УДК: 539.5

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НОВЫХ СПЛАВОВ
54.6
Ni-11Fe-30Cr-3.5Nb-0.5Ti-0.4C и 58Ni-11Fe-30Cr-0.5Nb-0.5Ti

PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF THE NEW ALLOYS
54.6Ni-11Fe-30Cr-3.5Nb-0.5Ti-0.4C AND 58Ni-11Fe-30Cr-0.5Nb-0.5Ti

 

Ю.А. Семеренко, к.ф.-м.н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, г. Харьков, Украина)

К.А. Ющенко, д.т.н. (Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, г. Киев, Украина)

Е.Д. Табачникова, к.ф.-м.н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, г. Харьков, Украина)

Л.В. Скибина, к.ф.-м.н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, г. Харьков, Украина)

В.С. Савченко, д.т.н. (Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, г. Киев, Украина)

М.А. Тихоновский, к.т.н. (ННЦ ХФТИ НАНУ, г. Харьков, Украина)

А.М. Бовда, к.т (ННЦ ХФТИ НАНУ, г. Харьков, Украина)

Т.Ю. Рудычева, к.т (ННЦ ХФТИ НАНУ, г. Харьков, Украина)

 

 

В области температур 4.2-400К впервые изучены механические и акустические свойства новых никелевых сплавов 54.6Ni-11Fe-30Cr-3.5Nb-0.5Ti-0.4C и 58Ni-11Fe-30Cr-0.5Nb-0.5Ti  Показано, что в интервале температур 4.2-400К эти сплавы обладают стабильной структурой и достаточно высокими показателями прочности и пластичности.

Ключевые слова: сплав, прочность, пластичность, акустическое поглощение, динамический модуль упругости.

 

Mechanical and acoustical properties of the new Ni-based alloys 54.6Ni-11Fe-30Cr-3.5Nb-0.5Ti-0.4C and 58Ni-11Fe-30Cr-0.5Nb-0.5Ti were studied for the first time in temperature range 4.2-400K. It was shown that this alloys has a stable microstructure and rather high strength and plasticity at temperature 4.2-400K.

Keywords: alloy, strength, plasticity, acoustical absorption, dynamical elasticity modulus.

 

 

Изучены акустические, механические и структурные свойства сплавов 54.6Ni-11Fe-30Cr-3.5Nb-0.5Ti-0.4C вес.% (сплав №1) и 58Ni-11Fe-30Cr-0.5Nb-0.5Ti вес.% (сплав №2).

Исследованные образцы сплавов были выплавлены в аргонно-дуговой печи на водоохлаждаемой медной подложке в атмосфере очищенного аргона с использованием нерасходуемого вольфрамового электрода. С целью обеспечения однородности распределения компонентов сплав переплавлялся 4-10 раз с переворачиванием слитков. Весовой контроль показал отсутствие потери компонентов при плавке. Контроль однородности образцов осуществляли на металлографических шлифах поперечного сечения слитков. Во всех исследованных образцах ликвация отсутствовала. Внешний вид типичного слитка сплавов №1 и №2 приведен на рис.1.

 Рис. 1. Внешний вид типичного слитка сплавов №1 и №2

 

Далее слитки размеры которых составляли приблизительно 60–50×20×6–10 мм3 прокатывались на холоду при единичном обжатии 5-7%. После деформации на 20-25% образцы отжигали при температуре 900о С в течение 1 часа. В результате были получены полосы толщиной 2 мм без трещин и разрывов. Внешний вид участка полосы, приготовленного для металлографического исследования, приведен на рис. 2.

 

Рис.2. Внешний вид образца для металлографических исследований.

 

 

 

 

 

 

 

Сплав №1 имеет двухфазную структуру (рис. 3). Сплав №2 однофазный (рис. 4), величина зерна составляет 20-30µк.

  

 

Рис. 3. Микроструктура литого сплава №1: а, в –металлография; с - растровая микроскопия, видны мелкие карбиды ниобия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микротвердость сплава №1 составляет 2265 МПа, сплава №2 -1820 МПа.

Ренгеноструктурные измерения проведены на аппарате ДРОН-3 в Cu излучении с графитовым монохроматором. Установлено, что на дифрактограммах в обоих сплавах выявляются линии IIIγ и 200γ никелевого γ-твердого раствора. На дифрактограмме сплава №1 дополнительно выявлены линии карбида ниобия (NbC).

Акустические измерения выполнены методом механической резонансной спектроскопии на частоте 0.5 кГц в амплитудно-независимой области звуковой деформации ~ 10-7. Изгибные колебания консольно закрепленного образца возбуждались электростатическим методом.

  

Рис. 4. Микроструктура литого сплава №2 (металлография).

 

Модуль упругости  консольно закрепленного образца рассчитывался по формуле

где  и  - толщина и длина образца, соответственно;  - экспериментально измеряемая резонансная частота механических колебаний изучаемого образца;  - плотность образца. Акустические измерения проводились в отсутствие внешнего магнитного поля. Температура стабилизировалась с точностью <50 мK при помощи Cu-константановой термопары и изменялась со скоростью ~ 1K/мин.

                    

Рис. 5. Температурные зависимости логарифмического декремента колебаний d и модуля Юнга Е сплавов №1 (а) и №2 (б).

 

Механические измерения выполнены путем одноосного сжатия при скорости относительной деформации 5·10-4 с-1 при температурах 77 и 300 К. Образцы для механических испытаний имели форму прямоугольных призм с размерами 3.3×2.0×1.9 мм. Деформация проводилась на машине МРК-3 производства ФТИНТ НАНУ (жесткость машины 7·106 Н/м). В ходе экспериментов регистрировались зависимости нагрузка-время, которые потом пересчитывались в диаграммы "напряжение - пластическая деформация", из которых определялись условный предел текучести, максимально достигнутое напряжение и пластическая деформация. Напряжение рассчитывалось как отношение нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения образца. Значение деформации определялось как отношение изменения длины образца, обусловленного пластической деформацией, к его первоначальной длине.

На рис. 6 показаны деформационные кривые сплавов 1 и 2, полученные в режиме одноосного сжатия.

 

 

Рис. 6. Деформационные кривые сплавов №1 и №2, полученные в режиме одноосного сжатия при температурах 300 и 77 К.

 

Рис. 7. Температурные зависимости предела текучести сплавов №1 и №2


При понижении температуры от 300К до 77 К предел текучести исследованных сплавов повышается (рис. 7). Увеличение значений предела текучести при понижении температуры от 300 до 77 К составляет 25 % для сплава №1 и 72 % для сплава №2, что значительно превышает изменения модулей упругости в этом интервале температур. Соответственно, наблюдаемая температурная зависимость предела текучести свидетельствует о термоактивируемом характере пластической деформации.

При исследованных температурах на деформационных кривых наблюдаются две основные стадии пластической деформации: при деформациях менее 3-5 % наблюдается параболическая зависимость напряжения от деформации, которая потом сменяется протяженным линейным участком. При температуре 77 К в области больших деформаций (>12 %) наблюдается также начало третьей стадии, характеризующейся увеличением деформационного упрочнения с деформацией.

В таблицах 1 и 2 приведены полученные величины механических характеристик сплавов 1 и 2.

 

Таблица 1. Механические характеристики сплава 54.6Ni-11Fe-30Cr-3.5Nb-0.5Ti-0.4C при температурах 300 и 77 К.

T, K

Предел текучести, ГПа

Максимальное напряжение, ГПа

Максимальная пластическая деформация, %

300

0.55

1.86

23.56

77

0.69

2.89

21.39

 

Таблица 2. Механические характеристики сплава 58Ni-11Fe-30Cr-0.5Nb-0.5Ti при температурах 300 и 77 К.

T, K

Предел текучести, ГПа

Максимальное напряжение, ГПа

Максимальная пластическая деформация, %

300

0.25

1.04

20.76

77

0.43

1.90

16.46

 

ВЫВОДЫ

Установлено, что в интервале температур 77-300 К сплавы
54.6Ni-11Fe-30Cr-3.5Nb-0.5Ti-0.4C и 58Ni-11Fe-30Cr-0.5Nb-0.5Ti обладают достаточно высокими прочностью и пластичностью. На основании анализа температурных зависимостей модуля Юнга Е и предела текучести исследуемого сплава сделан вывод о термоактивируемом характере пластической деформации в интервале температур 77-300 К. Отсутствие на полученных температурных зависимостях акустического поглощения и модуля упругости особенностей и гистерезисных петель, характерных для структурно-фазовых превращений, свидетельствует о стабильности структуры изученных сплавов в исследованном интервале температур