.Н., Цифре Ж., Самойлова Н.Ю., Балагуров А.М. Mechanical spectroscopy of phase transitions in Fe–(23–38)Ga-RE alloys Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds, Volume 874, 159882 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.159882

16. Лейневебер А., Бекер Х., Боев А.,Бобриков И.А., Балагуров А.М., Головин И.С. Fe13Ga9 intermetallic in bcc-base Fe–Ga alloy Intermetallics, Intermetallics, Volume 131, 107059 (год публикации - 2021)
10.1016/j.intermet.2020.107059

17. Вершинина Т.Н., Бобриков И.А., Сумников С.В., Балагуров А.М., Мохамед А.К., Головин И.С. Structure evolution of as-cast metastable Fe-38Ga alloy towards equilibrium Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds, Volume 889, 161782 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.161782

18. Самойлова Н.Ю., Бобриков И.А., Корнеева Е.А., Васин Р.Н., Балагуров А.М., Головин И.С. Kinetics of the isothermal A2 to sigma phase transformation in Fe-Cr alloy Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds 913 (2022) 165282 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2022.165282

19. Балагуров А.М., Бобриков И.А., Сумников С.В., Головин И.С. Coherent cluster ordering in Fe-xAl and Fe-xGa alloys Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds 895 (2022) 162540 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2021.162540

20. Чанг Х.В., Джен С.У., Лиао У.Х., Тсенг Д.Х., Хсиех Х.У., Чанг В.С., Чиу С.Х., Цифре Ж., Чубов Д.Г., Головин И.С. Enhancement of the magneto-mechanical properties in directional solidified Fe80Al20 alloys by doping Tb Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds 893 (2022) 162262 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2021.162262

21. Палачева В.В., Мочуговский А.Г., Чубов Д.Г., Кошмин А.Н., Чеверикин В.В., Цифре Ж. Influence of mechanical and heat treatment on structure evolution and functional properties of Fe-Al-Tb alloys Materials Letters, Materials Letters, 310 (2022) 131521 (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2021.131521

22. Сумников С.В., Бобриков И.А., Головин И.С., Балагуров А.М. Bulk vs. surface structural phases in Fe-27Ga alloy Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds 928 (2022) 167116 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2022.167116

23. Чанг Х.В., Джен С.У., Лиао У.Х., Чанг Ф.С., Чанг В.С., Чиу С.Х., Цифре Ж., Чубов Д.Г., Головин И.С. Magneto-mechanical and damping properties in Fe79.9Al20-xGaxTb0.1 alloys Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds, 927 (2022) 166894 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2022.166894

24. Вершинина Т.Н., Бобриков И.А., Сумников С.В., Балагуров А.М., Мохамед А.К., Головин И.С. Structure evolution of as-cast metastable Fe-38Ga alloy towards equilibrium Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds, 889 (2021) 161782 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.161782

25. Милютин В.А., Кузнецов А.Р., Матюнина М.В., Загребин М.А., Соколовский В.В., Горностырев Ю.Н., Боньон Е., Балагуров А.М., Бучельников В.Д., Головин И.С. Mechanism of high magnetic field effect on the D03-L12 phase transition in Fe-Ga alloys Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds 919 (2022) 165818 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2022.165818

26. Мохамед А.К., Палачева В.В., Чеверикин В.В., Вершинина Т.Н., Балагуров А.М., Мураликришна Г.М., Эсаккиража Н., Дивинский С.В., Вилде Г., Головин И.С. Low-temperature metastable-to-equilibrium phase transitions in Fe–Ga alloys Intermetallics, Intermetallics 145 (2022) 107540 (год публикации - 2022)
10.1016/j.intermet.2022.107540

Публикации