Магнитные свойства нанокристаллических материалов системы Fe-C тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Арсентьева, Нина Борисовна

• Арсентьева, Нина Борисовна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Арсентьева, Нина Борисовна

Введение

Глава 1. Влияние структурного состояния и фазового состава на магнитные характеристики углеродистых сталей и сплавов (литературный обзор).

1.1. Взаимосвязь магнитных характеристик со структурно-фазовым состоянием ферромагнитных материалов.

1.2. Основные структурно-фазовые составляющие высокоуглеродистых сталей и сплавов.

1.3. Изменение структурного состояния твердых тел в условиях сильных механических воздействий.

1.4. Структурно-фазовый состав и магнитные свойства нанокристаллических соединений в системе Fe-C.

1.5. Магнитные и структурные характеристики высокоуглеродистых сталей и сплавов после деформации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитные свойства нанокристаллических материалов системы Fe-C»

Структура и физико-механические свойства сталей и сплавов системы Fe-C являются предметом многочисленных исследований с давней историей, что определяется их большой практической значимостью. В настоящее время достаточно хорошо изучена взаимосвязь магнитных свойств со структурным состоянием различных углеродистых сталей, в том числе и порошковых, что лежит в основе магнитной структуроскопии.

Дальнейшие перспективы использования сталей и сплавов системы Fe-C связаны с разработкой научных основ создания новых "нетрадиционных" структур. К таким структурам относятся нанокристаллические материалы. Ожидается, что наноматериалы найдут применение, как конструкционные материалы новых тонких технологий, так и как магнитные материалы. В настоящее время в соответствии с этими ожиданиями наиболее интенсивные исследования проводятся в изучении механических и магнитных свойств на-номатериалов.

Уменьшение размера кристаллитов металлов и сплавов ниже некоторой пороговой величины может приводить к значительному изменению их физико-механических, в том числе и магнитных свойств [1]. Такие эффекты появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 40 нм, и наиболее отчетливо проявляется, когда размер зерен составляет менее 10 нм. Поликристаллические сверхмелкозернистые материалы со средним размером зерен менее 20 нм называют обычно нанокристаллическими [1,2]. Малые размеры зерен обуславливают большую развитость и протяженность межзеренных границ. Кроме того, сами зерна могут иметь различные атомные дефекты, например вакансии или их комплексы, дислокации, количество и распределение которых качественно иное, чем в кристаллических зернах с размером 5-10 мкм и более.

Особенность нанокристаллического состояния заключается в отсутствии соответствующего ему по структуре и развитости границ равновесного состояния. Необычные магнитные и механические свойства этих материалов обусловлены как особенностями отдельных зерен, так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между нанозернами [3]. Изучение физических свойств, в частности магнитных, на-нокристаллических материалов представляет значительный научный и прикладной интерес, поскольку особое строение и свойства таких материалов являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и массивного твердого тела.

К настоящему времени разработано несколько методов получения нанокристалли-ческих материалов. Большинство из них заключается в получении порошков, содержащих нанозерна. Среди них можно отметить ультрадисперсные порошки, полученные газовой конденсацией в атмосфере инертного газа [4] или плазмохимическим методом [5], аэрозольным [5], химическим синтезом [7], а также измельчением порошков в шаровой мельнице [8]. Образцы, полученные данными методами явились предметом многочисленных исследований структуры и свойств нанокристаллических и нанофазных материалов. Вместе с тем до сих пор существуют проблемы в развитии этих методов, связанные с загрязнением образцов при получении наноматериалов, с практическим использованием данных методов. Многие из проблем приготовления наноматериалов могут быть решены при использовании метода механического сплавления смеси порошков различного химического состава в вибрационных, планетарных шаровых мельницах с высокой энергонапряженностью.

Механическое сплавление (МС) позволяет получать соединения, которые не удавалось получить с помощью традиционного плавления. Кроме того, деформационное воздействие в шаровых мельницах может переводить материалы в наноструктурное состояние. Изменения структурных параметров и фазового состава при механическом воздействии оказывают влияние на такие важные для практики магнитные характеристики как коэрцитивная сила, намагниченность насыщения и температура Кюри. Поскольку магнитный гистерезис порошков системы Fe-C обусловлен фазовым составом частиц, а также взаимодействием доменных границ с различного рода дефектами кристаллического строения - дислокациями, полями упругих напряжений, мелкодисперсными выделениями немагнитных и слабомагнитных фаз и т. д. [9-10], то представляет интерес изучение структурно-фазового состояния и гистерезисных магнитных свойств порошковых образцов, полученных как после механического сплавления, так и последующих отжигов при различных температурах.

В настоящее время разработаны различные способы механической обработки углеродистых сталей, включающие в себя пластическую деформацию, обеспечивающую высокие прочностные характеристики стальных изделий [11]. Общеизвестно, что дефекты кристаллического строения (дислокации, вакансии, дефекты упаковки и т. д.), возникающие при пластической деформации углеродистых статей, оказывают сильное влияние на процессы карбидообразования и структуру статей. Однако, единого мнения исследователей об изменениях, происходящих в структурно-фазовом составе углеродистых статей при механическом воздействии, до сих пор нет. Противоречивые сведения о структурном состоянии и фазовом составе, естественно, затрудняют объяснение магнитных свойств пластически деформированных и отожженных статей. Отсюда вытекает необходимость более глубокого изучения влияния сильных пластических деформаций как на магнитные свойства и структурное состояние углеродистых статей, так и на взаимосвязь между ними.

Цель работы: комплексное экспериментальное исследование магнитных характеристик во взаимосвязи со структурно-фазовым состоянием сплавов системы Fe-C, находящихся, как в нанокристаллическом (после интенсивного деформационного воздействия) так и в переходном к кристаллическому (после отжигов) состояниях.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Исследование магнитных свойств, во взаимосвязи со структурным состоянием, порошков нанокристаллического железа.

2. Исследование магнитных свойств цементита РезС в различных структурных состояниях.

3. Изучение процесса формирования магнитных свойств нанокомпозитов системы Fe-С с содержанием углерода 5 - 15 ат. % в процессе механического сплавления и последующих отжигов.

4. Изучение влияния сильных пластических деформаций на магнитные свойства и структурно-фазовый состав нанокомпозитов системы Fe - С и высокоуглеродистых сталей.

Работа была выполнена в Физико-техническом институте УрО РАН в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме «Эволюция структуры, фазового состава и физико-химических свойств на основе Fe и sp - элементов при термических и деформационных воздействиях» (№ Гос. Регистрации 01. 20. 043046), проекта РФФИ 03-0332081 «Термо - и деформационно-индуцированные структурно-фазовые превращения в нанокристаллических и нанокомпозиционных системах железо-бор и железо-углерод» по программе Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмер-ных систем и наноматериалов» (проект «Синтез нанокомпозитов железо-цементит методами механоактивации и магнито-импульсного прессования»).

Научная новизна работы

1. Исследованы магнитные свойства во взаимосвязи со структурным состоянием: нанокристаллического железа, полученного в результате интенсивных пластических деформаций пороков железа, и нанокристаллического цементита, полученного в результате механического сплавления порошков железа и графита состава Fe(75)C(25).

2. Впервые показано, что цементит может находиться в низко - и высококоэрцитивном состояниях. Это нанокристаллический деформированный цементит с низким значением коэрцитивной силы (Не « 80 А/см) и отожженный цементит с высоким значением Нс « 240 А/см. Дано объяснение природы высоко - и низкокоэрцитивного состояния цементита.

3. Исследованы магнитные свойства аморфной Am(Fe-C) фазы, возникающей при механическом сплавлении порошков состава Fe(95)C(5) и Fe(85)C(15).

4. Впервые определена роль структурных превращений цементита в механизмах формирования коэрцитивной силы высокоуглеродистых сталей и сплавов после холодной пластической деформации и последующих отжигов.

Практическая значимость работы.

Определена роль структурного состояния цементита в формировании коэрцитивной силы как механически сплавленных, так и отожженных порошков системы Fe(100-Х)С(Х) (X = 5 — 25 ат. %), а так же пластически деформированных и отожженных образцов патентированной стали 70.

Закономерности формирования Не, полученные на модельных образцах во взаимосвязи с их структурным состоянием и фазовым составом, могут быть использованы при решении ряда задач магнитной структуроскопии изделий из высокоуглеродистых сталей и чугунов.

Положения, выносимые на защиту

Результаты исследования магнитных гистерезисных свойств нанокристаллического железа, полученного в результате механической обработки в шаровой планетарной мельнице.

Результаты исследования магнитных гистерезисных свойств нанокристаллического цементита с деформированной решеткой (РезС)д и цементита в состоянии после отжига с равновесной кристаллической решеткой РезС.

Результаты исследования магнитных гистерезисных свойств аморфной Am(Fe-C) фазы.

Модели механизмов формирования магнитных гистерезисных свойств сплавов системы Fe(100-X)C(X) ( X = 0 -ь25 ат. %), находящихся, как в нанокристаллическом (после интенсивного деформационного воздействия) так и в переходном к кристаллическому (после отжигов) состояниях.

Роль структурных превращений цементита в механизмах формирования коэрцитивной силы патентированной проволоки стали 70 после холодной пластической деформации и отжига.

Личный вклад автора заключается в подготовке образцов и измерении их магнитных характеристик (lie, as, параметры кривых намагничивания и петель гистерезиса), в обработке результатов измерений, в обсуждении полученных результатов и планировании эксперимента, в написании тезисов докладов и статей. В работе также использованы результаты, полученные сотрудниками лаборатории: Коныгиным Г. II. (мёссбауэровские исследования), Дорофеевым Г. А. (рентгеновские исследования), Загайновым А. В. (измерения динамической магнитной восприимчивости). Общая и конкретные задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы научным руководителем Ульяновым А.И. (магнитные исследования) и научным консультантом Елсуко-вым Е.П. (структурные исследования). Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводилась совместно с научным руководителем, научным консультантом и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.

Достоверность результатов исследований подтверждается: экспериментальными исследованиями на эталонных образцах; измерениями на аттестованных стандартных установках с известной погрешностью; статистической обработкой результатов измерений; большим экспериментальным материалом, многократно повторяемом на значительном количестве образцов.

Апробация работы:

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих международных, Российских и региональных научных конференциях:

XVIII международная школа-семинар (г. Москва, 2002), XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2002, 2003), Уральская региональная конференция "Контроль технологий изделий и окружающей среды физическими методами" (г. Екатеринбург, 2001, г. Челябинск, 2004), V Международная научно-техническая школа-семинар "Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления" (г. Ижевск, 2004), II Евроазиатский симпозиум "Проблемы прочности материалов и машин для регионов холодного климата" (г. Якутск, 2004), XVII Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика" (г. Екатеринбург, 2005).

Основное содержание диссертации изложено в 8 статьях опубликованных в рецензируемых научных журналах и одном докладе на симпозиуме.

Структура диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, использованной при работе над диссертацией.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Арсентьева, Нина Борисовна

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Обнаружено, что по мере увеличения степени пластической деформации коэрцитивная сила порошков железа увеличивается, достигая максимального значения Не » 18 А/см. При достижении порошками железа, в результате интенсивной пластической деформации, наноструктурного состояния, их Не снижается до » 11 А/см и при дальнейшей деформации не изменяется. Предполагается, что такое значение Не нанокристаллического железа обусловлено взаимодействием доменных границ с дислокациями, находящимися в межзеренных границах. При переходе структуры порошков Fe в результате отжига при 800 °С из нано - в микрокристаллическое состояние их коэрцитивная сила понижается до 5 А/см.

2. Впервые исследованы магнитные свойства цементита, полученного в результате механического сплавления порошков железа и графита состава Fe(75)C(25). Нанокристал-лический цементит с искаженной деформированной решеткой (Fe3C)fl имеет коэрцитив2 ную силу Нс « 80 А/см, удельную намагниченность насыщения ст5 » 150 Ам /кг. Впервые показано, что переход нанокристаллического деформированного цементита (Ре3С)д в ре зультате отжига при 500 °С в состояние с равновесной кристаллической решеткой РезС повышает его коэрцитивную силу до 240 А/см. Предполагается, что высокая коэрцитив-ность цементита в состоянии РезС обусловлена более высоким по сравнению с (РезС)д значением константы магнитокристаллической анизотропии.

3. Впервые установлено, что аморфная Am(Fe-C) фаза, возникающая при механическом сплавлении порошков состава Fe(100-X)C(X) (X = 5 - 15 ат. %), является сравнительно магнитомягкой, ее Не слабо зависит от содержания углерода в сплаве и составляет «13 А/см.

4. Установлено, что коэрцитивная сила нанокристаллических сплавов Fe(95)C(5) и Fe(85)C(15) после отжига при 500 °С возрастает от 13 до 51 и 117 А/см, соответственно.

Показано, что рост Не сплавов после отжига при 500 °С связан с формированием из маг-нитомягкой аморфной Am(Fe-C) фазы магнитожесткой фазы цементита РезС, количество которого определяется содержанием углерода в сплаве. Снижение коэрцитивной силы сплавов после отжига в интервале температур отжига от 600 до 700 °С обусловлено в основном снижением плотности дефектов кристаллического строения, а выше 700 °С и распадом цементита.

5. Впервые определена роль структурных превращений цементита в механизмах формирования коэрцитивной силы патентированных проволок стали 70 после холодной пластической деформации и отжига. Показано, что снижение коэрцитивной силы от 18 до 12 А/см при сильной пластической деформации обусловлено, в основном, переходом цементита из состояния РезС в низкокоэрцитивный цементит (РезС)д, а рост коэрцитивной силы до 23 А/см после отжига при 500 °С - переходом цементита из состояния (РезС)д в высококоэрцитивный цементит РезС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе представлены результаты исследования магнитных характеристик во взаимосвязи со структурно-фазовым состоянием порошков системы Fe-C, находящихся, как в нанокристаллическом (после интенсивного деформационного воздействия) так и в переходном к кристаллическому (после отжигов) состояниях. Исследовано влияние глубокой пластической деформации на магнитные свойства, структурное состояние углеродистых сталей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Арсентьева, Нина Борисовна, 2005 год

1. Fecht Н. J. Nanostructure formation by mechanical attrition. // Nanostructed Materials, 1995, v. 6, p. 33-42.

2. Носков Н.И., Мулюков P.P. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. // Екатеринбург, 2003, 134 с.

3. Гусев А.И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях.//УФН, 1998, т. 168, №1, с. 55-83.

4. Нагаев Э.Л. Малые металлические частицы. // УФН, 1992, т. 162, №9, с.56-124.

5. Морохов И.Д., Трусов Л.Д., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах.//М.: Наука, 1984, 472 с.

6. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. // М., Логос, 2000, 271 стр.

7. Choww G. М. In: Proc of the NATO ASI on NanoStructured Materials: Science & Technologi. - Dordrecht - Boston - London: Kluwer Acad. Publ., 1998. V. 50, P. 31.

8. Morris D. G. Mechanical behavior of nanostructured materials. Switzerland: Trans. Tech. Publication LTD, 1998, p. 85.

9. Максимов Ю.В., Суздалев И.П., Аренц P. А. Исследование магнитных свойств и 0- карбидов. // ФТТ, 1972, т. 14, вып. 11, с. 3344 3347.

10. Елсуков Е.П., Дорофеев Г.А.,. Фомин В.М., Коныгин Г.Н., Загайнов А.В., Маратканова А.Н. Механически сплавленные порошки Fe(100-x)C(x); х=5-25 ат. %. I. Структура, фазовый состав и температурная стабильность. // ФММ, 2002, т. 94, №4, с.43-45.

11. Зубов В.Я. патентирование проволоки. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1972, № 9, с. 49-56.

12. Апаев Б.А. Фазовый магнитный анализ. // М., Металлургия, 1976, 280 с.

13. Белов К.П. Магнитные превращения. // Гос. Изд.физ мат. лит-ры, 1959, 260 с.

14. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. // М.; Л.: ОГИЗ, 1948, 816 с.

15. Becker R. Elastische Spannungen Eigenschaften. // Phus. Zs., 1932, Bd.33, s. 905-913.

16. Бида Г.В., Горкунов Э.С., Шевнин B.M. Магнитный контроль механических свойств проката. // Екатеринбург, 2002, 252 с.

17. Kersten М. Grundlagen einer Theorie der ferromagnetischen Hysterese und der Koerzitivkraft. // Leipzig: Hirzel, 1943,215 p.

18. Neel L. Effect des Cavietes et des Inclusions sur le camp Coercitiv. // Cahiers de Physique, 1944, №25, p. 21-44.19.