Особенности структурных и фазовых превращений в квазибинарных сплавах TiNi-TiCu, закаленных из расплава Волкова, Светлана Борисовна

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из основных задач современной физики твёрдого тела является разработка материалов, способных удовлетворять возрастающим требованиям техники. Всё большее использование в настоящее время находят такие новые материалы как сплавы с эффектами памяти (памятью формы, сверхупругостыо, сверхпластичностыо, обратимым эффектом памяти и др.). Необходимым условием возникновения эффектов памяти является наличие высокообратимого термоупругого мартенситного перехода и особого механизма деформации в данных сплавах, происходящей за счёт обратимой перестройки кристаллической решётки путём фазового перехода, как прямого, так и обратного. Особое место среди них занимают сплавы на основе никелида титана, выгодно отличаясь не только эффектами памяти формы (ЭПФ) и другими неупругими свойствами, но и комплексом остальных физико-механических характеристик (прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и т.д.).

С другой стороны, в последние годы всё большее применение получают нетраднционньїе методы создания сплавов с памятью формы и, в частности, быстрая закалка из расплава (БЗР). БЗР обеспечивает ряд важных особенностей при синтезе металлических сплавов, позволяя реализовать высокие скорости их охлаждения (10М0⁷ К/с) и существенные отклонения от равновесных условий затвердевания. К главным преимуществам формирования неравновесных структурных состояний можно отнести следующие: появление метастабнльных фаз, отсутствующих на равновесных фазовых диаграммах; образование высокодисперсных микроструктур с минимальной ликвацией химических компонентов; значительное расширение области существования однородного однофазного состояния или, говоря иначе, предотвращение его распада и фиксирование сильного пересыщения и ряд других.

Во многих случаях использование БЗР обеспечиваег аморфизацию металлических сплавов даже при отсутствии химических элементов -аморфизаторов. Необычными и подчас уникальными являются свойства материалов, полученных БЗР.

Поэтому несомненный научный и практический интерес имеет исследование сплавов на основе никелида титана с ЭПФ, полученных методом БЗР, и в том числе изучение влияния скорости их закалки из расплава и химического состава на механизмы затвердевания, устойчивость мегастабильных структурных состояний и фазовые превращения в

процессе охлаждения сплавов при БЗР, при их последующей термообработке, а также при дальнейшем охлаждении до комнатной и более низких температур.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является исследование основных закономерностей структурных и фазовых превращений в тонкоплёночных сплавах квазибинарного разреза системы TiwNiso-xCu, _Пр_{И со}. держании меди до 40 ат.% (х=0; 2; 5; 10; 12; 15; 17; 20; 22; 25; 28; 32; 34; 38; 40 %), полученных при БЗР спиннингованием со скоростями охлаждения V,,k=10⁴-10⁷ К/с, а также Подвергнутых последующим термообработкам. В работе решались следующие конкретные задачи:

1. Исследование особенностей микроструктуры и фазового состава сплавов в исходном, после БЗР, состоянии методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и измерений электросопротивления.

2. Изучение возможности и структурных механизмов затвердевания сплавов в аморфном, аморфно-кристаллическом и кристаллическом состояниях в зависимости от их химического состава и скорости охлаждения при БЗР.

3. Установление основных закономерностей формирования структурно-морфологических особенностей сплавов, полученных БЗР, при последующих термообработках.

4. Определение параметров мартенситных превращений (характеристических температур, интервалов прямых и обратных переходов, величины температурного гистерезиса) и их зависимости от химического состава сплавов, скорости закалки и режимов последующих термообработок.

5. Исследование физико-механических характеристик сплавов
(прочностных, пластических, ЭПФ).

Научная новизна. В работе впервые проведено систематическое комплексное исследование микроструктуры, фазовых превращений и свойств сплавов квазибинарного разреза TiNi-TiCu, полученных в широких интервалах скоростей охлаждения при БЗР (10⁴-10⁷ К/с), их химического состава (от 0 до 40 ат.%) и после различных режимов термообработки. Установлены концентрационные диапазоны формирования аморфных состояний и их особенности в зависимости от скорости охлаждения из расплава (от 10⁵ до 10⁷ К/с). Обнаружено, что сплавы с содержанием меди 20<х<40 ат.% после закалки со скоростью 10⁷ К/с находятся в аморфном состоянии. В случае меньших скоростей (2x10^s-10^е

.4.

К/с) их аморфное состояние может быть описано как предкристаллизаци-онное с микродоменным (масштабом до 10 нм) ближним расслоением и ближним атомным порядком по типу В2 (CsCl).

Сплавы с меньшим содержанием меди, 10<х<20 ат.%, полученные при скоростях охлаждения 5x104 О⁷ К/с, находятся в аморфно-кристаллическом состоянии, аморфная составляющая которых представляет собой ' "двухуровневую" микроструктуру с ближним атомным расслоением, локализованным в микродоменах до 10 нм, и "сетчатостью", масштабом до 100 нм, ликвационного происхождения. Измерены твёрдость и механические свойства сплавов в аморфном и аморф/.о-криааллическом состояниях.

При меньших скоростях охлаждения (ЮМО⁵ К/с) сплавы, а малолегированные медью (<, 10 ат.%) при любых скоростях (ЮМО⁷ К/с), практически полностью кристаллизуются с образованием В2-аустенита, который при охлаждении до комнатной температуры испытывает мартенситное превращение. Были определены структурные типы мартепситных фаз и темпера-турно-концентрационные зависимости параметров исходной и мартен-ситных фаз. Построена полная диаграмма мартенситных превращений в БЗР сплавах системы TiNi-TiCu и установлены последовательности мартенситных В2оВ19, В2оВ19' и В2<=>В19»В19' превращений в них при охлаждении и нагреве. Обнаружены и детально исследованы нанофазные и нанокомиозигные структурные состояния, синтезированные при высоких скоростях кристаллизации сплавов. Измерены твёрдость и механические свойства сплавов на растяжение при комнатной температуре.

Впервые в экспериментах in situ методами измерений электросопротивления, рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии в широком интервале температур исследованы механизмы кристаллизации аморфных сплавов системы TiNi-TiCu, полученных БЗР. Установлены особенности процесса кристаллизации БЗР сптавов и рассмотрены механизмы объёмной, первичной и эвтектоидной кристаллизации, реализующиеся в зависимости от химического состава и скорости кристаллизационного отжига сплавов. Предложены схемы их кристаллизации и последующего распада и построена диаграмма метастабильных состояний сплавов.

Вп рвые детально изучено влияние различных режимов термической обработки БЗР сплавов системы TiNi-TiCu, как аморфных, так и быстрозакристаллнзованных, на их структуру и фазовые превращения.

Научная и практическая ценность работы. Полученные результаты формируют представления о закономерностях эволюции микроструктуры и позволяют целенаправленно выбирать способы создания сплавов на основе никелида титана, синтезируемых методом быстрой закалки расплава. Создана научная основа для разработки сплавов данного типа с эффектами памяти формы и комплексом других физико-механических характеристик методом БЗР и используя последующие термообработки. Построенные диаграммы фазовых равновесий и мартенснтных превращений позволяют регулировать характеристические параметры мартенснтных превращений и свойства данных сплавов, что существенно расширяет возможности их практического использования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физические представления о закономерностях структурных и
фазовых превращений в сплавах квазибинарного разреза TiNi-TiCu при
БЗР. Особенности образования аморфного состояния в сплавах при
изменении скорости охлаждения и их химического состава. Основные
характеристики структуры поликристаллических сплавов.

2. Особенности микроструктуры и механизмы кристаллизации
аморфных высоколегированных медью сплавов TiNi-TiCu и их зависи
мость от способов и режимов кристаллизационного отжига (нагрев в
экспериментах in situ, изотермические и ступенчатые термообработки в
печи, электротоковый нагрев и лазерное облучение).

3. Полные диаграммы метастабильных фазовых равновесий и мартенснтных превращений в сплавах, синтезированных БЗР, измерения температурно-концентрационных зависимостей параметров кристаллических структур аустенитной и мартенснтных В19'и В19-фаз, данные о последовательностях прямых и обратных мартенснтных переходах и микроструктуре фаз.

4. Результаты измерений физико-механических свойств сплавов в аморфном и поликристаллическом состояниях.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на VII Международном семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов": Структура, дефекты и свойства нанокристаллических, ультрадисперсных и мультислойных материалов (Екатеринбург-1996).