Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия:

Н. И. Синицин, аспирант кафедры физики Института фундаментального образования, эл. почта: n.i.sinitsin@urfu.ru

Д. С. Чезганов, старший научный сотрудник отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук и математики, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: chezganov.dmitry@urfu.ru
Е. А. Пашнина, лаборант-исследователь отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники,
эл. почта: elena.pashnina@urfu.ru

Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия¹ ; Уральский государственный педагогический университет, Екатеринбург, Россия²:
О. А. Чикова, профессор кафедры физики Института фундаментального образования^1,2, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: O.A.Chikova@urfu.ru

Представлены результаты сравнительного анализа микроструктуры, кристаллического строения и механических свойств в субмикрообъемах сплавов Fe — 12 % (мас.) Mn — 1 % (мас.) C, закристаллизованных из расплава в различном структурном состоянии: с разрушением и без разрушения микрогетерогенности. Ранее авторами установлено, что перегрев расплава Fe — 12 % (мас.) Mn — 1 % (мас.) C до температуры 1700 °C приводит к разрушению микрогетерогенности, что изменяет условия кристаллизации слитка. Под микрогетерогенностью понимается наличие в расплаве дисперсных частиц, обогащенных железом, которые взвешены в окружающей среде иного состава и отделены от нее четкой межфазной поверхностью. Исследование сплавов проводили средствами сканирующей электронной микроскопии (энергодисперсионный анализ, EDS), методом дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD) и наноиндентирования. Установлено, что разрушение микрогетерогенности расплавов Fe — 12 % (мас.) Mn — 1 % (мас.) C при охлаждении и последующей кристаллизации привело к увеличению дендритного параметра от 85 до 120 мкм с увеличением протяженности вторичных ветвей дендритов, размеров кристаллитов и доли малоугловых границ. На поверхности дендритов аустенита вне зависимости от условий кристаллизации формируются обогащенные марганцем ликвационные слои толщиной L ~70–120 мкм с содержанием марганца 20 % (мас.), что приводит к деформационной неоднородности слитка. На основании данных наноиндентирования рассчитано, что адгезия обогащенного марганцем ликвационного слоя к телу дендрита аустенита K_int для образца закристаллизованного после разрушения микрогетерогенного состояния увеличилась в 1,2 раза. Также возросла в 1,4 раза энергия разрушения по границе ликвационного слоя и тела дендрита аустенита G_c. Средние значения твердости, модуля Юнга дендритов аустенита после разрушения микрогетерогенности практически не изменились. Механические характеристики слитка, закристаллизованного после разрушения микрогетерогенности расплава Fe —12 % (мас.) Mn — 1 % (мас.) C, при ударной нагрузке в целом улучшились.

Работа выполнена с использованием оборудования УЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90198.

1. Давыдов Н. Г. Высокомарганцевая сталь. — М. : Металлургия, 1979. — 176 с.
2. Волынова Т. Ф. Высокомарганцовистые стали и сплавы. — М. : Металлургия, 1988. — 341 c.
3. Волков В. Н., Дибров А. Б., Андронов П. П. Влияние структуры высокомарганцевой стали 110Г13Л на магнетизм и механические свойства отливок // Вестник ВКГТУ. 2005. № 1. C. 8–14.
4. Синицкий Е. В., Нефедьев А. А., Ахметова А. А., Овчинникова М. В., Хренов И. Б. и др. Обзор результатов исследований, направленных на улучшение свойств отливок из высокомарганцевой стали // Литейное производство. 2016. Т. 19, № 2. C. 45–57.
5. Квеглис Л. И., Носков Ф. М., Казанцева В. В. и др. Сплавы железо – марганец – углерод с аномальным объемом кристаллической решетки // Известия РАН. Серия Физическая. 2008. Т. 72, № 8. С. 1235–1237.
6. Stepanova N. N., Rodionov D. P., Turkhan Yu. E., Sazonova V. A., Khlystov E. N. Phase stability of nickel-base superalloys solidified after a high-tempe rature treatment of the melt // Physics of Metals and Metallography. 2003. Vol. 95. No. 6. P. 602–609.
7. Yang M., Pan J., Liu X., Dong M., Xu S. et al. Effects of melt overheating on undercooling degree, glass forming ability and crystallization behavior of Nd9Fe70Ti4C2B15 permanent magnetic alloy // Journal of the Chinese Rare Earth Society. 2016. Vol. 34. No. 3. P. 273–281.
8. Yin F. S., Sun X. F., Li J. G., Guan H. R., Hu Z. Q. Effects of melt treatment on the cast structure of M963 superalloy // Scripta Materialia. 2003. Vol. 48. No. 4. P. 425–429.
9. Mostert R. J., Van Rooyen G. T. Quantitative assessment of the harden abi lity increase resulting from a super harden ability treatment // Metallurgical transactions. A. 1984. Vol. 15 A. No. 12. P. 2185–2191.
10. Wang C., Zhang J., Liu L., Fu H. Effect of melt superheating treatment on directional solidification interface morphology of multi-component alloy // Journal of Materials Science and Technology. 2011. Vol. 27. No. 7. P. 668–672.
11. Wang L., Bo L., Zuo M., Zhao D. Effect of melt superheating treatment on solidification behavior of uniform Al10Bi54Sn36 monotectic alloy // Journal of Molecular Liquids. 2018. Vol. 272. P. 885–891.
12. Jia P., Gao Z., Hu X., Liu Y., Zhang J. et al. Correlation of composition, coo ling rate and superheating temperature with solidification behaviors and microstructures of Al – Bi – Sn ribbons // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. No. 6. 066539 p.
13. Su H., Wang H., Zhang J., Guo M., Liu L. et al. Influence of melt superheating treatment on solidification characteristics and rupture life of a third-generation Ni-based single-crystal superalloy // Metallurgical and Materials Transactions: B. 2018. Vol. 49. No. 4. P. 1537–1546.
14. Calvo-Dahlborg M., Popel P. S., Kramer M. J., Besser M., Morris J. R. et al. Superheatdependent microstructure of molten Al - Si alloys of different compositions studied by small angle neutron scattering // Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 550. P. 9–22.
15. Попель П. С. Метастабильная микрогетерогенность расплавов в системах с эвтектикой и монотектикой и ее влияние на структуру сплава после затвердевания // Расплавы. 2005. № 1. P. 22–48.
16. He Y.-X., Li J.-S., Wang J., Beaugnon E. Liquid-liquid structure transition in metallic melt and its impact on solidification: A // Transaction of Nonferrous Metals Society of China. 2020. Vol. 30. P. 2293–2310.

17. Kuritaa R., Tanakaa H. Drastic enhancement of crystal nucleation in a molecular liquid by its liquid-liquid transition // Applied Physical Sciences. 2019. Vol. 116. No. 50. P. 24949–24955.
18. Чикова О. А., Синицин Н. И., Вьюхин В. В. Вязкость расплавов Fe – Mn – С // Журнал физической химии. 2021. Т. 95. № 2. С. 177–182.
19. Синицин Н. И., Чикова О. А., Вьюхин В. В. Удельное электросопротивление расплавов Fe – Mn – C // Неорганические материалы. 2021. Т. 57. № 1. С. 89–97.
20. Чикова О. А., Синицин Н. И., Вьюхин В. В. Параметры микрогетерогенной структуры жидкой стали 110Г13Л // Журнал физической химии. 2019. Т. 93. № 8. С. 1138–1146. DOI: 10.1134/S0044453719080065
21. Chikova О., Sinitsin N., Vyukhin V., Chezganov D. Microheterogeneity and crystallization conditions of Fe – Mn melts // Journal of Crystal Growth. 2019. Vol. 527. P. 125239. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125239
22. Синицын Н. И., Чикова О. А., Чезганов Д. С. Влияние разрушения микрогетерогенности на микроструктуру и кристаллическое строение слитков стали 110Г13Л (стали Гадфильда) // Черные металлы. 2020. № 1. С. 36–42.
23. ГОСТ 13610–79. Железо карбонильное радиотехническое. Технические условия. — Введ. 01.01.1980. — М. : Издательство стандартов, 1979.
24. ГОСТ 4755–91. Ферромарганец. Технические требования и условия поставки. — Введ. 01.01.1997. — М. : Издательство стандартов, 1991.
25. ГОСТ Р 8.748–2011. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний. — Введ. 01.05.2013. — М. : Издательство стандартов, 2011.
26. Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology // Journal of Materials Research. 2004. Vol. 19. No. 1. P. 3–20.
27. Zhang C., Zhou H., Liu L. Laminar Fe-based amorphous composite coatings with enhanced processand microstructure evolution // Solid State Phenomena. 2011. Vol. 176. P. 29–34.
28. Watanabe T. Grain boundary design and control for high temperature materials // Materials Science and Engineering: A. 1993. Vol. 166. № 1-2. P. 11–28.
29. Lin P., Palumbo G., Erb U., Aust K. T. Influence of grain boundary character distribution on sensitization and intergranular corrosion of alloy 600 // Scripta Metallurgica et Materialia. 1995. Vol. 33. No. 9. P. 1387–1392.
30. Bennett B. W., Pickering H. W. Effect of grain boundary structure on sensitization and corrosion of stainless steel // Metallurgical and Materials Transactions: A. 1991. Vol. 18. No. 6. P. 1117–1124.