КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-72-20080

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

РуководительГоловин Игорь Станиславович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ2019 - 2022

КонкурсКонкурс 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

Объект инфраструктуры Импульсный исследовательский ядерный реактор ИБР-2

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

Ключевые словаСплавы 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.

Ожидаемые результаты
Основным ожидаемым результатом является установление на нескольких уровнях пространственного масштаба взаимосвязи физических и инженерных свойств интерметаллидов и упорядочивающихся сплавов на основе железа, относящихся к категории функциональных материалов, с организацией их атомной структуры и микроструктурного состояния. Связь необычных функциональных свойств этих материалов, например, рекордной магнитострикции, с их неоднородным структурным состоянием уже считается установленной, но причины их формирования пока не получили общепринятой физически обоснованной интерпретации. Решение этой научной проблемы будет иметь фундаментальное значение для теории интерметаллидов и упорядочивающихся сплавов и для целенаправленного поиска новых составов и способов их приготовления. В рамках решения общей задачи будет получено немало конкретных результатов, относящихся к организации неоднородных структурных состояний в разных составах и при различных внешних воздействиях. Кроме того, будут получены уникальные экспериментальные данные о процессах перехода литых сплавов к равновесному состоянию. Для этого будут систематически построены карты в координатах “фазовое состояние – температура – время”. Карты будут получены в трех различных режимах воздействия на состав: - в ходе непрерывного нагрева – охлаждения с постоянной скоростью (in situ), - при изотермических выдержках при заданной температуре (in situ), - после длительных выдержек при заданной температуре (ex situ). Помимо фундаментального, полученные результаты будут иметь исключительно важное практическое значение, поскольку будут изучаться материалы, которые или уже получили широкое применение или привлекли интерес в последние годы. Основные эксперименты в рамках проекта будут выполняться на объекте инфраструктуры мирового уровня – импульсном высокопоточном реакторе ИБР-2 (ОИЯИ, Дубна). Уникальные характеристики экспериментальной базы на нем и применяемые современные методы обработки данных обеспечат мировой уровень и оригинальность получаемых результатов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Структура и фазовые превращения в объемных образцах сплавов Fe-Ga с различным содержанием галлия исследованы методом дифракции нейтронов на Фурье-дифрактометре высокого разрешения, расположенном на импульсном источнике нейтронов ИБР-2 (Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединённого института ядерных исследований, Дубна, http://flnph.jinr.ru/ru/facilities/ibr-2/instruments/hrfd). Для сплавов Fe-(9-33)ат.% Ga после охлаждения с разными скоростями определена атомная структура и зависимости параметров решетки фаз A2 и D03 от содержания Ga (Golovin et al., Intermetallics 114 (2019) 106610). Установлена кластеро-подобная структура распределения упорядоченных фаз в менее упорядоченной или неупорядоченной матрице. Полученные данные позволили установить корреляцию между величиной магнитострикции Fe-xGa сплавов и степенью их упорядоченности. Для состава Fe-27%Ga определена первая и вторая критические скорости охлаждения сплава по отношению к превращению между метастабильными и равновесными фазами, построена ТТТ (температура-время-превращение) диаграмма. Два состава сплава Fe-Ga с 25.5 и 26.9 ат.% Ga со структурой, близкой к структуре стeхиометрического состава A3B, исследованы в ходе нагрева и охлаждения при разных скоростях методами дифракции нейтронов и рентгеновских лучей, ДСК, дилатометрии, вибрационной магнитометрии, сканирующей микроскопии и др. (Golovin et.al., Journal of Alloys and Compounds 811 (2019) 152030). Установлено, что при нагреве и последующем охлаждении происходят каскады фазовых превращений, сопровождающиеся изменением структурных, механических и физических свойств сплавов. Трансформации из метастабильной D03 фазы в стабильную L12 фазу при нагреве или изотермической выдержке происходит через последовательное образование неупорядоченных ОЦК A2 и ГЦК A1 структур (по схеме D03 → A2 → A1 → L12) и проводит к изменению макро- и микроструктуры сплава, его жесткости и магнитных свойств. На основе нейтронных дифракционных данных, полученных на составах Fe-Ga с 27.2 и 28.0 ат.% Ga, близких к стехиометрическому составу Fe3Ga, в ходе их изотермических выдержек в интервале температур от 405 до 470 °С, выполнен анализ структурных особенностей фазового перехода между метастабильной D03 и равновесной L12 фазами и его кинетики (Balagurov et al. Acta Cryst B75 (2019), 1024-1033). Показано, что процесс перехода протекает по схеме D03 → А2 → А1 → L12. Определены деформации кристаллической решетки, возникающие при этих превращениях. Анализ кинетики образования равновесной фазы L12 выполнен в рамках подхода Джонсона-Мела-Аврами-Колмогорова. Начальный этап превращения в составе Fe-27.2Ga соответствует модели с постоянной скоростью роста зерен новой фазы при уменьшающейся скорости зародышеобразования. Для состава Fe-28.0Ga получены указания на наличие скрытых зародышей фазы L12 в образце. Начальный этап превращения в обоих составах хорошо описывается уравнением Аврами, затем условия его применения нарушаются. Проведена оптимизация режимов термической обработки холоднокатаных листов Fe-18Cr сплава с точки зрения их структуры (размер зерна), магнитных, демпфирующих и механических свойств (Mohamed et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 494 (2020) 165777). Наилучшие демпфирующих свойства имели образцы, подвергшиеся термическому отжигу при 700-850°C. В отличие от демпфирующей способности, наиболее существенные изменения механических свойств холоднокатаного сплава с повышением температуры отжига происходили при более низкой температуре (600–650 °C). Демпфирующая способность сплава уменьшается с увеличением размера зерна, поэтому отжиг при температуре выше 900 °С снижает демпфирующую способность и обеспечивает снижение механических свойств сплава, включая предел текучести и предел прочности при растяжении. Медленное охлаждение образцов при высокотемпературной термообработке вызывает заметное снижение ударной вязкости, снижение демпфирующей способности и увеличение коэрцитивной силы сплава. Отжиг холоднокатаных образцов при 600–950 °C приводит к значительному увеличению продольной магнитострикции (более, чем в 2,5 раза по сравнению с холоднокатаным состоянием). Усиленная магнитострикция обеспечивает необходимое условие для активации движения магнитных доменных стенок (в области переменного переменного упругого напряжения) и, следовательно, для формирования состояния с высоким демпфированием.

 

Публикации

1. - Ученые нашли способ повысить точность работы сенсоров Пресс-служба МИСиС, - (год публикации - ).

2. 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).

3. 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).

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).

5. 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).