Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Одной из важнейших прикладных задач физики конденсированного состояния является создание новых материалов с комплексом заданных физико-химических свойств. Многочисленные исследования природы мартенситных превращений и обусловленных ими свойств сверхупругости и памяти формы привели к созданию нового класса сплавов, нашедших широкое практическое применение. Необходимым условием реализации эффекта памяти является кристаллографическая обратимость мартенситного превращения. Такая обратимость всегда имеет место при термоупругой кинетике превращения, присущей превращениям в сплавах с упорядоченной структурой. Эффект памяти формы реализуется далеко не во всех сплавах с неупорядоченной структурой, испытывающих мартенситной превращение. Обратимости неупругой деформации способствует еще один фактор -формирование самоаккомодационных комплексов, в которых кристаллы мартенсита путем двойникования разбиваются на домены, представляющие собой различные кристаллографически эквивалентные варианты ориентационного соотношения между решетками аустенита и мартенсита, для чего необходимо, чтобы плоскость двойникования решетки мартенсита была параллельна одной из плоскостей симметрии решетки аустенита. Это условие может быть выполнено не для каждого ориентационного соотношения между решетками аустенита и мартенсита. Таким образом, кристаллографический анализ позволяет выявить ориентационные соотношения, для которых возможно формирование самоаккомодационных комплексов, способствующих обратимости неупругой деформации, и тем самым очертить круг поиска новых сплавов с эффектами памяти формы.
Цель работы
Целью настоящей работы является установление корреляции между наблюдением эффекта памяти формы в сплавах с неупорядоченной решеткой и особенностью двойниковой структуры мартенситных кристаллов -возможностью формирования самоаккомодационных комплексов.
В качестве конкретных примеров рассмотрены мартенситные превращения в твердых растворах на основе железа (ГЦК—> ОЦК), титана
(ОЦК—> ГПУ), кобальта (ГЦК—> ГПУ), у-марганца. Наибольший интерес представляют твердые растворы, в которых в зависимости от состава вместе с параметрами решетки мартенситной фазы могут меняться и углы между плоскостями кристаллической решетки. В результате чего в твердых растворах можно путем изменения состава способствовать или препятствовать формированию самоаккомодационных комплексов и, в конечном счете, обратимости неупругой деформации.
Для достижения цели был разработан алгоритм решения вопроса о выполнении необходимых условий формирования самоаккомодационных комплексов, включающий:
1. построение матрицы ориентационного соотношения (матрицы перехода от
базиса решетки мартенсита к базису решетки аустенита);
нахождение индексов плоскостей решетки мартенсита, параллельных плоскостям симметрии кубической решетки аустенита;
рационализация (фактически округление) найденных индексов плоскостей с целью получения целочисленных индексов реальной плоскости двойникования кристалла мартенсита;
анализ возможности двойникования по рассчитанной плоскости.
Научная новизна
Разработан алгоритм решения вопроса о возможности формирования самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов, исходя из известных параметров решетки мартенсита и ориентационного соотношения между решетками аустенитной и мартенситной фаз.
Установлена корреляция между выполнением кристаллографических условий формирования самоаккомодационных комплексов и экспериментально наблюдаемыми эффектами памяти формы в твердых растворах с неупорядоченной структурой.
Показано, что выполнение ориентационных соотношений Вассермана (мартенситное ft —> а превращение в сплавах на основе кобальта), Курдюмова - Закса и Нишиямы (у —> а превращение в сплавах на основе железа) и Бургерса (/? —> а' превращение в сплавах на основе титана и циркония) не удовлетворяет кристаллографическим условиям формирования самоаккомодационных комплексов.
Научная и практическая значимость работ состоит в том, что
разработанный подход из множества факторов, влияющих на возможность реализации эффекта памяти формы, выделяет кристаллографические условия, необходимые для формирования самоаккомодационных комплексов. Выполнение этих условий поддаётся достаточно простому расчёту, позволяющему, в конечном счёте, проводить прогнозирование и давать рекомендации по составам сплавов (в том числе выявлять заведомо неподходящие системы);
применение разработанного алгоритма расчёта к ориентационным соотношениям между решетками аустенита и мартенсита в сплавах с неупорядоченной решеткой позволило установить допустимые значения углов распараллеливания между плоскостями симметрии решетки аустенита и плоскостями двойникования решетки мартенсита, при которых самоаккомодация может иметь место;
- для мартенситного превращения /?—» а"' в твёрдых растворах на основе
титана (циркония) показана возможность исходя из параметров решетки а"-
мартенсита выявлять наиболее подходящие с точки зрения самоаккомодации
составы сплавов. В частности показано, что сґ-мартенсит в твёрдых
растворах на основе титана более склонен к самоаккомодации, по сравнению
со сплавами на основе циркония; из двухкомпонентных систем наиболее
перспективными с точки зрения реализации эффекта памяти формы
являются сплавы системы Ті-Та.
Основные положения, выносимые на защиту
Методика анализа выполнения кристаллографических условий формирования самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов и обоснование плодотворности её использования для неупорядоченных твёрдых растворов с эффектами памяти формы.
Результаты расчёта выполнения кристаллографических условий формирования самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов в твёрдых растворах на основе марганца, железа, кобальта, титана и циркония.
Результаты расчёта ориентационных соотношений между ГЦК аустенитом и ОЦК мартенситом, совместимые с условиями формирования самоаккомодационных комплексов и анализ вероятности их реализации для случая у—> а превращения в сплавах на основе железа.
4. Результаты анализа выполнения условий формирования самоаккомодационных комплексов в зависимости от значений параметров решетки сґ-мартенсита в твёрдых растворах на основе титана и циркония.
Достоверность
Достоверность определяется проверкой результатов численного расчёта путём моделирования рентгенограмм и анализа изменений конфигурации рефлексов в результата учёта двойникования кристаллов мартенсита. Правильность работы используемой программы моделирования контролировалась путём сравнения модельных рентгенограмм с экспериментальными.
Личный вклад соискателя заключается в проведении расчётов, анализе полученных результатов, написании литературного обзора по теме диссертации, в совместной с научным руководителем А.Г. Хунджуа постановке текущих задач, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Ломоносовские чтения (Москва, 2009).
VII национальная конференция РСНЭ (Москва, 2009).
Ломоносовские чтения (Москва, 2010).
V Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2010).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 7 печатных работах, включающих 2 статьи в российских журналах, входящих в перечень ВАК, и 5 тезисов докладов в сборниках трудов и материалах международных и российских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов и списка цитируемой литературы из 104 наименований. Объём диссертации составляет 115 страниц, в том числе 77 рисунков, 22 таблицы.
