Влияние легирования Mn и Со на температурную зависимость внутреннего трения в инварных fe-ni-c сплавах

Температурные зависимости внутреннего трения (ТЗВТ) служат важным источником сведений о структуре и релаксационных процессах в сплавах, в частности в инварах. Поскольку инварные сплавы обладают магнитоупругой связью, целесообразно изучить затухание упругих колебаний в этих сплавах, обусловленное релаксационной и гистерезисной составляющей потерь.

Релаксационные эффекты в инварном сплаве (-36% Ni), легированном углеродом, были изучены в герцовом диапазоне частот. Автором работы на кривых ТЗВТ был выявлен максимум при температуре 473 К, который является суперпозицией пика Финкельштейна—Розина и магнитодиффузионного пика, последний из которых устранялся наложением магнитного поля напряженностью 250Э.

Релаксационные эффекты в ГЦК-Fе-Ni-сплавах инварного состава (-36% Ni), легированных углеродом, изучались также в килогерцовом диапазоне частот. В этом случае температура пика ВТ возросла и составила 520—550 К, однако отчетливого разделения двух вкладов в затухание упругих колебаний без наложения поля не удалось осуществить из-за относительно высокой температуры Кюри сплавов, содержащих около 36%Ni(513 К,525 К,546 К). Кроме того, как на низких частотах так и на частотах килогерцового диапазона при температуре ниже комнатной наблюдается рез кое увеличение затухания упругих колебаний, связанное с потерями энергии на магнитоупругий гистерезис.

В работе исследована ТЗВТ в килогерцовом диапазоне частот в ГЦК Fе—Ni—С-сплавах, содержащих около 30 маc. % Ni, дополнительно легированных углеродом для обеспечения инварного эффекта. Релаксационный пик ВТ в этих сплавах, обнаружен при температурах 548—564К, значительно превышающих точку Кюри, уменьшение которой до 438—449 К обусловлено понижением со держания Ni (-30 маc. %) Показано, что интенсивность пика возрастает с увеличением концентрации С, а энергия активации процесса составляет 1.1 эВ, что соответствует энергии активации диффузии углерода в аустените.[4]

Одним из способов управления магнитным со стоянием аустенита является легирование элементами замещения, в частности Mn и Со, по-разному влияющих на термодинамическую активность углерода в аустените и его распределение в твердом растворе. Для изучения релаксационных процессов в парамагнитной области важным обстоятельством является то, что эти элементы (Со- ферромагнетик, Mn –антиферромагнетик) заметно смещают точку Кюри Fe-Ni сплавов. Для изучения совместного влияния элементов внедрения и замещения на релаксационные процессы в инварных сплавах в работе [4] исследованы ТЗВТ в килогерцевом диапазоне частот (1,5-2 кГц) в ГЦК Fe-Ni сплавах, которые содержат около 30 мас. % Ni,1 мас.%С и небольшие добавки Mn и Со. Для сравнения проведены измерения ТЗВТ в сплавах близкого базового состава, не содержащих углерод.

Для определения влияния Мn и Со на интенсивность затухания упругих колебаний в ГЦК Fе—Ni—С сплавах построены температурные зависимости ВТ за вычетом фона с использованием гауссовской аппроксимации (рис.2.1). Добавление Мn в сплав Fе-30.1% №-0.44% Мп-1.22% С смещает максимум ВТ влево по оси температур и уменьшает его интенсивность по сравнению с параметрами пика ВТ в сплаве Fе-30.1%,Ni-1.18% С (см. рис.5.1, кривая 2). Введение Со в сплавы Fе-30.3% Ni-0.5% Со-1.22% С и Fе-30.6% Ni-1.0% Со-1.05% С приблизительно вдвое увеличивает высоту максимума затухания по сравнению с затуханием в сплаве Ре—30.1% №-1.18% С, а с увеличением содержания кобальта пик уширяется и смещается в сторону более высоких температур (см. рис.2.1, кривые 3, 4). На концентра ционной зависимости высоты максимума затухания для легированных Мn и Со сплавов наблюдается значительное отклонение значений δ_mах от кривой, усредняющей точки для сплавов Fе—Ni—С (рис. 5.2).

Противоположное влияние Мn и Со на интенсивность пика ВТ коррелирует с данными амплитудной зависимости внутреннего трения (АЗВТ), согласно которым введение Мn уменьшает, а легирование Со увеличивает уровень амплитуднозависимых потерь в ГЦК Fе—Ni—X—С (X = Мn, Сo)-сплавах в широком диапазоне амплитуд деформаций.

Таким образом, Со, в отличии от слабого влияния Mn, увеличивает уровень рассеяния упругой энергии в инварных Fе—Ni-С сплавах с содержанием Ni около 30%,что может быть обусловлено следующими обстоятельствами. Увеличение уровня ВТ в ГЦК Fе—Ni-сплавах наблюдалось при изменении концентрации Ni выше 29,2 % до 36%, что в свою очередь сопровождалось расширением интервала распределения сверхтонких магнитных полей. Увеличение сверхтонкого магнитного поля на ядрах атомов железа в сплаве Fе—Ni-Со-С по сравнению с его значение для сплава Fе—Ni-С указывает на то, что введение Со в сплав, содержащий около 30% Ni, изменяет его магнитное состояние подобно увеличению содержания Ni выше 29,2 %. Учитывая тот факт, что Со увеличивает термодинамическую активность углерода в аустените, можно ожидать влияние этого элемента на распределение атомов С в кристаллической решетке и на соотношение числа одиночных атомов С и пар атомов С-С в ближайших соседних междоузелиях, что может усилить вклад в затухание упругих колебания в Fе—Ni-Со-С аустените. В тоже время такой карбидообразующий элемент как Mn, связывая углерод в аустените в атомные кластеры, обогащенные Mn и С, может снизить интенсивность затухания упругих колебаний (рис. 2.3). В случае роста числа одиночных атомов С увеличивается вероятность существования диполей С-С в 3-5 координационных сферах, которые согласно модели дают основной вклад в релаксацию Финкельштейна-Розина.

Не исключается также другой механизм, заключающийся во вкладе в релаксацию непосредственно одиночных атомов С, которые в паре с одним из легирующих элементов или вакансий, созданных закалкой, образуют соответствующие диполи, вращение которых под воздействием упругих напряжений порождает ВТ.

Выводы

1.Для γ-Fe-Ni сплавов 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 tк в γ-Fe-Ni сплавах магнитный вклад в ТКЛР практически не обнаруживается и только в узкой области температур, примыкающей к Тс, спонтанная магнитострикция сплавов по составу близких к Ni пропорциональна квадрату температуры, а коэффициент спонтанной магнитострикции имеет малые значения и отрицательный знак.

2.Со в отличие от слабого влияния Mn, увеличивает уровень рассеяния упругой энергии в инварных Fe-Ni-С.

3.В результате деформации сплавов Fe-Ni и Fe-Ni-С наблюдается уменьшение ТКЛР и повышение температуры перегиба Тп. С ростом степени деформации уровень прочностных свойств повышается.