Структура и свойства неравновесных сплавов железо-медь, полученных механоактивацией под давлением

Проведено исследование процессов механосплавления железомедных гетерогенных смесей порошков, охватывающих весь концентрационный интервал с шагом в 10 ат. %. Механосплавление проводилось холодной деформацией (300 К) под давлением по методу Бриджмена при давлении 6-8 ГПа. Структурное состояние сильнодеформированных образцов исследовалось методами РСА, ПЭМ и ЯГР-спектроскопии. Проведены измерения микротвердости.

На основе РСА данных выявлены концентрационные границы одно- и двухфазных твердых растворов: с ОЦК-структурой на основе железа (Cu=0-20 ат. %) и ГЦК-структурой на основе меди (Cu=50-100 ат. %). Промежуточная концентрационная область (Cu=30-50 ат. %) является двухфазной. По данным РСА образование твердых растворов наблюдается уже при деформации e=5-7, в рамках чувствительности РСА значительное увеличение деформации не приводит к заметным изменениям в состоянии материалов. В отличие от РД данных, анализ сверхтонких полей, полученных из мессбауэровских спектров, свидетельствует о более гомогенном распределении атомов железа и меди в твердых растворах полученных при более высоких деформациях. Различие в степени гомогенности особенно заметно в однофазных растворах из концентрационных областей, близких к чистым компонентам. По РСА данным образцы полученные двойным переделом имеют те же границы существования фаз, что и однократно деформированные. Однако, мессбауэровские спектры имеют существенные отличия. При двойном переделе сплавы более гомогенны на атомарном уровне. Мессбауэровское исследование указывает на наличие неполного взаимного растворения компонентов. Установленная нами и согласующаяся с данными других исследователей [1], зависимость параметра элементарной ячейки ГЦК фазы от состава, предполагает изменение химического состава ГЦК сплавов в сторону обогащения медью для двухфазной по РСА данным области. Этот факт требует рассмотрения процессов, протекающих при деформировании.

Исследования структуры методом электронной микроскопии показали уменьшение среднего размера нанокристаллитов при снижении концентрации меди в образцах. Диапазон размеров микрокристаллитов железомедных сплавов находится в интервале 30-100 нм. Обнаружено возрастание значения микротвердости сплавов по мере увеличения содержания железа, причем нарушение монотонности роста приходится на концентрационный интервал двухфазного состояния сплавов.

Сплавление предполагает развитие следующих процессов. Механическое измельчение частиц и образование нанокристаллической структуры материалов ведет к значительному увеличению площади контактных поверхностей кристаллитов и, как следствие, к крайне высокой активности диффузионных процессов при механоактивации. Однако, термически активируемая диффузия должна была бы разделять железо и медь из-за их большой положительной энтальпии смешения. Поэтому, можно рассматривать отдельно диффузию, активируемую механически, которая и должна приводить к гомогенизации на уровне атомов. Но, достижению состояния равновесного твердого раствора с полностью статистически случайным распределением атомов железа и меди мешает конкурирующая с механодиффузией термически активируемая диффузия, при которой возможно химическое разделение компонентов на атомном уровне с последующим образованием кластеров и (или) нанокристаллитов.

Исследования тонкой структуры мессбауэровских спектров сплавов всех концентраций, полученных деформацией, показало наличие структурной и химической неоднородности. При более высоких интенсивности деформирования и накопленной деформации сплавы более гомогенны на атомном уровне, что можно объяснить сдвигом баланса двух процессов: растворения путем механодиффузии с одной стороны, и сегрегации компонентов из-за термически активируемой диффузии, с другой.