Микрогетерогенность и условия кристаллизации расплавов Fe-Mn-C
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность и степень разработанности темы исследования
Сплавы Fe-Mn-C нашли широкое применение в промышленности в качестве конструкционных материалов с высокой прочностью. Однако, практически все исследования, направленные на повышение прочностных свойств сплавов Fe-Mn-C, сводятся к температурному воздействию на закристаллизованный металл. Актуально изучение физических свойств сплавов Fe-Mn-C в жидком состоянии и анализ их результатов на основе представлений физической химии о структурном переходе «жидкость-жидкость», понимаемом как структурный переход «гетерогенная система - однородный раствор». Представления современной химической термодинамики и кинетики о структурном переходе «жидкость-жидкость» (Liquid-liquid structure transition, LLT) как структурном переходе «гетерогенная система - однородный раствор» ближе всего к концепции П.С. Попеля микрогетерогенного состояния жидких многокомпонентных сплавов с эвтектическим и монотектическим взаимодействием компонентов. Под микрогетерогенным состоянием химически неоднородного расплава понимается наличие в нем дисперсных частиц, обогащенных одним из компонентов, которые взвешены в окружающей среде иного состава и отделены от нее межфазной поверхностью. Микрогетерогенное состояние разрушается в результате энергетического воздействия на расплав, например, нагрева до определенного для каждого состава температуры. После необратимого разрушения микрогетерогенного состояния расплав переходит в состояние истинного раствора, изменяются условия его кристаллизации, что отражается в микроструктуре, кристаллическом строении и механических свойствах закристаллизованного металла. Концепция микрогетерогенного состояния расплавов нашла подтверждение в опытах по малоугловому рассеянию нейтронов, проведенных П.С. Попелем, U. Dahlborg, M. Calvo-Dahlborg для эвтектик Pb-Sn, Al-Si - показало наличие в расплаве областей, обогащенных одним из элементов, оделенных от остальной части жидкого сплава переходным слоем. Удалось идентифицировать два семейства частиц: малые частицы размером 10-40 Â и крупные частицы с размером до 90 Â; в результате повышения температуры такие области растворяются и рекомбинируют.
Применение структурного перехода «жидкость-жидкость» в качестве стратегии создания металлов и сплавов с заранее заданными свойствами доказало свою практичность и эффективность. R. Kurita, H. Tanaka приводят экспериментальные доказательства связи между кристаллизацией и переходом жидкость-жидкость (LLT) и обнаружили, что частота зародышеобразования кристаллов резко увеличивается при кратковременном предварительном отжиге вблизи, но выше температуры спинодали LLT, что вызвано снижением межфазной энергии кристалл-жидкость из-за присутствия флуктуаций параметра порядка подобных критическим. Установлено, что можно не только контролировать частоту зародышеобразования кристаллов с помощью LLT, но и обеспечить способ управления структурой кристаллических зерен, которая определяет механические и теплофизические свойств кристаллических материалов. Представления физической химии металлургических процессов о структурном переходе «жидкость- жидкость» согласуются с практикой обработки расплава перегревом (Melt Superheating Treatment, MST) для повышения механических свойств отливок, способ MST изобретен I.G. Farbenindustrie. Исследовано влияние MST на морфологию границы раздела твердое/жидкое (S/L) при затвердевании и установлено, что обработка расплава перегревом увеличивает стабильность поверхности раздела S/L и оказывает существенное влияние на характеристики затвердевания. M. Sabzi установлено, что MST расплава Fe- 12мас.%Mn-1мас.%C при последующем охлаждении и кристаллизации привело к увеличению зерен аустенита (твердого раствора углерода в железе) и к уменьшению количества карбидов, что объясняется уменьшением количества центров кристаллизации.
Систематическое изучение структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» как условия кристаллизации расплавов на основе алюминия, меди и железа с различным типом диаграмм состояния проведено О.А. Чиковой. Измерены физические свойства расплавов - вязкость, электросопротивление и поверхностное натяжение - в максимально широком диапазоне температур. Анализ температурных зависимостей свойств расплавов на основе представлений химической термодинамики и кинетики (выявление аномалий температурных зависимостей) позволил определить значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве. Установлено влияние разрушения микрогетерогенности расплава на микроструктуру, кристаллическое строение и механические свойства закристаллизованного металла. Разрушение микрогетерогенности в расплавах, компоненты которых взаимодействуют эвтектически, привело к смещению эвтектической точки вправо, измельчению и изменению морфологии первичных кристаллов и кристаллов эвтектических фаз. Разрушение микрогетерогенного состояния в расплавах, компоненты которых взаимодействуют монотектически, привело к подавлению макрорасслоения и формированию слитков со структурой «замороженной эмульсии» (псевдосплавов), к смещению точки монотектики вправо подобно расплавам простых эвтектик. Причина указанных структурных изменений - повышение переохлаждения и изменения скорости массопереноса на фронте кристаллизации.
Данная работа посвящена изучению структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» в расплавах Fe-(4,0-25,0)мас.%Mn-(0,0-2,2)мас.%C как условия кристаллизации. О возможности структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» в расплавах Fe-Mn-C свидетельствует значительное отклонение системы от идеальности: энтальпия жидкого сплава Fe-Mn-C отрицательна и снижается с увеличением содержания Mn и C. Оценка термодинамических свойств расплавов Fe-Mn-C показала наличие сильного межчастичного взаимодействия, которое приводит к ближнему упорядочению. Растворимость углерода увеличивается с увеличением содержания Mn, на основании чего можно полагать, что в расплавах Fe-Mn-C весь углерод будет либо растворен в Fe, либо связан соединениями с Mn. Изучались физические свойства расплавов Fe-(4,0-25,0)мас.%Mn-(0,0-2,2)мас.%C - вязкость, электросопротивление и поверхностное натяжение - в максимально широком диапазоне температур. На основе представлений химической термодинамики и кинетики о природе аномалий температурных зависимостей физических свойств расплавов определены значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве. Исследовано влияние LLT в расплаве Fe-Mn-C на микроструктуру и механические свойства закристаллизованного металла. Анализ условий кристаллизации подразумевал установление связи между LLT в расплаве Fe-Mn- C и микроструктурой, кристаллическим строением и механическими свойствами слитка в субмикрообъемах.
Цель работы: изучение физических свойств и условий кристаллизации расплавов Fe-Mn-C на основе представлений химической термодинамики и кинетики о микрогетерогенности. Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучить температурные зависимости физических свойств (кинематической вязкости, удельного электросопротивления и поверхностного натяжения) расплавов Fe-Mn-C с целью определения значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, T.C.LLTв расплаве;
2. Установить закономерности влияния LLT в расплаве Fe-Mn-C на условия кристаллизации, что отражается в изменении микроструктуры, кристаллического строения, механических свойств в субмикрообъемах твердого металла;
3. Провести оценку параметров микрогетерогенной структуры расплавов Fe-Mn-C в рамках представлений теории абсолютных скоростей реакций о вязкости дисперсных систем;
4. Разработать модель структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» для априорного определения значений температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т.е.ШГ в расплаве.
5. Оценить термодинамическую устойчивость микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C при температурах близких к ликвидусу в рамках представлений химической термодинамики.
Научная новизна работы:
1. Получены оригинальные экспериментальные данные о физических свойствах расплавовFe-(5-25)мас.%Mn-(0-2)мас.%C (кинематическая вязкость, удельное электросопротивление, поверхностное натяжение) в максимально широком интервале температур.
2. Впервые определены значения температур, перегрев расплавов Fe-(5-25)мас.%Mn- (0-2)мас.%С, свыше которых (MST) приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве.
3. Разработана концептуальная модель структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» для априорного определения значения температур, перегрев расплава Fe-Mn-C (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т.е-LLT в расплаве.
Теоретическая значимость данной работы:
1. Использование представлений теории абсолютных скоростей реакций о вязкости дисперсных систем позволяет оценить параметры микрогетерогенной структуры расплавов Fe-Mn-C.
2. Применение концептуальной модели структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» позволяет априорно определить значения температур, перегрев расплавов Fe-Mn-C свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности.
3. Показана термодинамическая устойчивость микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C при температурах близких к ликвидусу.
Практическая значимость данной работы:
1. Предложен оригинальный способ перегрева расплавов Fe-(5-25)мас.%Mn-(0- 2)мас.%С (MST), который может быть полезен для повышения качества марганцовистых сталей.
2. Получены актуальные для практики металлургического производства опытные данные о физических свойствах - кинематической вязкости, поверхностном натяжении и удельном электросопротивлении - расплавов Fe-(5-25)мас.%Mn-(0-2)мас.%С.
3. Способ перегрева расплава (MST) для его подготовки к литью и кристаллизации апробирован на жидкой стали Гадфильда (стали марки 110Г13Л).
Методология и методы научных исследований.
Измерялись физические свойства сплавов Fe-Mn-C в жидком состоянии (кинематическая вязкость, удельное электросопротивление, коэффициент поверхностного натяжения) и определялись значения температур, перегрев свыше которых (MST) приводит к разрушению микрогетерогенности, т.е. LLT в расплаве. Измерение физических свойств расплавов проведено методом Швидковского, методом Регеля, методом большой капли на оригинальных экспериментальных установках «Исследовательского центра физики металлических жидкостей» ИНМТ УрФУ.
Изучение влияния разрушения микрогетерогенности (LLT в расплаве) на условия кристаллизации проводилось традиционными методами сравнительного металлографического анализа микроструктуры, кристаллического строения, механических свойств в субмикрообъемах твердого металла на оборудовании ЦКП ИЕНМ УрФУ «Современные нанотехнологии» (использовался сканирующий электронный микроскоп CarlZeiss AURIGA CrossBeam, наноиндентер№по8сап-4П).
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты измерения физических свойств - кинематической вязкости, удельного электросопротивления и поверхностного натяжения - расплавов Бе-(4,0-25,0)мас.%Мп- (0,0-2,2)мас.%С и жидкой стали Гадфильда.
2. Определенные значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве, для расплавов Fe- (4,0-25,0)мас.%Мп-(0,0-2,2) мас.% С и жидкой стали Гадфильда.
3. Закономерности влияния LLT в расплаве Fe-Mn-C на условия кристаллизации, что отражается в изменении микроструктуры, кристаллического строения, механических свойств в субмикрообъемах твердого металла.
4. Модель структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» на базе представлений теории явлений переноса в неоднородных средах для априорного определения значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве.
5. Обоснование возможности существования термодинамически устойчивых микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C при температурах близких к ликвидусу в рамках представлений химической термодинамики.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования и воспроизводимостью результатов. Изучение микроструктуры, кристаллического строения и механических свойств в субмикрообъемах осуществлялся на современном сертифицированном оборудовании в ЦКП ИЕНМ УрФУ «Современные нанотехнологии» в соавторстве с к.ф.-м.н., с.н.с. Д.С. Чезгановым, лаборантом В.В. Южаковым. Измерение кинематической вязкости, удельного электросопротивления и поверхностного натяжения осуществлялось на оригинальном запатентованном оборудовании «Исследовательского центра физики металлических жидкостей» ИНМТ УрФУ в соавторстве с с.н.с. В.В. Вьюхиным.
Апробация результатов
Основные результаты работы представлены на 9 всероссийских и международных научных конференциях: «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ» (Екатеринбург, 2018 г.), VI Международная молодежная научная конференция. «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2019» (Екатеринбург, 2019 г.), «Кристаллизация: Компьютерные модели, эксперимент, технологии. КРИС-2019» (Ижевск, 2019 г.), XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Санкт- Петербург, 2019 г.), 3-я международная конференция «Scanning Probe Microscopy. SPM- 2019» (Екатеринбург, 2019 г.), Международная научная конференция «Физико-химические основы металлургических процессов», имени академика А.М. Самарина (Москва, 2019 г.), IV Международная школа для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (Екатеринбург, 2019 г.), VII Международная молодежная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2020» (Екатеринбург, 2020 г.), «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2020 г.).
Личный вклад автора
Анализ литературных данных, проведение экспериментов, анализ полученных результатов и их интерпретации, подготовка научных публикаций.
Публикации
Основное содержание диссертационного исследования изложено в 9 статьях в журналах, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science; 9 тезисах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5-и глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 147 страниц, 9 таблиц, 39 рисунков и список литературы из 161 наименований.
Благодарность
Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю д.ф.-м.н., профессору кафедры физики ИнФО О.А. Чиковой за научное руководство и неоценимую помощь в проведении исследований и подготовке работы; сотрудникам «Исследовательского центра физики металлических жидкостей» ИНМТ УрФУ и ЦКП ИЕНМ УрФУ «Современные нанотехнологии» за постоянное внимание и помощь в работе.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90198.
Сплавы Fe-Mn-C нашли широкое применение в промышленности в качестве конструкционных материалов с высокой прочностью. Однако, практически все исследования, направленные на повышение прочностных свойств сплавов Fe-Mn-C, сводятся к температурному воздействию на закристаллизованный металл. Актуально изучение физических свойств сплавов Fe-Mn-C в жидком состоянии и анализ их результатов на основе представлений физической химии о структурном переходе «жидкость-жидкость», понимаемом как структурный переход «гетерогенная система - однородный раствор». Представления современной химической термодинамики и кинетики о структурном переходе «жидкость-жидкость» (Liquid-liquid structure transition, LLT) как структурном переходе «гетерогенная система - однородный раствор» ближе всего к концепции П.С. Попеля микрогетерогенного состояния жидких многокомпонентных сплавов с эвтектическим и монотектическим взаимодействием компонентов. Под микрогетерогенным состоянием химически неоднородного расплава понимается наличие в нем дисперсных частиц, обогащенных одним из компонентов, которые взвешены в окружающей среде иного состава и отделены от нее межфазной поверхностью. Микрогетерогенное состояние разрушается в результате энергетического воздействия на расплав, например, нагрева до определенного для каждого состава температуры. После необратимого разрушения микрогетерогенного состояния расплав переходит в состояние истинного раствора, изменяются условия его кристаллизации, что отражается в микроструктуре, кристаллическом строении и механических свойствах закристаллизованного металла. Концепция микрогетерогенного состояния расплавов нашла подтверждение в опытах по малоугловому рассеянию нейтронов, проведенных П.С. Попелем, U. Dahlborg, M. Calvo-Dahlborg для эвтектик Pb-Sn, Al-Si - показало наличие в расплаве областей, обогащенных одним из элементов, оделенных от остальной части жидкого сплава переходным слоем. Удалось идентифицировать два семейства частиц: малые частицы размером 10-40 Â и крупные частицы с размером до 90 Â; в результате повышения температуры такие области растворяются и рекомбинируют.
Применение структурного перехода «жидкость-жидкость» в качестве стратегии создания металлов и сплавов с заранее заданными свойствами доказало свою практичность и эффективность. R. Kurita, H. Tanaka приводят экспериментальные доказательства связи между кристаллизацией и переходом жидкость-жидкость (LLT) и обнаружили, что частота зародышеобразования кристаллов резко увеличивается при кратковременном предварительном отжиге вблизи, но выше температуры спинодали LLT, что вызвано снижением межфазной энергии кристалл-жидкость из-за присутствия флуктуаций параметра порядка подобных критическим. Установлено, что можно не только контролировать частоту зародышеобразования кристаллов с помощью LLT, но и обеспечить способ управления структурой кристаллических зерен, которая определяет механические и теплофизические свойств кристаллических материалов. Представления физической химии металлургических процессов о структурном переходе «жидкость- жидкость» согласуются с практикой обработки расплава перегревом (Melt Superheating Treatment, MST) для повышения механических свойств отливок, способ MST изобретен I.G. Farbenindustrie. Исследовано влияние MST на морфологию границы раздела твердое/жидкое (S/L) при затвердевании и установлено, что обработка расплава перегревом увеличивает стабильность поверхности раздела S/L и оказывает существенное влияние на характеристики затвердевания. M. Sabzi установлено, что MST расплава Fe- 12мас.%Mn-1мас.%C при последующем охлаждении и кристаллизации привело к увеличению зерен аустенита (твердого раствора углерода в железе) и к уменьшению количества карбидов, что объясняется уменьшением количества центров кристаллизации.
Систематическое изучение структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» как условия кристаллизации расплавов на основе алюминия, меди и железа с различным типом диаграмм состояния проведено О.А. Чиковой. Измерены физические свойства расплавов - вязкость, электросопротивление и поверхностное натяжение - в максимально широком диапазоне температур. Анализ температурных зависимостей свойств расплавов на основе представлений химической термодинамики и кинетики (выявление аномалий температурных зависимостей) позволил определить значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве. Установлено влияние разрушения микрогетерогенности расплава на микроструктуру, кристаллическое строение и механические свойства закристаллизованного металла. Разрушение микрогетерогенности в расплавах, компоненты которых взаимодействуют эвтектически, привело к смещению эвтектической точки вправо, измельчению и изменению морфологии первичных кристаллов и кристаллов эвтектических фаз. Разрушение микрогетерогенного состояния в расплавах, компоненты которых взаимодействуют монотектически, привело к подавлению макрорасслоения и формированию слитков со структурой «замороженной эмульсии» (псевдосплавов), к смещению точки монотектики вправо подобно расплавам простых эвтектик. Причина указанных структурных изменений - повышение переохлаждения и изменения скорости массопереноса на фронте кристаллизации.
Данная работа посвящена изучению структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» в расплавах Fe-(4,0-25,0)мас.%Mn-(0,0-2,2)мас.%C как условия кристаллизации. О возможности структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» в расплавах Fe-Mn-C свидетельствует значительное отклонение системы от идеальности: энтальпия жидкого сплава Fe-Mn-C отрицательна и снижается с увеличением содержания Mn и C. Оценка термодинамических свойств расплавов Fe-Mn-C показала наличие сильного межчастичного взаимодействия, которое приводит к ближнему упорядочению. Растворимость углерода увеличивается с увеличением содержания Mn, на основании чего можно полагать, что в расплавах Fe-Mn-C весь углерод будет либо растворен в Fe, либо связан соединениями с Mn. Изучались физические свойства расплавов Fe-(4,0-25,0)мас.%Mn-(0,0-2,2)мас.%C - вязкость, электросопротивление и поверхностное натяжение - в максимально широком диапазоне температур. На основе представлений химической термодинамики и кинетики о природе аномалий температурных зависимостей физических свойств расплавов определены значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве. Исследовано влияние LLT в расплаве Fe-Mn-C на микроструктуру и механические свойства закристаллизованного металла. Анализ условий кристаллизации подразумевал установление связи между LLT в расплаве Fe-Mn- C и микроструктурой, кристаллическим строением и механическими свойствами слитка в субмикрообъемах.
Цель работы: изучение физических свойств и условий кристаллизации расплавов Fe-Mn-C на основе представлений химической термодинамики и кинетики о микрогетерогенности. Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучить температурные зависимости физических свойств (кинематической вязкости, удельного электросопротивления и поверхностного натяжения) расплавов Fe-Mn-C с целью определения значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, T.C.LLTв расплаве;
2. Установить закономерности влияния LLT в расплаве Fe-Mn-C на условия кристаллизации, что отражается в изменении микроструктуры, кристаллического строения, механических свойств в субмикрообъемах твердого металла;
3. Провести оценку параметров микрогетерогенной структуры расплавов Fe-Mn-C в рамках представлений теории абсолютных скоростей реакций о вязкости дисперсных систем;
4. Разработать модель структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» для априорного определения значений температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т.е.ШГ в расплаве.
5. Оценить термодинамическую устойчивость микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C при температурах близких к ликвидусу в рамках представлений химической термодинамики.
Научная новизна работы:
1. Получены оригинальные экспериментальные данные о физических свойствах расплавовFe-(5-25)мас.%Mn-(0-2)мас.%C (кинематическая вязкость, удельное электросопротивление, поверхностное натяжение) в максимально широком интервале температур.
2. Впервые определены значения температур, перегрев расплавов Fe-(5-25)мас.%Mn- (0-2)мас.%С, свыше которых (MST) приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве.
3. Разработана концептуальная модель структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» для априорного определения значения температур, перегрев расплава Fe-Mn-C (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т.е-LLT в расплаве.
Теоретическая значимость данной работы:
1. Использование представлений теории абсолютных скоростей реакций о вязкости дисперсных систем позволяет оценить параметры микрогетерогенной структуры расплавов Fe-Mn-C.
2. Применение концептуальной модели структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» позволяет априорно определить значения температур, перегрев расплавов Fe-Mn-C свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности.
3. Показана термодинамическая устойчивость микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C при температурах близких к ликвидусу.
Практическая значимость данной работы:
1. Предложен оригинальный способ перегрева расплавов Fe-(5-25)мас.%Mn-(0- 2)мас.%С (MST), который может быть полезен для повышения качества марганцовистых сталей.
2. Получены актуальные для практики металлургического производства опытные данные о физических свойствах - кинематической вязкости, поверхностном натяжении и удельном электросопротивлении - расплавов Fe-(5-25)мас.%Mn-(0-2)мас.%С.
3. Способ перегрева расплава (MST) для его подготовки к литью и кристаллизации апробирован на жидкой стали Гадфильда (стали марки 110Г13Л).
Методология и методы научных исследований.
Измерялись физические свойства сплавов Fe-Mn-C в жидком состоянии (кинематическая вязкость, удельное электросопротивление, коэффициент поверхностного натяжения) и определялись значения температур, перегрев свыше которых (MST) приводит к разрушению микрогетерогенности, т.е. LLT в расплаве. Измерение физических свойств расплавов проведено методом Швидковского, методом Регеля, методом большой капли на оригинальных экспериментальных установках «Исследовательского центра физики металлических жидкостей» ИНМТ УрФУ.
Изучение влияния разрушения микрогетерогенности (LLT в расплаве) на условия кристаллизации проводилось традиционными методами сравнительного металлографического анализа микроструктуры, кристаллического строения, механических свойств в субмикрообъемах твердого металла на оборудовании ЦКП ИЕНМ УрФУ «Современные нанотехнологии» (использовался сканирующий электронный микроскоп CarlZeiss AURIGA CrossBeam, наноиндентер№по8сап-4П).
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты измерения физических свойств - кинематической вязкости, удельного электросопротивления и поверхностного натяжения - расплавов Бе-(4,0-25,0)мас.%Мп- (0,0-2,2)мас.%С и жидкой стали Гадфильда.
2. Определенные значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве, для расплавов Fe- (4,0-25,0)мас.%Мп-(0,0-2,2) мас.% С и жидкой стали Гадфильда.
3. Закономерности влияния LLT в расплаве Fe-Mn-C на условия кристаллизации, что отражается в изменении микроструктуры, кристаллического строения, механических свойств в субмикрообъемах твердого металла.
4. Модель структурного перехода «гетерогенная система - однородный раствор» на базе представлений теории явлений переноса в неоднородных средах для априорного определения значения температур, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве.
5. Обоснование возможности существования термодинамически устойчивых микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C при температурах близких к ликвидусу в рамках представлений химической термодинамики.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования и воспроизводимостью результатов. Изучение микроструктуры, кристаллического строения и механических свойств в субмикрообъемах осуществлялся на современном сертифицированном оборудовании в ЦКП ИЕНМ УрФУ «Современные нанотехнологии» в соавторстве с к.ф.-м.н., с.н.с. Д.С. Чезгановым, лаборантом В.В. Южаковым. Измерение кинематической вязкости, удельного электросопротивления и поверхностного натяжения осуществлялось на оригинальном запатентованном оборудовании «Исследовательского центра физики металлических жидкостей» ИНМТ УрФУ в соавторстве с с.н.с. В.В. Вьюхиным.
Апробация результатов
Основные результаты работы представлены на 9 всероссийских и международных научных конференциях: «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ» (Екатеринбург, 2018 г.), VI Международная молодежная научная конференция. «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2019» (Екатеринбург, 2019 г.), «Кристаллизация: Компьютерные модели, эксперимент, технологии. КРИС-2019» (Ижевск, 2019 г.), XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Санкт- Петербург, 2019 г.), 3-я международная конференция «Scanning Probe Microscopy. SPM- 2019» (Екатеринбург, 2019 г.), Международная научная конференция «Физико-химические основы металлургических процессов», имени академика А.М. Самарина (Москва, 2019 г.), IV Международная школа для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (Екатеринбург, 2019 г.), VII Международная молодежная научная конференция «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2020» (Екатеринбург, 2020 г.), «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2020 г.).
Личный вклад автора
Анализ литературных данных, проведение экспериментов, анализ полученных результатов и их интерпретации, подготовка научных публикаций.
Публикации
Основное содержание диссертационного исследования изложено в 9 статьях в журналах, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science; 9 тезисах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5-и глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 147 страниц, 9 таблиц, 39 рисунков и список литературы из 161 наименований.
Благодарность
Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю д.ф.-м.н., профессору кафедры физики ИнФО О.А. Чиковой за научное руководство и неоценимую помощь в проведении исследований и подготовке работы; сотрудникам «Исследовательского центра физики металлических жидкостей» ИНМТ УрФУ и ЦКП ИЕНМ УрФУ «Современные нанотехнологии» за постоянное внимание и помощь в работе.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90198.
1. Изучены температурные зависимости физических свойств - кинематической вязкости v(T), удельного электросопротивления p(T), поверхностного натяжения o(T) - расплавов Fe-(4,0-25,0)%Mn-(0,0-2,2)%C и жидкой стали Гадфильда. Обнаружены аномалии зависимостей v(T), p(T), o(T). На основе представлений химической термодинамики и кинетики об аномалиях температурных зависимостей расплавов определены значения температур Т*, перегрев расплава (MST) свыше которых приводит к разрушению микрогетерогенности, т. е. LLT в расплаве. Исследовано влияние LLT в расплавах Fe-Mn-C на микроструктуру, кристаллическое строение и механические свойства в субмикрообъемах закристаллизованного металла.
2. Разработана модель структурного перехода микрогетерогенной системы к однородному на атомном уровне раствору при нагреве расплава до температуры Т*. Значение Т* определялось из условия равенства проводимости гетерогенного жидкого сплава (расчет в рамках представлений теории явлений переноса в неоднородных средах) и проводимости раствора железа в марганце (расчет по аддитивной зависимости). Полученные расчетные значения температуры T*=1760-2100 К согласуются с экспериментально определенными по аномалиям температурных зависимостей физических свойств расплавов Fe-Mn-C.
3. Проведена оценка термодинамической устойчивости микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C. Расплав Fe-C-Mn рассматривали как микрогетерогенную систему, т. е. предполагали существование дисперсных частиц (Fe-С) в дисперсионной среде (Mn-C), где граница «частица - среда» представлена насыщенным раствором углерода в железе. Обнаружено наличие термодинамически устойчивых дисперсных частиц (Fe-С) размера 7,05-10'9-1,1- 10-8м.
4. Изучено влияние разрушения микрогетерогенности расплавов Fe-Mn-C как условия кристаллизации на микроструктуру, кристаллическое строение и механические свойства в субмикрообъемах закристаллизованных образцов. Обнаружено, что разрушение микрогетерогенности расплава Fe-Mn-C приводит к увеличению дендритного параметра литой структуры, протяженности вторичных ветвей дендритов, размеров кристаллитов, а также к относительному увеличению доли малоугловых границ, что может свидетельствовать о повышении эксплуатационных характеристик слитка.
5. Изучено влияние разрушения микрогетерогенности жидкой стали Гадфильда как условия кристаллизации на микроструктуру, кристаллическое строение и механические свойства в субмикрообъемах литого металла. Обнаружена ликвационная неоднородность дендритов аустенита по марганцу, по границам дендритов образуется слой толщиной ~10мкм с содержанием марганца 20-30 мас. %. Дендритная ликвация также наблюдалась в полученных в лабораторных условиях слитках Fe-Mn-С вне зависимости от условий кристаллизации; ее возникновение не связано с разрушением микрогетерогенности, т. е. наличием структурного перехода (LLT) от гетерогенной системы к однородному на атомном уровне раствору железа и углерода в марганце при нагреве расплава до Т*.
Перспективы дальнейшего развития темы: В дальнейшем предполагается на основе представлений химической термодинамики и кинетики, полученных опытных данных о физических свойствах расплавов Fe-Mn-С (кинематическая вязкость, коэффициент поверхностного натяжения) провести теоретическую оценку параметров дендритной структуры закристаллизованного металла при различных условиях кристаллизации (гетерогенный расплав или однородный на атомном уровне раствор железа и углерода в марганце).
2. Разработана модель структурного перехода микрогетерогенной системы к однородному на атомном уровне раствору при нагреве расплава до температуры Т*. Значение Т* определялось из условия равенства проводимости гетерогенного жидкого сплава (расчет в рамках представлений теории явлений переноса в неоднородных средах) и проводимости раствора железа в марганце (расчет по аддитивной зависимости). Полученные расчетные значения температуры T*=1760-2100 К согласуются с экспериментально определенными по аномалиям температурных зависимостей физических свойств расплавов Fe-Mn-C.
3. Проведена оценка термодинамической устойчивости микрогетерогенных состояний в расплавах Fe-Mn-C. Расплав Fe-C-Mn рассматривали как микрогетерогенную систему, т. е. предполагали существование дисперсных частиц (Fe-С) в дисперсионной среде (Mn-C), где граница «частица - среда» представлена насыщенным раствором углерода в железе. Обнаружено наличие термодинамически устойчивых дисперсных частиц (Fe-С) размера 7,05-10'9-1,1- 10-8м.
4. Изучено влияние разрушения микрогетерогенности расплавов Fe-Mn-C как условия кристаллизации на микроструктуру, кристаллическое строение и механические свойства в субмикрообъемах закристаллизованных образцов. Обнаружено, что разрушение микрогетерогенности расплава Fe-Mn-C приводит к увеличению дендритного параметра литой структуры, протяженности вторичных ветвей дендритов, размеров кристаллитов, а также к относительному увеличению доли малоугловых границ, что может свидетельствовать о повышении эксплуатационных характеристик слитка.
5. Изучено влияние разрушения микрогетерогенности жидкой стали Гадфильда как условия кристаллизации на микроструктуру, кристаллическое строение и механические свойства в субмикрообъемах литого металла. Обнаружена ликвационная неоднородность дендритов аустенита по марганцу, по границам дендритов образуется слой толщиной ~10мкм с содержанием марганца 20-30 мас. %. Дендритная ликвация также наблюдалась в полученных в лабораторных условиях слитках Fe-Mn-С вне зависимости от условий кристаллизации; ее возникновение не связано с разрушением микрогетерогенности, т. е. наличием структурного перехода (LLT) от гетерогенной системы к однородному на атомном уровне раствору железа и углерода в марганце при нагреве расплава до Т*.
Перспективы дальнейшего развития темы: В дальнейшем предполагается на основе представлений химической термодинамики и кинетики, полученных опытных данных о физических свойствах расплавов Fe-Mn-С (кинематическая вязкость, коэффициент поверхностного натяжения) провести теоретическую оценку параметров дендритной структуры закристаллизованного металла при различных условиях кристаллизации (гетерогенный расплав или однородный на атомном уровне раствор железа и углерода в марганце).
Подобные работы
- Микрогетерогенность и условия кристаллизации расплавов Fe-Mn-C
Диссертации (РГБ), химия. Язык работы: Русский. Цена: 4350 р. Год сдачи: 2021