Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ f
ГЛАВА 1. Закономерности структурных и фазовых превращений и физические свойства сплавов на основе TiNi с эффектами памяти формы (обзор литературы)
Фазовая диаграмма системы TiNi и кристаллическая структура образующихся фаз І0
Мартенситные превращения в сплавах никелида
титана #
Бинарные сплавы ТІ-Ni. Влияние легирования '.... /4
Особенности мартенситных превращений в сплавах TiNiFe,
TiNiCo го
1.2.3. Микроструктура мартенситных фаз 25
1.3. Неупругое поведение и эффекты термомеханической памяти
сплавов на основе TiNi З Ь
Классификация неупругих эффектов Ъ h
Неупругое поведение при одноступенчатом мартенситном превращении Ъ5
Особенности неупругого поведения в сплавах с В2—»R переходом И
Ступенчатые мартенситные превращения и многостадийная неупругость 4?
1.4. Методы быстрой закалки и их влияние на фазовый состав и
микроструктуру синтезируемых материалов 52
Общие представления SZ
Методы закалки расплава 54
Закалка на охлаждающих поверхностях Ь5
1.5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 53
ГЛАВА 2. Материалы и методы проведения экспериментов 4
2.1. Материалы, ихполучениеи обработка і
* 2.1Л. Материалы М
Получение образцов /
Термообработка сплавов Gi
2.2. Методы проведения экспериментов GZ
2.2.1. Измерение удельного электросопротивления р и магнитной
восприимчивости х 1
2.2.2. Измерение механических свойств 62
\ 2.2.3. Рентгеноструктурный анализ ьЬ
\% 2.2.4. Электронно - микроскопические исследования 8Ь
\ 2.2.5. Измерение неупругих свойств вк
ГЛАВА 3. Быстрозакаленные сплавы TiNiCo с памятью формы Q5
Структура и фазовый состав сплавов 65
Механические свойства БЗР-сплавов Чк
Микроструктура исходного аустенитного состояния
сплавов 73
3.4. Микроструктура R- и В19-мартенсита 9S
>1 Заключение 9/
ГЛАВА 4. Структура и свойства быстрозакаленных сплавов TiNiFe с
памятью формы 03
Микроструктура и фазовый состав исходного высокотемпературного состояния Qb
Диаграммы мартенситных превращений i№
Микроструктура мартенсита І$Ь
4.4. Механические свойства 40?
ф Заключение НО
ГЛАВА 5. Быстрозакаленные сплавы Ti-Ni с памятью формы Л2
Структура и фазовый состав исходных сплавов "Ш
Механические свойства БЗР-сплавов М*\
Температурные зависимости электросопротивления бинарных БЗР-сплавов 1№
Микроструктура исходных БЗР-сплавов Ti-Ni і%%
Микроструктура БЗР-сплавов после отжига ##
Заключение №
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ №
ЛИТЕРАТУРА №
Введение к работе
Актуальность темы. Для развития современной техники требуется
создание новых материалов, обладающих оптимальным сочетанием различных
конструкционных и функциональных свойств. В настоящее время в области
физики конденсированных состояний и материаловедения интенсивно
развиваются и комплексно исследуются поликристаллические материалы со
сверхмелким зерном. Субмикрозернистые (нано- и
ультрамикрокристаллические) материалы привлекают внимание прежде всего тем, что они обладают особыми механическими характеристиками, которые существенно отличаются от свойств, присущих материалам с обычным микрозернистым или макрозернистым строением,
В ряду известных способов создания новых наноструктурных материалов весьма перспективным является метод сверхбыстрой закалки расплава (БЗР). Позволяя реализовать сверхвысокие скорости охлаждения и существенно неравновесные условия затвердевания, БЗР, при сохранении плотности литого материала, обеспечивает формирование новых неравновесных структурных состояний и метастабильных фаз, высокодисперсных структур с минимальной ликвацией химических компонентов в сплавах, приводит к значительному расширению области существования гомогенного однофазного состояния или, говоря иначе, к предотвращению распада сплавов, фиксируя их сильное пересыщение и тлт. Во многих металлических материалах применение БЗР приводит к их аморфизации даже при отсутствии так называемых химических элементов - аморфизаторов.
С другой стороны все больший научный и практический интерес проявляется к новым металлическим материалам с эффектами термомеханической памяти (однократной и обратимой памяти формы, сверхупругости, сверхпластичности и др.). Как известно, необходимым условием возникновения существенных эффектов памяти формы (ЭПФ) в
данных сплавах служит осуществление термоупругого мартенситного превращения и особого механизма деформации, происходящих путем обратимой сдвиговой перестройки их кристаллической решетки за счет фазового перехода, как прямого (при охлаждении), так и обратного (при нагреве),
Главное место в ряду материалов с ЭПФ принадлежит сплавам на основе
никелида титана, которые выгодно отличаются не только эффектами памяти
формы и другими неупругими свойствами, но и всем комплексом
эксплуатационных характеристик (прочностью, пластичностью,
технологичностью, долговечностью, коррозионной стойкостью и т.д.).
Получение высокопрочных наноструктурных металлических материалов на основе сплавов никелида титана с ЭПФ, используя методы БЗР, несомненно является важной научной и практической задачей. Можно ожидать, с учетом известных результатов синтеза таких сплавов прежде всего на основе тройной системы TiNiCu, что и в других наноструктурных сплавах никелида титана термоупругие мартенситные превращения и, соответственно, эффекты памяти формы будут иметь свои привлекательные особенности, обусловленные не только малым размером зерна, но и другими структурными характеристиками (большой протяженностью и неравновесностью границ зерен, возможностью получения пересыщенных однородных твердых растворов или, напротив, нанокомпозитов в них и т.д.). Важнейшими здесь являются также вопросы термической и механической устойчивости таких высокодисперсных метастабильных структурных состояний и их роли в осуществлении мартенситных переходов, ответственных за комплекс эффектов памяти формы.
Цель работы. Цель данной работы заключается в исследовании основных закономерностей структурных и фазовых превращений и формирования свойств сплавов на основе TiNi, бинарных и квазибинарных: Ti5oNi5o-xCoX5 Ti5oNi5o-yFey, синтезированных БЗР спиннингованием в ленту со скоростями
охлаждения 10-10 К/с, в сравнении с обычными литыми сплавами тех же химических составов.
Конкретными задачами работы являются:
Исследование микроструктуры и фазового состава сплавов в исходном, после БЗР, состоянии методами просвечивающей электронной микроскопии, дифракции электронов и рентгеновских лучей, измерений электросопротивления и магнитной восприимчивости.
Изучение возможности и структурных механизмов затвердевания сплавов в аморфном и нанокристаллическом состояниях в зависимости от их химического состава и скорости охлаждения при БЗР.
Выяснение основных закономерностей формирования структурно-морфологических особенностей сплавов, полученных БЗР, при последующих термообработках и их термостабильности.
Установление основных параметров мартенситных превращений (характеристических температур, интервалов прямых и обратных переходов и величины температурного гистерезиса, параметров кристаллической решетки фаз и последовательности мартенситных переходов) в БЗР-сплавах и их зависимости от химического состава сплавов и внешних воздействий.
Определение физико-механических свойств сплавов в зависимости от микроструктуры, состава и внешних воздействий.
Научная новизна. В работе впервые выполнено систематическое комплексное изучение микроструктуры, фазовых превращений и свойств бинарных (Ti5o-zNis(n-z) и квазибинарных (Ti5oNi5o-xCox, Ti5oNi5o-yFey) сплавов на основе никелида титана с ЭПФ, полученных методом БЗР спиннингованием в ленту (со скоростями охлаждения 105-107 К/с после различных термообработок) и в широком интервале их химических составов в бинарных: от 40 до 60aT.%Ni (z=0-KtlOaT.%), в тройных: х=0-7ат.%Со,. у=0-5ат.%Ре. Установлены общие закономерности формирования ультрамикрокристаллической (УМК) и нанокристаллической (НК) структуры в изученных БЗР-сплавах, выявлены их
особенности в зависимости от скорости охлаждения из расплава и химического состава. Показано, что сплавы, являющиеся гомогенными твердыми растворами, Ti5oNi5o> Ti5oNi5o-xCox, TiSoNiso-yFey, или близкие к ним (бинарные сплавы вблизи стехиометрии), даже при предельных скоростях охлаждения V«107 К/с не удается получить в нанокристаллическом состоянии: они имеют ультрамикрокристаллическую структуру с размером зерна выше 0,1 мкм, но менее 1 мкм. Отклонение химического состава от стехиометрии в бинарных сплавах Ti-Ni приводит к постепенному не очень значительному уменьшению среднего размера зерна (как и в тройных сплавах, легированных кобальтом и железом). Обнаружено, что при отклонении от стехиометрии ~5ат.% сплавы Ti-Ni при БЗР полностью аморфизируются. В таком случае нанокристаллическое (нанокомпозитное) состояние может быть легко реализовано последующим отжигом по режиму, оптимальному по температуре и длительности. Установлена высокая термостабильность НК и УМК-структур. Измерены механические свойства сплавов в аморфном, нано- и ультрамикрокристаллическом состояниях.
Детально исследованы мартенситные превращения и ЭПФ в БЗР-сплавах. Установлены тип и последовательность мартенситных переходов, их характеристические температуры и гистерезис, особенности микроструктуры, морфологии и параметров решетки мартенситных фаз, их зависимость от химического состава и температуры. Построены полные диаграммы мартенситных превращений в изученных сплавах, обнаружено, что влияние БЗР, приводящее в итоге к уменьшению среднего размера зерна в 100-1000 раз, заключается в некотором снижении температур начала прямого и конца обратного мартенситных переходов, что в результате вдвое сужает температурный гистерезис превращений и, соответственно, эффектов памяти формы. Обнаружено, что БЗР-сплавам, обладающим текстурой, присуще наличие спонтанного эффекта обратимого запоминания формы наряду с однонаправленным ЭПФ.
Научная и практическая значимость работы. Полученные в работе результаты формируют новые представления о способах и условиях получения нано- и ультрамикрокристаллических сплавов на основе TiNi с узкогистерезисными эффектами памяти формы и комплексом других практически важных физико-механических свойств (высокой прочностью, пластичностью, долговечностью, коррозионной стойкостью и др.).
Построенные диаграммы мартенситных превращений и аттестация структуры и механических свойств позволяют не только регулировать характеристические параметры и свойства данных БЗР-сплавов с ЭПФ, но также обеспечивают их целенаправленный выбор и расширяют возможности их практического применения в технике и медицине. Основные положения, выносимые на защиту:
Экспериментальные результаты и физические представления о способах получения нано- и ультрамикрокристаллических БЗР-сплавов на основе никелида титана с критическими температурами мартенситных переходов в интервале температур 4,2-400К.
Полные диаграммы мартенситных переходов в БЗР-сплавах Ti4oNi6o-Ti6oNi4o, TiNi-TiCo, TiNi-TiFe, температурно-концентрационные зависимости параметров кристаллических структур аустенита и мартенситных фаз, электросопротивления, магнитной восприимчивости, данные о последовательностях прямых и обратных превращений B2-R, В2-В19, B2-R-В19 и микроструктуре мартенситных фаз.
Результаты измерений прочностных, пластических, неупругих (ЭПФ) свойств исследованных бинарных и тройных БЗР-сплавов на основе никелида титана.
