Введение к работе
Актуальность темы: Фундаментальной проблемой физики твердого тела является установление взаимосвязи между составом, структурой и физическими свойствами. Мощное средство направленного изменения свойств твердых тел представляют собой структурные фазовые превращения. Фазовые превращения в твердом состоянии одновременно составляют разделы физики твердого тела и физического материаловедения, показывая пример переплетения фундаментальных и прикладных задач. Такая ситуация отражает тот факт, что весь комплекс структурночувствителышх свойств реальных твердых тел определяется не только составом и атомнокристаллической структурой данного вещества, но и гетерофазной структурой (размеры и пространственное распределение отдельных фазовых составляющих многофазной системы, строение границ, наличие и распределение структурных дефектов). При этом управление гетерофазной структурой также представляет собой эффективное средство целенаправленного изменения свойств. Практически неограниченные возможности управления гетерофазной структурой открываются в металлических сплавах с мартенситной неустойчивостью решетки.
Изучение мартенситных превращений имеет многолетнюю историю и восходит к классическим работам по описанию структуры углеродистой стали. Особую актуальность исследования мартенситных превращений обрели после открытия термоупругого равновесия и эффекта памяти формы - способности к самопроизвольному восстановлению первоначальной формы после неупругого деформирования при низких температурах и последующего нагрева. Мартенситные превращения являются основным механизмом реализации полиморфизма и протекают в широком классе кристаллических систем, включающем чистые элементы, интерметаллические соединения, твердые растворы замещения и внедрения.
В реальных материалах мартенситные превращения протекают в матрице с неоднородностяии разной природы и масштабного уровня: конценртационные неоднородности на стадии выделения и предвыде-ления различных фаз; домены, отличающиеся типом упорядочения или степенью дальнего порядка; статические дефекты кристаллического строения. Формирование концентрационных неоднородностей и упорядоченных доменов при распаде твердых растворов представляет собой закономерный процесс, отражающий термодинамическую неустойчивость однофазного неупорядоченного состояния по сравнению с
двухфазным, и неизбежно должно иметь место в любой многокомпонентной системе в низкотемпературной области. Мартенситные свойства (в первую очередь характеристические точки Мн, Мк, Ajr AR, определяющие температурные интервалы протекания прямого и обратного мартенситных превращений) твердого раствора, испытывающего распад, меняются, по крайней мере, по двум причинам. Первая причина обусловлена изменением концентрации твердого раствора в процессе его распада, вторая - упругим или неупругим взаимодействием матрицы с системой частиц фазы, выделяющейся при распаде.
Таким образом, формирование концентрационных неоднороднос-тей при распаде метастабильного твердого раствора аустенитной фазы является мощным механизмом воздействия на мартенситные свойства', а знание основных закономерностей мартенситных превращений в неоднородных твердых растворах позволяет осуществлять целенаправленное воздействие на физические свойства мартенситных материалов, добиваясь их оптимальных значений.
Цепь работы - исследование взаимосвязи бездиффузионных и диффузионных фазовых превращений в твердых растворах замещения с мартенситной неустойчивостью решетки.
Основные задачи, которые необходимо было решить для достижения цели работы, могут быть сформулированы следующим образом.
1. Провести экспериментальные исследования процессов распа
да пересыщенных В2-твердых растворов в никелиде титана, легиро
ванном d-переходными элементами. Установить закономерности рас
пада в различных системах, кристаллическую структуру выделяющих
ся фаз и условия их формирования в зависимости от легирования и
термообработки.
-
В широком интервале температур провести исследование мартенситных превращений в неоднородных твердых растворах с различным типом распада и установить закономерности изменений мартенситных характеристик в системах с распадающейся высокотемпературной фазой (на примере твердых растворов на основе никелида титана).
-
Провести исследование естественного старения пересыщенных растворов на основе никелида титана и установить закономерности изменения мартенситных свойств в процессе старения.
-
Проанализировить мартенситные системы с нетермоупругой кинетикой превращений и выявить характерные особенности распада твердых растворов, обусловленные мартенситной неустойчивостью
решетки.
5. Разработать принципы классификации мартенситных сплавов с распадающейся высокотемпературной фазой, позволяющие однозначно предсказать качественные изменения мартенситных характеристик на начальных стадиях распада твердых растворов.
Для решения этих задач в работе применен комплексный метод исследования атомнокристаллической структуры: дифракционная электронная микроскопия и рентгеноструктурный анализ поли- и монокристаллов. Для анализа экспериментальных данных применялась оригинальная методика моделирования точечных дифракционных картин. Сплавы, исследованные в диссертации, получены из исходных компонентов высокой чистоты в электродуговой печи с нерасходуе-мым электродом в атмосфере аргона с шестикратным переплавом.
Научная новизна. В диссертационной работе проведено систематическое исследование структурных превращений, протекавших в ОЦК-сплавах систем Ti-Ni-Me в широком интервале температур и вариаций химического состава. Получен ряд новых результатов и закономерностей, среди которых наиболее важными представляются следующие:
- впервые экспериментально показано, что в никелиде титана,
легированном d-переходными элементами V - VIIА подгрупп могут
иметь место, по крайней мере, два различных типа распада пересы
щенного В2-твердого раствора: выделение избыточной фазы по не
прерывному типу или расслоение В2-фазы;
- впервые определена кристаллическая структура Х-фазы
(Ti3Ni4>, формирующейся в большой группе твердых растворов на
основе никелида титана;
впервые обнаружен и исследован аномальный температурный гистерезис мартенситного превращения в неоднородных твердых растворах с расслоившейся В2-фазой.
впервые обнаружено и исследовано естественное старение легированного никелида титана. Показано, что естественное старение в некоторых системах приводит к существенным изменениям мартенситных свойств;
впервые в никелиде титана с внедренным водородом обнаружен структурный переход типа "беспорядок-порядок", происходящий за счет упорядочения водорода при достижении его концентрации критического значения ~ 1 атома на элементарную ячейку никелида титана.
- разработана классификация мартенситных сплавов с распадающейся высокотемпературной фазой, позволяющая на качественном уровне предсказывать эволюцию ыартенситных свойств на ранних стадиях распада.
Научная и практическая значимость.
Экспериментально установленные закономерности и особенности изменения характеристических температур, последовательностей и гистерезиса мартенситных превращений в легированном никелиде титана в зависимости от состава однородных твердых растворов и з результате формирования концентрационных неоднородностей в процессе распада при изотермическом старении могут быть использованы в качестве физического обоснования при разработке новых материалов с памятью формы.
Установленные в диссертации закономерности изменения мартенситных свойств при распаде твердых растворов, по существу, очерчивают временные и температурные интервалы, в которых возможна надежная эксплуатация изделий из никелида титана. Особую практическую значимость приобретают исследования естественного старения никелида титана в связи с широким его использованием в медицине в качестве материала, имплантируемого в человеческий организм.
Разработанная классификация мартенситных твердых растворов с распадающейся высокотемпературной фазой может быть полезна при разработке новых мартенситных материалов и условий их эксплуатации.
На зациту выносятся следующие основные положения:
1. Физические принципы и конкретные способы целенаправлен
ного управления основными характеристиками мартенситных превра
щений в сплавах с распадающейся высокотемпературной фазой.
2. Установленные закономерности распада метастабильных
твердых растворов на основе никелида титана при изотермическом
старении и его влияние на характеристики мартенситных превраще
ний.
3. Определение типа решетки Браве, кристаллогеометрических
характеристик и механизма формирования Х-фазы (Ті Ni ) в легиро
ванном никелиде титана.
4. Установленные особенности мартенситных превращений в
твердых растворах на основе никелида титана с сильным пересыще
нием (полученных путем сверхбыстрой кристаллизации) и закономер-
ности их изменений при естественном старении, в том числе и условия реализации аномального температурного гистерезиса превращения Б2 R.
5. Результаты исследования структурного перехода "беспорядок - порядок" при упорядочении водорода, внедренного в ОЦК решетку легированного никелида титана.
Личный вклад автора. В диссертации проведен анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований, выполненных непосредственно автором или под его руководством студентами-дипломниками и аспирантами. Разработка темы, постановка целей и задач, выбор методики и объектов исследований принадлежит автору. Представленный материал не содержит идей и разработок соавторов, с которыми написаны научные работы.
Аппробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:
Всесоюзных конференциях по электронной микроскопии (Таллин, 1979 г.; Сумы, 1982 г.; Суздаль,1990 г.);
Всесоюзных совещаниях "Сплавы редких металлов с особыми физическими свойствами" (Москва, 1977, 1980 г.);
XI конгрессе Международного Союза Кристаллографов (Варшава, 1978 г. );
Всесоюзных конференциях "Сверхупругость, эффект памяти формы и их применение в новой технике" (Томск, 1985 г., 1989 г.)
Всесоюзных совещаниях по старению металлических сплавов (Свердловск, 1984, 1992);
Всесоюзной конференции по кристаллохимии интерметаллических соединений (Львов, 1989 г. );
Всесоюзной конференции по мартенситным превращениям в твердом теле (Киев - Косов, 1991 г. )
Совещании по кристаллохимии неорганических и координационных соединений (Санкт-Петербург, 1395 г. );
- Международном семинаре "The Physics and Modeling of
intelligent Materials and their Applications". Москва. 1996.
Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 50 работ, основное содержание изложено в 37 работах, список которых приложен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов по работе и списка цити-
руемой литературы. Объем диссертации составляет 265 страниц, в том числе 63 рисунка, 15 таблиц. Библиографический список насчитывает 256 наименований.
