Эволюция микроструктуры и её влияние на мартенситные превращения и неупругие свойства двойных сплавов на основе никелида титана при тёплой деформации Жапова, Доржима Юрьевна

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Жапова, Доржима Юрьевна. Эволюция микроструктуры и её влияние на мартенситные превращения и неупругие свойства двойных сплавов на основе никелида титана при тёплой деформации : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.07 / Жапова Доржима Юрьевна; [Место защиты: Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН].- Томск, 2013.- 280 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-1/132

Введение к работе

Актуальность работы. Сплавы на основе никелида титана (TiNi), обладающие эффектами памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности, являются функциональными материалами и широко применяются в технике и медицине. Современные тенденции к миниатюризации изделий и конструкций из TiNi и сплавов на его основе обусловливают необходимость поиска и физического обоснования новых подходов к созданию материалов с повышенными прочностными свойствами при удовлетворительной пластичности и сохранении высокого ресурса неупругих свойств (ЭПФ и сверхэластичности), проявление которых связано протеканием бездиффузионных термоупругих мартенситных превращений кубической В2 фазы в ромбоэдрическую R и моноклинную В19' мар-тенситные фазы. Анализ результатов работ предшествующего периода показал, что возможности традиционных методов достижения этой цели в значительной степени исчерпаны. Новые перспективы получения высокопрочных сплавов на основе TiNi, обладающих необходимым комплексом функциональных свойств, связывают с формированием в этих материалах ультрамелкозернистой (УМЗ - субмикро- и/или нанокристаллической структуры) методами интенсивной пластической деформации. Это определяет актуальность исследований закономерностей и механизмов формирования зёренной структуры при интенсивной пластической деформации (ИПД) и изменений при этом не только механических, но и неупругих свойств сплавов на основе TiNi. Последнее обусловлено тем, что температуры и последовательность термоупругих мартенситных превращений (МП) и связанные с ними неупругие свойства определяются характеристиками структуры (в том числе зёренно-субзёренной) высокотемпературной В2 фазы, формирующейся в результате воздействия ИПД.

Степень разработанности темы исследования. В последние годы исследованию влияния ИПД на зёренную структуру сплавов на основе TiNi уделяется много внимания. В частности, показана возможность уменьшения размеров зёрен вследствие развития динамической рекристаллизации при горячей деформации (при T>0.5Tn„, где T,„ - температура плавления сплава), но структура образцов при этом остается крупнозернистой. При холодной деформации формирование УМЗ структуры осложнено конкурирующим процессом аморфизации этих сплавов при воздействии ИПД. Наиболее важным является интервал температур «тёплого» деформирования (О.З^/ТплО.5), в котором наблюдается интенсивное измельчение зёрен в различных металлах и сплавах при увеличении степени заданной деформации. Исследования закономерностей и механизмов формирования УМЗ структуры при деформации сплавов на основе TiNi в этом температурном интервале немногочисленны. Наиболее известными являются исследования закономерностей формирования субмикрокристаллической (СМК) структуры при развитии непрерывной динамической рекристаллизации в процессе тёплого равноканально-углового прессования (РКУП) сплавов на основе TiNi. Вместе с тем, большая величина истинной деформации в каждом цикле прессования (0.8+0.9) обусловливает сильное измельчение зёрен уже после первого прохода РКУП. Это не позволяет изучать начальные стадии перехода от крупнозернистой к УМЗ структуре образцов в процессе деформирования и не дает физически обоснованных представлений о критической степени деформации, соответствующей началу развития динамической рекристаллизации при тёплой деформации сплавов на основе TiNi. Систематические исследования эволюции зёренной структуры и изменений при этом механических и неупругих свойств в широком диапазоне заданных деформаций, начиная с самых малых, в настоящей работе реализованы при тёплой деформации сплавов на основе TiNi методами abc-прессования и тёплой прокатки в ручьевых вальцах.

Цель данной работы - исследовать закономерности и механизмы формирования микроструктуры, изменения последовательности и температур МП, механических свойств и неупругих эффектов в двойных сплавах на основе TiNi при «тёплом» деформировании до

4 больших пластических деформаций методами abc-прессования и прокатки в ручьевых вальцах.

Для достижения этой цели в работе были решены следующие научные задачи:

Исследовать закономерности изменения микроструктуры образцов двойных сплавов на основе TiNi при «тёплом» деформировании методами abc-прессования и прокатки в ручьевых вальцах в зависимости от величины заданной истинной деформации.
Исследовать возможный механизм изменения микроструктуры двойных сплавов на основе TiNi при их тёплой деформации методами abc-прессования и прокатки в ручьевых вальцах.
Изучить изменение последовательности и температур мартенситных превращений в зависимости от величины истинной деформации, заданной при «тёплом» деформировании образцам двойных сплавов на основе TiNi.
Исследовать влияние тёплой деформации образцов двойных сплавов на основе TiNi на предел прочности и удлинение до разрушения при испытаниях на растяжение и неупругие свойства при испытаниях на кручение.

Научная новизна.

Экспериментально установлены три стадии перехода от крупнозернистой к ультрамелкозернистой (субмикрокристаллической и нанокристаллической) структуре образцов сплава Ti₄9.2Nijo.8(aT.%) при тёплой прокатке в ручьевых вальцах.
Показано, что критическая величина истинной деформации, при которой начинается непрерывная динамическая рекристаллизация в двойных сплавах на основе TiNi в процессе тёплой деформации, равна 1.4 при многоцикловой ковке с переменой оси деформирования и 0.2 при многопроходной прокатке в ручьевых вальцах. В работе предложено называть большими пластическими деформациями те, которые превышают данную критическую величину деформации, характерную для каждого термодеформационного процесса.
Экспериментально обнаружено увеличение в 1.5 раза предела прочности в образцах сплава Ti₄₉.8Ni5o.2(aT.%) в результате формирования мелкозернистой и ультрамелкозернистой структуры методом тёплого abc-прессования. При этом обнаружено, что наиболее высокое значение предела прочности, равное 1770 МПа, наблюдается при растяжении образцов в предмартенситном состоянии, а в состоянии мартенситной фазы В19' предел прочности снижается на 250 МПа.
В интервале температур тёплой деформации методами ковки с переменой оси деформирования и многопроходной прокатки в ручьевых вальцах измельчение исходной крупнозернистой структуры двойных сплавов на основе никелида титана вплоть до микро-и субмикрокристаллической структур с квазиравноосными зёрнами почти не влияет на температуры мартенситных превращений и, следовательно, на температурные интервалы проявления эффектов памяти формы и сверхэластичности. Такие термодеформационные обработки могут быть рекомендованы для получения качественных полуфабрикатов в виде прутков, пластин и проволоки при промышленном производстве и переделе этих сплавов.
Обнаружен эффект аномально высокого (16.5-19.1%) проявления суммарной возвращаемой неупругой деформации вследствие реализации ЭПФ и сверхэластичности в сплаве Ті₄9.2Мі₅о.8(ат.%), который превышает кристаллографический ресурс неупругой мартенситной деформации для двойных сплавов на основе TiNi, равный 10-12%. Показано, что данный эффект не зависит от размера зёрен в образцах (при уменьшении среднего размера зерна от 94 мкм до 1.5 мкм величина суммарной обратимой неупругой деформации уменьшается не более, чем на 2%).

Теоретическая и практическая значимость работы. Выявленные закономерности изменения микроструктуры двойных сплавов на основе TiNi в процессе «тёплого» деформирования могут быть основой для развития теоретических моделей механизмов

5 измельчения зёренной структуры в металлических материалах под влиянием больших пластических деформаций.

Результаты работы могут быть использованы при создании материалов с заданными характеристиками мартенситных фазовых превращений, механических свойств, ЭПФ и сверхэластичности, а также в курсе лекций для студентов профильных вузов.

Связь с государственными программами и проектами. Исследования, основные результаты которых представлены в диссертационной работе, выполнены в рамках комплексных госбюджетных проектов Ш.20.2.2. Программы Ш.20.2 фундаментальных исследований СО РАН (2010-2012 гг.) и Программы Ш.23.2. фундаментальных исследований СО РАН (2013-2016 гг.); проектов РФФИ №09-08-90420-Укр-ф-а (2009-2010 гг.) и №13-08-90421 Укр_ф_а (2013-2014 гг.); программы Президиума РАН №7 проект №7.2 (2009-2011 гг.).

Положения, выносимые на защиту:

Экспериментально обоснованная применимость метода ковки с переменой оси деформирования в интервале температур тёплой деформации для формирования заданной микрокристаллической или ультрамелкозернистой структуры в объёмных образцах никелида титана.
Трехстадийность эволюции зёренной структуры двойных сплавов на основе никелида титана (на примере сплава с 50.8 ат.% Ni) при тёплой многопроходной прокатке в ручьевых вальцах и формирование зёрен микро- и субмикрокристаллических размеров по механизму непрерывной динамической рекристаллизации на второй и третьей стадиях деформирования.
Условия накопления и возврата аномально высокой неупругой деформации при кручении образцов двойных сплавов па основе никелида титана, заключающиеся в следующем: независимо от величины зёрен/субзёрен максимум накапливаемой и возвращаемой неупругой деформации достигается при заданной образцу деформации от 24 до 40 %, включающей 8-20% пластической деформации, и составляет 16-19%, что значительно превосходит кристаллографический ресурс мартенситной неупругости в этих сплавах.

Личный вклад соискателя заключается в получении и обработке результатов работы, в совместной с научным руководителем и научным консультантом постановке цели и задач исследования, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации. Исследования образцов методом просвечивающей электронной микроскопии были проведены совместно с Гирсовой Н.В.; методом растровой электронной микроскопии - совместно с к.т.н. Круковским К.В. Анализ и обсуждение полученных результатов проведены автором совместно с научным руководителем и научным консультантом.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на следующих всероссийских и международных мероприятиях: IV, V, VI Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск,

2009, 2010 гг.); XV, XIX Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск,
2013 гг.); III, IV Международных конференциях «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009, 2011 гг.); IV Международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, Беларусь, 2009 г.); III Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2009» (Екатеринбург, 2009 г.); Международных конференциях по физической ме-зомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 2009, 2011 гг.); 49 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Киев, Украина, 2010 г.); II Международной научной конференции «Наноструктурные мате-риалы-2010: Беларусь-Россия-Украина» (Киев, Украина, 2010 г.); 3^rd International Symposium «Bulk nanostructured materials: from fundamentals to innovations» (Уфа, 2011 г.); VI Me-

ждународной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черноголовка, 2010 г.); XI Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011 г.); II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (г. Новосибирск, 2011 г.); Бернштей-новских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов (Москва, 2011 г.); 52 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012 г.); Международной конференции «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (г. Томск, 2013 г.); V Всероссийской конференции по наномате-риалам (Звенигород, 2013 г.); 54 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Екатеринбург, 2013 г.); XII Китайско-Российском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Куньмин, Китай, 2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ: из них 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 1 статья в зарубежном журнале и 22 публикации в сборниках трудов и материалов российских и международных конференций.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов светодиодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотропного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» (физико-математические науки).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 284 наименования, всего 280 страниц машинописного текста, включая 87 рисунков и 11 таблиц и 20 формул.