WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
УДК 539.67 ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ АЗОТА В СПЛАВАХ НИОБИЙ-ВОЛЬФРАМ, ЗАКАЛЕННЫХ ОТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР В.Е. Бахрушин, А.Ю. Чириков* Гуманитарный университет "Запорожский институт государственного и муниципального управления"; E-mail: Vladimir.Bakhrushin@zhu.edu.ua, тел./факс 0612639973;

* Запорожский государственный университет Исследованы температурные зависимости внутреннего трения и динамических модулей нормальной упругости, закаленных от высоких температур сплавов ниобий-вольфрам-азот в области релаксации Снука.

Показано, что при высоких концентрациях вольфрама и азота на высокотемпературной ветви релаксационного пика внутреннего трения наблюдается структура, которая, предположительно, обусловлена образованием комплексов атомов азота и вольфрама. Введение вольфрама затрудняет процессы распада пересыщенных твердых растворов азота, что может быть объяснено особенностями строения этих комплексов.

риале процессах и дают возможность уточнить поВВЕДЕНИЕ лучаемые результаты.

Благодаря удачному сочетанию высоких механиВведение вольфрама существенно повышает жаческих, электрических и технологических свойств, ропрочность ниобиевых сплавов и их способность к коррозионной стойкости, сверхпроводимости ниосвариванию. Релаксационные свойства таких сплабий и сплавы на его основе широко используются в вов изучены недостаточно, а имеющиеся в литератукачестве конструкционных и функциональных матере данные [3-5] противоречивы. В частности, в [4] риалов в электротехнике, электронике, приборо- не наблюдалось заметного влияния вольфрама на строении, химическом машиностроении и других релаксацию примесей внедрения, а в [3, 5] сообщаобластях современной техники [1, 2]. Особое место ется о возможности образования стабильных W-Nсреди них занимают сплавы внедрения, в которых комплексов. Следует отметить, что исследованные в наблюдается существенное упрочнение в результате этих работах образцы существенно различались как блокировки движения дислокаций примесями внепо содержанию примесей, так и по характеру преддрения или мелкодисперсными выделениями окси- варительной обработки.

дов, нитридов и карбидов. Разнообразные технолоЦелью данной работы являлось исследование гические термообработки сопровождаются измене- влияния концентрации примесей, а также высокониями структуры сплава за счет рекристаллизации, а температурных обработок на механическую релактакже образования и движения дислокаций и других сацию сплавов ниобий-вольфрам-азот в области редефектов, способных взаимодействовать с атомами лаксации Снука.

внедрения. Такое взаимодействие может приводить к перераспределению примесей между позициями МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИразличного типа: изолированный атом; атом в атмоМЕНТА сфере дислокации; атом, связанный в комплекс с другим примесным атомом или точечным дефектом, Сплавы ниобий-вольфрам готовили электроннои т.д. Это вызывает изменение поведения как приме- лучевой плавкой с последующей прокаткой слитков сей, так и взаимодействующих с ними дефектов.

в лист до толщины 0,1 мм. По данным химического Поэтому анализ механизмов формирования физиче- анализа содержание примесей в них составило ских свойств сплавов внедрения при высокотемпе- (мас.%): C - 0,01; N - 0,005; O - 0,008; H - 0,001; W ратурных обработках требует знания характера рас- - 0,005; Mo - 0,006; Fe - 0,005; Ta - 0,008; Ti - пределения внедренных атомов между позициями 0,005; Si - 0,005.

различного типа. Эта задача может быть решена с Образцы дегазировали в течение 0,5…1 ч в вакупомощью метода внутреннего трения, температур- уме (0,5…2)·10-3 Па при 2300 - 2600 К. Концентраная зависимость которого в области релаксации ции примесей внедрения после дегазации не превыСнука обладает высокой чувствительностью к ло- шали 0,02 ат. %. После дегазации образцы охлаждакальному окружению примесных атомов внедрения ли отключением электрического тока. При этом в решетке ОЦК-металлов [3]. Существующие мето- средняя скорость охлаждения до 1000 К составляла ды измерения внутреннего трения позволяют од- 200…500 К/с. Затем в том же реакторе при темперановременно получать температурные зависимости турах 1700…2100 К проводили насыщение образца динамических модулей упругости, которые дают до- азотом и опять закаливали его. Температуру опредеполнительную информацию о протекающих в мате- ляли оптическим пирометром, который градуировали по термопаре ВР5/ВР20 и температурам плавлеВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.

Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.120 - 123.

ния никеля и ниобия. Концентрацию примеси вне- ные высоты его высокотемпературных составляюдрения в образце определяли, измеряя количество щих. Согласно известным данным [3] появление тапоглощенного им газа. Ошибка определения кон- ких составляющих в легированных сплавах внедрецентрации не превышала 0,03 ат.%. ния в области релаксации Снука, как правило, обуВнутреннее трение и динамические модули словлено образованием устойчивых комплексов атоЮнга определяли, используя методы вынужденных мов внедрения с другими примесями и точечными колебаний консольно закрепленного вертикального дефектами, а также их взаимодействием с дислокаобразца. Измерения проводили в вакууме не хуже циями. В нашем случае наиболее вероятным является предположение, что наблюдаемая структура пи1·10-2 Па при температурах 300…1000 К. Относиков связана с образованием комплексов атомов тельная погрешность измерения внутреннего трения вольфрама и азота. Тогда ее изменения можно объдля основной части результатов находилась в предеяснить тем, что с ростом концентрации азота доля лах 5…10 % и повышалась до 30 % для значений, его изолированных атомов уменьшается, а доля атоменьших 0,001. Для модуля Юнга относительная помов, связанных в комплексы с высокими значениягрешность составляла 10…30 % и была связана в ми энергии активации релаксации, увеличивается.

основном с неточностью измерения рабочей длины образца и неоднородностью толщины фольги.

Q-1H Поэтому в большинстве случаев определяли относи0,тельные изменения модуля при выполнении измерений на одном образце. В этом случае погрешность измерений была существенно ниже и не превышала 0,0,5 %.

Металлографическое исследование образцов 0,проводили на оптическом микроскопе NEOPHOT-и растровом электронном микроскопе JSM-35.

Вольфрам равномерно распределен по поверхности образца. Выделений и сегрегации примесей на граT, K 400 600 ницах зерен не выявлено. Структура образцов была хорошо выявлена вакуум-травлением в процессе дегазации. На поверхности образцов имеется большое Рис. 1. Внутреннее трение сплавов Nb–12ат.%W–N число ограненных ямок. Согласно [7] они образуют([N], ат.%: – 0,05; – 0,31; – 1,46; – 3,1) ся в процессе дегазации в местах выхода дислокаций в результате сублимации ниобия и его летучих На рис. 2 показаны температурные зависимости оксидов. В нашем случае протекание сублимации динамического модуля нормальной упругости для подтверждалось образованием налета на стенках катех же образцов. Видно, что ростом концентрации меры, где проводилась дегазация, а также повышеазота увеличивается вклад высокотемпературного нием пористости образцов. Оценка плотности дисучастка в суммарную величину дефекта модуля. В локаций в ниобии по концентрации таких ямок дает [9] нами было показано, что такие зависимости мовеличину приблизительно 1011 м-2, что соответствует гут быть удовлетворительно описаны в предположеобычным значениям для отожженных поликристалнии, что для сложных процессов в области релаксалов [8]. Пористость ниобия, оцененная методом гидции Снука суммарный дефект модуля является адростатического взвешивания, составляла около 2 %.

дитивной суммой его дефектов, обусловленных элеВведение вольфрама приводит к повышению плотментарными релаксационными процессами, соотности ямок до 1012 м-2 и пористости образцов до ветствующими зинеровсой модели стандартного ли12 %, а также к уменьшению среднего размера зерна нейного тела. Тогда из приведенных на рис. 2 реот 220 до 100 мкм. зультатов следует, что с ростом концентрации азота увеличивается вклад процессов с высокими энергияРЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ми активации, что подтверждает сделанное выше предположение о перераспределении атомов азота В [3] нами было показано, что распределение между позициями различного типа.

атомов азота по позициям различного типа в сплаE/Eвах Nb-12 ат.% W зависит от концентрации атомов внедрения. На рис. 1 показаны температурные зависимости нормированного релаксационного спектра этих сплавов в области релаксации Снука. Нормирование выполнялось делением абсолютных величин 0,на максимальное для каждого спектра значение с целью удобства сравнения изменения положения максимума на оси температур.

Приведенные данные показывают, что суммар0,ный пик имеет сложную структуру и с увеличением концентрации азота смещается в область высоких 400 600 800 T, K температур. При этом увеличиваются относительВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.

Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.120 - 123.

Рис. 2. Температурные зависимости динамических нию нитрида ниобия (рис. 5). Для сплавов с 6 и модулей нормальной упругости сплавов 12 ат.% вольфрама изменения модуля упругости с Nb–12ат.% W – N концентрацией азота не превышают случайной по([N], ат. %: – 0,05; – 0,31; – 1,46; – 3,1) грешности.

На рис. 6 показаны зависимости высот релаксаДля уточнения полученных результатов нами ционных пиков от концентрации азота для сплавов с были исследованы релаксационные свойства образ- различным содержанием вольфрама. В исследованцов с меньшим содержанием вольфрама и большим ной области концентраций твердый раствор азота диапазоном изменения концентрации азота. При является пересыщенным и частично распадается в этом были установлены такие закономерности. процессе измерения внутреннего трения. ПредставВ сплавах Nb - 6 ат. % W характер проявления ленные данные позволяют сделать вывод о том, что структуры на высокотемпературной ветви пика не- введение вольфрама замедляет скорость распада. Об монотонно изменяется с ростом концентрации азота этом свидетельствует повышение высоты пика с ро(рис. 3 и 4). До концентраций 2…3 ат.% наблюдает- стом концентрации вольфрама при одинаковых знася увеличение вклада процессов с высокими значе- чениях концентраций азота, превышающих его равниями энергии активации в общий релаксационный новесную растворимость.

спектр, затем в интервале до 4…5 ат.% их роль поЕ, ГПа степенно снижается, а при более высоких значениях концентрации она опять возрастает.

Q-1H 0,0,6 0,4 0 15 [N], ат.% 0,Рис. 5. Зависимость динамического модуля упругости от концентрации азота ([W], ат. %: 2 –, 6 –, 12 – ) 400 500 600 700 800 T, K Рис. 3. Внутреннее трение сплавов Nb–6ат % W – N По нашему мнению, полученные результаты мо([N], ат. %: – 0,28; – 0,59; – 1,34; – 2,57; гут быть объяснены структурой образующихся комплексов атомов азота и вольфрама. Согласно – 3,99; - 4,44) теоретическим оценкам [10] минимальная энергия атома азота вблизи атома вольфрама соответствует Q-1H четвертой координационной сфере последнего. В более близких координационных сферах атомы 0,вольфрама и азота отталкиваются друг от друга. Это должно препятствовать образованию частиц нитри0,да вольфрама и при распаде пересыщенного твердого раствора должен выделяться нитрид ниобия, что 0,соответствует имеющимся экспериментальным данным [11]. Таким образом, можно сделать вывод, что 0,формирование комплексов атомов вольфрама и азо0 та, уменьшая эффективную концентрацию азота в удаленных от атомов вольфрама областях, должно 400 500 600 700 800 T, K затруднять образование частиц нитрида ниобия и заРис. 4. Внутреннее трение сплавов Nb–6ат.% W–N медлять распад твердого раствора.

([N], ат. %: – 4,44; – 5,09; – 8,28; ;11,64 – 16,45 – ) В сплавах Nb - 2 ат.% W до концентрации азота около 10 ат.% не наблюдается ее существенного влияния на высокотемпературную ветвь релаксационного пика. Еще одной их отличительной особенностью является то, что с ростом содержания азота в этих сплавах наблюдается закономерное повышение абсолютной величины модуля нормальной упругости, приближающейся к соответствующему значеВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1.

Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.120 - 123.

вольфрама и азота, которые стабилизируют пересыQ-1*щенный твердый раствор внедрения.

80 Причиной такой стабилизации является характер взаимодействия примесных атомов, которые оттал60 киваются друг от друга в ближайших координационных сферах и притягиваются в более удаленных.

40 Авторы благодарны А.Ю. Новикову за участие в проведении экспериментов и обсуждении результатов.

ЛИТЕРАТУРА 1. Г.Г. Девятых, Г.С. Бурханов. Высокочистые ту0,1 1 10 N, ат. % гоплавкие и редкие металлы. М.: «Наука», 1993, 224 с.

Рис. 6. Зависимость высоты релаксационного пика 2. Р. Киффер, Х. Браун. Ванадий, ниобий, тантал.

от концентрации азота в ниобии () и сплавах с соМ.: «Металлургия», 1968, 311 с.

держанием вольфрама 2 (), 6 () и 12 () ат.% 3. В.Є. Бахрушин, О.Б. Чиріков. Моделі та механізми механічної релаксації, пов’язаної з Наблюдаемый характер влияния вольфрама и перебудовою домішково-дефектної підсистеми азота на релаксационные спектры обусловлен повыкристалів. Запоріжжя: ГУ "ЗІДМУ", 2004, 140 с.

шением вероятности образования комплексов ато4. Z.S. Szkopiak, J.T. Smith. The Internal Friction of Nb мов вольфрама и азота с ростом концентраций при– 1 at.% Substitutiuonal Alloys // Journal of Physics месей. В сплавах Nb - 2 ат. % W, а также в образцах D: Applied Physics. 1975, v. 8, p.1273 – 1283.

с 1 ат. % вольфрама, которые изучались в работе [4], 5. А.В. Новиков, Ю.А. Павлов, В.Е. Бахрушин.

вероятность образования таких комплексов мала.

Внутреннее трение сплавов Это приводит к относительно быстрому распаду ниобий-вольфрам-азот // Известия вузов.

пересыщенного твердого раствора при концентрациЧерная металлургия. 1982, № 7, с. 113 – 116.

ях азота, которые недостаточны для его заметного 6. В.Є. Бахрушин, О.Ю. Чиріков. Внутрішнє тертя комплексообразования с вольфрамом. При этом на дегазованих сплавів ніобій-вольфрам // Вісник высокотемпературной ветви релаксационных спекДонецького університету. Серія А: «Природничі тров не наблюдается особенностей, связанных с науки». 2002, № 2,с. 269 – 271.

присутствием таких комплексов, а величина модуля 7. А.В. Елютин, В.В. Шишков, Л.И. Вороненко и др.

упругости при достаточно высоких концентрациях Влияние высокотемпературного высоковакуумазота приближается к соответствующему значению ного отжига на структуру и свойства слитков нинитрида ниобия. Повышение концентрации вольфобия высокой чистоты // Научные труды ГИрама в образцах приводит к формированию устойчиРЕДМЕТ. М., 1982, т. 114, с. 3-7.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.