Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс в науке и технике неразрывно связан с эффективным использованием традиционных и разработкой новых материалов с уникальными свойствами. Поэтому уже многие годы не ослабевает пристальный интерес к сплавам на основе никелида титана, проявляющим эффекты памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности (СЭ). Большинство научных работ, выполненных на сплавах TiNi, нацелено на исследование факторов, позволяющих направлено воздействовать на основные характеристики мартенситных превращений (МП): температуры и гистерезис превращения, величину ЭПФ, структурное состояние сплавов в предмартенситной области [1, 2]. Основными параметрами, способными в значительной мере управлять этими характеристиками, являются уровень прочностных свойств высокотемпературной (аустенитной) В2 фазы и механизмы ее пластической деформации.
Поскольку большинство используемых на практике поликристаллических сплавов TiNi обладает значительной анизотропией ЭПФ, реактивного напряжения и прочностных характеристик, связанной с определенными типами текстур, формирующимися при термомеханических обработках, возникает задача выяснения ориентационной зависимости прочностных и пластических свойств монокристаллов высокотемпературной В2 фазы. Однако детальных исследований, выполненных на монокристаллах ТПЧі, мало, недостаточно работ по определению и аттестации действующих механизмов пластической деформации, что не позволяет сравнивать деформационное поведение монокристаллов на основе никелида титана с монокристаллами других В2 интерметаллидов. Такое сравнительное изучение имеет отдельный научный интерес, поскольку сплавы с В2 сверхструктурой проявляют целый комплекс уникальных свойств: аномальную температурную зависимость предела текучести, сложную зависимость т^ от ориентации кристалла и знака приложенного напряжения, склонность к локализации деформации, способность к фазовым переходам порядок-беспорядок и т.д. Упорядочение сопровождается охрупчиванием поликристаллов и снижением пластичности монокристаллов. Кроме того, большинство В2 интерметаллидов стехиометрического состава характеризуется значительной анизотропией упругих модулей.
Никелид титана, среди других В2 интерметаллидов, обладает самой высокой пластичностью до разрушения 5-30-80 % [1, 2]. Причем поликристаллы TiNi пластичны как в мартенситном, так и в аустенитном состоянии. Выяснение природы высокой пластичности никелида титана представляет практический и фундаментальный интерес. При температурах ниже 0,ЗТш„ где другие интерметаллиды - NiAl, FeAl, AgMg, CoTi имеют ограниченную пластичность, поликристаллы никелида титана деформируются stress-induced мартенситным превращением, обеспечивающим им максимальную пластичность вблизи температуры начала мартенситного превращения М„. Высокая пластичность наблюдается на поликристаллах TiNi с размером зерна d~6-40 мкм, полученных высоко- или низкотемпературной прокаткой, штамповкой или волочением с последующими отжигами и закалкой (охлаждением с печью). При этом в материале создается структурно-неоднородное состояние, которое, с одной стороны, создает многочисленные центры для зарождения мартенсита (дислокации, дислокационные скопления, полосы локализованной деформации (ПЛД), частицы вторых фаз и т.д.), а, с другой, -ограничивает размер мартенситных пластин размером зерен или субзерец, уменьшая локальные внутренние напряжения. В закаленных монокристаллах никелида титана, в отсутствие границ зерен, дисперсных частиц второй фазы и дислокационной субструктуры, развитие stress-induced мартенситных превращений может значительно отличаться от указанных поликристаллов. Высокую пластичность поликристаллов TiNi при температурах T>Md (температура начала пластического течения В2 фазы) в некоторых работах связывают с развитием двойникования в упорядоченной В2 фазе, которое со-
вместно с дислокационным скольжением по системам а<100>{011} обеспечивает выполнимость критерия Мизеса для пластичности поликристалла.
Упорядочение сплавов с ОЦК решеткой значительно затрудняет деформацию механическим двойникованием. Критические напряжения для двойникования становятся настолько высокими, что прежде достигаются напряжения для хрупкого разрушения, как это показано на сплавах FeCo. Тем не менее, двойникование в В2 фазе поликристаллических сплавов ^gNisi и Ti5oNi47Fe3 по плоскостям {114} с вектором сдвига <221>, при котором сохраняется дальний порядок в двойнике, и "псевдо-двойникование" по плоскостям {112} с вектором сдвига а/6 <111>, которое в В2 сверхструктуре создает разупорядоченный двойник, обнаружены еще в ранней работе [3]. Вопрос о псевдодвойниковании в TiNi по плоскостям {112} с нарушением В2 порядка в двойнике до конца не ясен и обсуждается в научной печати.
Позднее [4] в сплавах TiNi были установлены другие типы В2-двойников с плоскостями габитуса {113}, {227}, {332}, {115}, {116}, и предложены схемы сложного двойникования, которые включают не только сдвиги, но и перетасовки атомов для восстановления сверхструктуры в сдвойникованной области. Причем, для каждого типа двойников предложены индивидуальные двоиникующие дислокации и свои схемы перетасовок атомов. Однако ориентационная зависимость этих явлений, а также их природа и связь с мартенситным превращением, происходящим под напряжением, до сих пор не выяснены.
Только детальные исследования зависимости процессов В2-двойникования от температуры, ориентации оси деформации, состава сплава и знака приложенного напряжения, выполненные на монокристаллах TiNi, могут дать основания для разработки кристаллографических моделей и атомных механизмов двойникования, которые позволят с единых позиций объяснить все типы двойников и теоретически описать дисторсии кристаллической решетки В2 фазы в процессе механического двойникования и габитусные плоскости двойников.
Анализ факторов Шмида показывает, что механическое двойникование в В2 фазе в определенных ориентациях монокристаллов TiNi может быть основным механизмом пластической деформации. Этот факт может свидетельствовать об ориентационной зависимости температуры М,і потому, что переход от стадии «stress-induced» мартен-ситного превращения к стадии пластического течения в В2 фазе при температуре Md в одном случае будет определяться равенством напряжений мартенситного сдвига (превращения) критическим напряжениям для сдвига дислокаций сГм=Ткр (ориентации вблизи полюса [111] стандартного стереографического треугольника), в другом случае - напряжению для двойникования cu=xw (ориентации вблизи полюса [001]). Исследований ориентационной зависимости температуры Mj ранее не проводилось из-за сложности получения монокристаллов TiNi. В поликристаллах никелида титана, не обладающих текстурой, величина температуры М^ усредняется по большому количеству зерен и практически не должна зависеть от направления, выбранного в материале, в отличие от сильно текстурированных сплавов TiNi.
В последние годы усилился интерес к ультрадисперсным и нанокристалличе-ским (НК) материалам, в том числе к сплавам никелида титана, которые в НК состоянии проявляют более высокие прочностные свойства в сочетании с хорошей пластичностью, эффектами однократно и многократно воспроизводимой памяти формы, СЭ и реактивного напряжения. Наиболее перспективными методами получения объемных образцов НК сплавов на основе никелида титана являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [5]. В связи с этим, исследование структурно-фазовых превращений, локализации деформации и механизмов формирования НК и аморфных состояний в сплавах TiNi при ИПД также является актуаль-4
ной задачей. На первый план здесь выступают кооперативные механизмы деформации и фрагментации материала, взаимодействие дефектов и структурно-фазовые превращения, происходящие в полях высоких внутренних напряжений.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами и при финансовой поддержке Министерства образования России и CRDF в рамках программы BRHE (проект № 016-02), грантов РФФИ (проект № 95-02-03500, проект № 03-03-33079, проект № 06-02-16312-а), грантов Министерства образования России: МГТУ им. Н.Э. Баумана, МИСиС, г. Москва.
Целью настоящей работы является систематическое комплексное исследование (экспериментальное и теоретическое) закономерностей и механизмов пластической деформации и структурно-фазовых превращений в монокристаллах на основе никели-да титана при разных видах нагружения (одноосном растяжении и сжатии, холодной и «теплой» прокатке, кручении в камере Бриджмена, всестороннем прессовании) с определением кристаллографических систем сдвига, характеристикой носителей деформации, аттестацией напряженного состояния в зонах локализации деформации.
Выбор для исследования трех сплавов TiNi(Fe, Mo) (поли- и монокристаллы) обусловлен тем, что указанные сплавы обладают уникальным комплексом физико-механических свойств, сделавших их наиболее перспективными для использования в технике и медицине в качестве конструкций, элементов, имплантатов, тканевых и сетчатых материалов для челюстно-лицевой хирургии, ортодоитических изделий, инструментов и наноструктурных нитей. Они обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью и ЭПФ. Кроме указанных выше монокристаллов, в работе частично исследованы монокристаллы сплавов TiNi(Fe) (два сплава), их выбор был связан с тем, что в поликристаллах одного из этих сплавов впервые наблюдали механические двойники В2 фазы [3].
Для достижения цели исследования в работе были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать зависимость предела текучести, пластичности, коэффициентов деформационного упрочнения и характера разрушения в монокристаллах на основе сплавов никелида титана от ориентации оси деформации, температуры испытания, состава сплава, температуры старения и способа нагружения (растяжение/сжатие).
-
Изучить основные закономерности развития мартенситных превращений под напряжением в закаленных монокристаллах TiNi(Fe, Mo).
-
На монокристаллах двух сплавов TiNi(Fe, Mo) и TiNi(Fe) провести детальное экспериментальное изучение механизмов пластической деформации высокотемпературной В2 фазы при растяжении и сжатии в зависимости от температуры, ориентации оси деформации, степени стабильности В2 фазы. Определить действующие кристаллографические системы дислокационного скольжения и габитусные плоскости механических двойников, провести аттестацию дислокаций, выяснить роль strain-induced мартен-ситного В2->В19' превращения в зонах локализации деформации.
-
Провести сравнительное экспериментальное исследование деформационного поведения и разрушения крупнозернистых, бестекстурных и мелкозернистых тек-стурированных поликристаллических сплавов TiNi(Fe, Mo).
-
На основе полученного экспериментального материала разработать атомные модели и механизмы двойникования в В2 фазе никелида титана, учитывающие общую природу разных типов механических двойников и полос локализации деформации. Рассчитать дисторсии кристаллической решетки и габитусные плоскости двойников в рамках предложенных механизмов.
-
Провести электронно-микроскопическое исследование эволюции дефектной субструктуры, фазовых превращений, процессов фрагментации и аморфизации в мо-
нокристаллах сплава TiNi(Fe, Мо) при различных способах ИПД.
Поставленные задачи были решены в процессе диссертационного исследования.
Основными методами исследования в работе являются следующие: механические испытания образцов монокристаллов на одноосное растяжение и сжатие, холодную и «теплую» прокатку, кручение под высоким давлением в камере Бриджме-на, всестороннее (abc-) прессование; оптическая микроскопия, которая использовалась для изучения деформационного рельефа образцов и проведения металлографического двухследового анализа; просвечивающая электронная микроскопия тонких фольг; растровая электронная микроскопия - для анализа следов деформации и поверхностей разрушения образцов; рентгеноструктурные исследования - для ориентации монокристаллов, изучения прецессии оси кристаллов в процессе деформации, определения фазового состава деформированных кристаллов.
Достоверность результатов исследований обеспечивается корректностью постановки задачи, использованием современных экспериментальных методов исследования, воспроизводимостью полученных результатов эксперимента и подтверждается сопоставлением с расчетными и литературными данными.
Научная новизна работы.
-
Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования ориен-тационной и температурной зависимости прочностных и пластических свойств и характера разрушения закаленных монокристаллов сплавов никелида титана при растяжении в широкой области температур 77-773 К. Исследована микроструктура деформированных образцов и механизмы пластической деформации высокотемпературной В2 фазы, определены кристаллографические системы скольжения. Установлены «мягкие» ориентации кристаллов с низкими значениями предела текучести в В2 фазе, низкими tKp для действующих систем скольжения и высокой пластичностью и «жесткие» ориентации, где ст0,і и - в два раза выше, чем в «мягких» ориентациях. Обнаружен вязко-хрупкий переход, критическая температура которого коррелирует с температурой Md.
-
Показано, что температура начала пластического течения в В2 фазе, M
-
В кристаллах TiNi(Fe, Мо) и TiNi(Fe) с ориентациями вблизи полюса [001] обнаружена асимметрия предела текучести при растяжении и сжатии.
-
Установлена зависимость механического двойникования в упорядоченной В2 фазе никелида титана от ориентации кристалла и знака приложенного напряжения. Исследованы закономерности развития двойникования в монокристаллах сплавов TENi(Fe, Мо) и его связь с мартенситным В2->В19'-»В2 превращением при сжатии и холодной прокатке, проведена электронно-микроскопическая аттестация структурно-фазовых состояний и уровня локальных внутренних напряжений в зонах двойникования.
-
Изучены последовательность структурно-фазовых превращений и механизмы фрагментации в монокристаллах TiNi(Fe, Мо) при разных способах ИПД: холодной и «теплой» прокатке, всестороннем прессовании и кручении в камере Бриджмена. Исследована кристаллография ПЛД, формирующихся из двойников мартенсита В19' при обратном мартенситном превращении. Определен предельный минимальный размер кристаллитов в формирующемся аморфно-кристаллическом состоянии. Предложен механизм образования {lll}
текстуры в нанокристаллических
сплавах TiNi.
Научное и практическое значение результатов работы. Экспериментальные данные о пластичности и прочности монокристаллов никелида титана вдоль различных кристаллографических направлений, полученные в работе, позволяют эффективно воздействовать на структуру поликристаллических ансамблей и формировать в них текстуры с «мягкими»'направлениями, при которых наблюдаются высокая пластичность в области высокотемпературной В2 фазы и высокие значения ЭПФ и СЭ. Это существенно расширяет возможности практического применения сплавов с ЭПФ.
Совокупность полученных экспериментальных и теоретических результатов о действующих механизмах пластической деформации В2 фазы в сплавах на основе никелида титана - дислокационном скольжении, механическом двойниковании, мар-тенситном превращении, инициируемом деформацией - развивают и углубляют физическое представление о закономерностях и механизмах деформации и разрушения интерметаллидов с В2 структурой.
Экспериментальные данные по механизмам фрагментации и особенностям формирования нанокристаллических и квази-аморфных состояний в сплавах TiNi(Fe, Mo) при интенсивных пластических деформациях - кручении под высоким давлением, глубокой прокатке и всестороннем прессовании - могут иметь значение для разработки новых технологий получения объемных нанокристаллических сплавов TiNi с улучшенными конструкционными и функциональными свойствами. На защиту выносятся следующие положения:
-
Ориентационная и температурная зависимость прочностных и пластических свойств, характера разрушения и механизмов деформации монокристаллов TiNi(Fe, Mo), установленные при растяжении в температурном интервале 77-773 К. Взаимосвязь между ориентационной зависимостью прочностных свойств В2 фазы и ориен-тационной зависимостью температуры Mj. Особенности хрупко-вязкого перехода, наблюдающегося при растяжении в закаленных кристаллах TiNi(Fe, Mo) всех ориентации и обусловленного сменой механизма деформации от дислокационного скольжения к мартенситному В2-»В19' превращению под напряжением.
-
Закономерности дислокационного скольжения и локализации пластической деформации в кристаллах TiNi(Fe, Mo) и Ti5oNi47Fe3 с ориентациями [111], [Т12] и [011] при растяжении и сжатии: анализ кривых деформации, определение кристаллографических систем скольжения, векторов Бюргерса действующих дислокаций, характеристик микрополос сдвига.
-
Закономерности развития деформационного двойникования в упорядоченной В2 фазе кристаллов TiNi(Fe, Mo) и TiNi(Fe): его связь с мартенситным превращением, протекающим под напряжением, особенности ориентационной зависимости, асимметрия напряжений двойникования при растяжении и сжатии в кристаллах с ориентацией оси деформации вблизи полюса [001].
-
Механизмы деформации и переориентации кристаллической решетки в полосах локализации и двойниках деформации В2 фазы никелида титана путем развития обратимых мартенситных превращений в полях высоких локальных напряжений. Результаты теоретического анализа дисторсий кристаллической решетки в процессе В2->В19(В19)->В2 превращений. Критической модой дисторсий, определяющей напряжения механического двойникования, является однородная деформация типа Бейна. Объяснение асимметрии предела текучести В2 фазы в [001]-монокристаллах TiNi сплавов при растяжении и сжатии в рамках предложенного механизма.
-
Особенности и последовательность структурно-фазовых превращений в процессе формирования нанокристаллических и квази-аморфных состояний в монокристаллах никелида титана при интенсивной пластической деформации: В2 фаза-> мартенсит
В19'+сдвойникованная В2 фаза->смесь фаз В19' и В2 в нанокристаллическом состоянии -» В2 фаза в нанокристаллическом состоянии -> аморфно-кристаллическое состояние. Механизмы образования {111}
Личный вклад. Диссертационная работа Суриковой Н.С. является результатом обобщения многолетних исследований, часть из которых выполнена лично автором, а часть в соавторстве с сотрудниками Сибирского физико-технического института и Томского архитектурно-строительного университета. Личный вклад автора состоит в постановке общих и конкретных задач исследований, выборе методов их решения, получении экспериментальных результатов работы, анализе и обобщении результатов, формулировке защищаемых положений и выводов. В работах, опубликованных с соавторами, фамилии которых указаны в списке публикаций, Суриковой Н.С. принадлежат результаты, сформулированные в положениях и выводах диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях, семинарах, школах: Всесоюзной конференции по мартенситным превращениям в твердом теле «Мартенсит 91", Киев, 1992 г.; I Международном семинаре "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах", Барнаул, 8-12 сентября 1992 г.; XIV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", Самара, 27 - 30 июня 1995 г.; International conference on displacive phase transformations and their applications in materials engineering, Urbana, Illinois, USA, 8 and 9 May 1996 г.; International conference «Mesofracture '96», Tomsk, Russia, August 27-29,1996 г.; George R. Irvin Symp." Cleavage fracture", Proceed, of symp. held at the 1997 TMS Fall Meeting Indianapolis, Indiana, Sep. 15-17, 1997; IV Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, 2-7 сентября 1998 г.; II Международном, семинаре " Современные проблемы прочности", Старая Русса, 5-9 октября 1998 г.; Russian-chinese international symposium " Advanced materials processes", July 27-august 1, Baikalsk, Russia, 1999; V Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, Россия, 24-28 июня 2000 г.; VI Международной конференции " Компьютерное конструирование новых материалов и технологий" , CADAMT, Томск, Россия, 29-31 марта 2001г.; XXXVII Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», Киев, 3-5 июля 2001 г.; 2" International conference on nanomaterials by severe plastic deformation. Fundaments Proceessing-Applic, Vienna, Dec. 9-13, 2002; International workshop "Mesomechanics: fundamentals and application" and VII International conference "Cadamt 2003", Tomsk, Russia, August 18-23, 2003; XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности посвященным 90-летию со дня рождения А.Н. Орлова, Санкт-Петербург, 10-12 апреля 2007 г.; Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы», Уфа, Россия, 4-9 августа 2008 г.; Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике», Томск, Россия, 9-12 сентября 2008 г.; третьей Всероссийской конференции по наноматериалам «Нано-2009», Екатеринбург, 20-24 апреля 2009 г.; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 7-11 сентября 2009 г.; XII Международном междисциплинарном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах», Ростов-на-Дону, 10-16 сентября , 2009 г.; Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Оренбург, Россия, 20-22 октября 2010 г.; 13-м
Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах», г. Ростов-на Дону, Россия, 9-15 сентября 2010 г.; Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы», Уфа, Республика Башкортостан, Россия, 11-15 октября 2010 г., Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г. Томск, Россия, 5-9 сентября 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 печатных работ в научных журналах, сборниках и трудах конференций, их них 18 статей в отечественных рецензируемых журналах из списка ВАК, 2 статьи в зарубежных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка цитируемой литературы из 432 наименований. Общий объем составляет 343 страницы машинописного текста, включая 165 рисунков и 24 таблицы.
