АКУСТИЧЕСКИЕ И РЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА НОВЫХ g-АУСТЕНИТНЫХ СПЛАВОВ
СИСТЕМЫ Fe-Cr-Mn В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 5¸325 К

Семеренко Ю.A., Паль-Валь Л.Н., Скибина Л.В.

Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины

В области температур 5¸325 K, подробно изучены температурные зависимости декремента d, динамического модуля Юнга Е и электросопротивления r новых перспективных для криогенного машиностроения и атомной промышленности сплавов Fe_100-x-yCr_xMn_y (x=5; 10 и y=30; 35; 40). Содержание основных примесей: C, N, S, P < 0.1% и Si < 0.3%. Изучены образцы двух типов: 1) цилиндрические стержни, вырезанные из холоднотянутой проволоки диаметром ~ 1 мм; 2) прямоугольные стержни 3´3´25 мм и тонкие пластины 4´0.3´22 мм вырезанные из массивных холоднокатаных заготовок. Образцы имели структуру g-аустенита (рис. 1) полученную отжигом в течение 1 часа при 1273K с последующей закалкой в воду. Образцы содержащие 30% Mn и 5-10%Cr находятся в пограничной области фазовой диаграммы и могут содержать некоторое количество e-мартенситной фазы, доля которой может увеличиваться под действием пластической деформации. Акустические измерения были выполнены двумя резонансными методами: 1) методом двойного составного вибратора (частота продольных колебаний ~75кГц в амплитудно-независимой области ультразвуковой деформации e₀ ~ 10^-7); 2) методом изгибных колебаний с электростатическим возбуждением свободного образца на частоте ~3кГц. r измерялось стандартным четырехточечным методом при двух различных направлениях транспортного тока. Температура стабилизировалась с точностью <50 мK при помощи Cu-константановой термопары, AsGa термометра и резистивного нагревателя. Скорость термоциклирования ~ 1 K/мин.

Экспериментальные результаты можно разделить на две группы с фиксированным содержанием Cr: 5% и 10%, соответственно. В сплавах с 5% Cr на зависимостях d (T) наблюдается серия пиков P₁ (»20К), P₂ (»155K) и P₃ (»255K). С ростом концентрации Mn, высота пика P₁ уменьшается и он трансформируется в плато. Параметры пиков P₂ и P₃ изменяются незначительно и несистематически. В образцах с 10% Cr, на зависимостях d (T) также регистрируются пики внутреннего трения локализованные при T_P2 » 140К и T_P3 » 220К. Наибольшая высота пиков регистрируется в образцах с 40% Mn, а наименьшая – в образцах с 35% Mn. Природа этих пиков остается неизученной. Исследованные сплавы характеризуются сравнительно невысокими значениями d < 6×10^-4 и значительной величиной Е ~ 180 ГПа, который монотонно возрастает на 7% с понижением температуры от 325 до
5 K. Температурные зависимости Е (Т) могут быть описаны аналитическим выражениями в предположении аддитивного вклада электронной и фононной составляющей. Изменение концентрации Mn несистематически влияет на абсолютную величину Е и практически не изменяет форму зависимостей Е (Т). В проволочных образцах d в 2-3 раза выше, а Е на 5-10% меньше, чем в массивных образцах. Возможной причиной этих отличий могут быть различия в структуре проволочных и массивных образцов. Изученные сплавы характеризуются значительным остаточным электросопротивлением r(T=0K) » 50 ¸ 70 mW·cм. В образцах с 5% Cr r возрастает систематически с ростом концентрации Mn. В сплавах с 10% Cr систематическое изменение r при изменении концентрации Mn и Fe не наблюдается (рис. 2).

Рис. 2. Температурные зависимости удельного электросопротивления сплавов Fe_95-xCr₅Mn_x и Fe_90-xCr₁₀Mn_x: (a) – массивные образцы, (b) – проволочные образцы.

Рис. 3. Температурные зависимости логарифмического декремента колебаний d(Т) – (a, c) и динамического модуля Юнга E(T) – (b, d) в сплавах Fe_95-xCr₅Mn_x и Fe_90-xCr₁₀Mn_x: (a, b) – массивные образцы, (c, d) – проволочные образцы. Сплошные линии – фон акустического поглощения

Известно, что превращение g « e сопровождается скачком r и появлением пика поглощения. При этом температуры прямого и обратного превращения не совпадают, и на температурных зависимостях r (Т) и Е (Т) наблюдается гистерезисная петля. На полученных нами зависимостях подобные особенности отсутствуют, что свидетельствует о стабильности структуры изученных сплавов в исследованном интервале температур. Однако, наблюдаемый в сплавах с 10 % хрома несистематический характер изменения акустических и резистивных свойств может быть связан с незначительными включениями e-мартенситной фазы, сформировавшейся в процессе получения образца, наличие которой подтверждают рентгеноструктурные исследования. Нельзя исключить и структурный фактор: пересыщение сплава марганцем и образование крупных кластеров с дальним упорядочением.

13.1. G. Grikurov, N. Antropov, I. Baratashvili, L. Skibina, M. Chernik and K. Yushenko, Adv. Cryog. 50 (2004).

2. Металлография железа, под ред. Ф.Н. Тавадзе, Металлургия, Москва (1972).