Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы усилия многих исследователей направлены па изучение материалов с термоупругими мартеи-ситными превращениями. Уникальные свойства этих материалов, такие как эффект памяти формы и псевдоупругость, открывают широкую перспективу их применения в различных областях современной техники. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в изучении природы фазовых превращений, структуры и механических свойств материалов с гермоупругими мартепситными превращениями, остается много нерешенных проблем, препятствующих их широкому внедрению.
Все известные в настоящее время материалы, обладающие эффектами памяти формы и псевдоупругости, представляют собой многокомпонентные сплавы. Во многих случаях они являются хрупкими и легко разрушаются по границам зерен. Из наиболее распространенных сплавов с эффектом памяти формы в этом отношении исключение составляют только Ti-Ni и Cu-Zn-Al. Практическое применение таких сплавов, как Cu-AI-Ni, Cu-Al-Mn, Cu-AI-Fe и других на основе интер-мсталлического соединения СизАІ, требует устранения зериограничпой хрупкости.
Наиболее распространенными способами улучшения свойств сплавов Cu-AI-Ni и Cu-Al-Mn являются измельчение зерна путем введения модифицирующих добавок Ті, Zr, У, V, Сг, В, получение материалов методами порошковой металлургии, быстрой кристаллизации (закаливание из расплава), осаждения из газовой фазы и рекристаллизации. Перечисленные методы позволяют получать материал низкой стоимости, по прочности приближающийся к Ti-Ni, но отличающийся
4.
от него малой, не превышающей 3-5 %, обратимой в процессе проявле гам эффекта памяти формьг деформацией.
Вторым способом устранения зернограиичной хрупкости являете: получение изделий из рассматриваемых сплавов в монокристалли чсском состоянии. На этом пути удается увеличить обратимую в про цессе проявления эффектов памяти формы и псевдоупругости дефор мации до 9-20 % и сделать доступными для практического исполъзова ния целый ряд других анизотропных свойств, которые могут прояв ляться только в монокристаллическом состоянии.
Основным способом получения монокристаллов сплава Cu-Al-N ранее являлся метод Бриджмена. Однако контакт выращиваемого кри сталла с материалом контейнера и возникающие при этом термически' напряжения приводят к образованию большого количества дислока ций. Кроме того, большие трудности вызывает получение монокрн сталлов заданной ориентации. Описанных недостатков лишен мето, Чохральского, но он малопроизводителен, не позволяет получать мо нокристашы заданного профиля и, как и метод Бриджмена, приводит і перераспределению компонентов расплава по длине выращиваемой кристалла.
Система Cu-AI-Ni исследуется давно, однако до сих пор до конц не было выяснено влияние состава, условий нагружения, термообра ботки и дефектов структуры на протекание термоупругих мартенсит пых превращений, проявление эффектов памяти формы и псевдоупру гости в монокристаллах данною сплава. Отсутствуют мегоды управле ния параметрами памяти формы и псевдоупругости в монокристаллах.
Недостаточно полно изучены диссипативные явления, сопровождающие термоупругое мартенситное превращение в монокри-
сталлах сплава Cu-Al-Ni и существенно проявляющиеся при динамических условиях их применения.
Малоизученными явлениями являются также механическое двой-ішковашіс мартєнситпмх фаз и связанное с ним "резиноподобнос" поведение, обнаруженное в некоторых системах с термоупругим мартси-сйтным превращением, в том числе и в Cu-Al-Ni. Отсутствие надежных экспериментальных результатов по выяснению природы двойниковой псевдоупругости, а также модельных представлений, существенно оіраничиваег возможности практического использования этого эффекта и диктует необходимость поиска новых подходов к его раскрытию. Необходимость решения перечисленных проблем связана с практической потребностью разработки монокристшшнческих материалов с заданными функциональными свойствами и определяет актуальность данной темы.
Цель и задачи работы. Цель работы состояла в разработке теоретических основ получения, обосновании технологических параметров реализации процессов выращивания профилированных монокристаллов сплава Cu-Al-Ni с заданными размерами и формой поперечного сечения непосредственно из расплава, создании методов управления функциональными свойствами получаемых монокристаллов и изучении их свойств для дальнейшего использования применительно к конкретным техническим проблемам.
Основные задачи работы, вытекающие из поставленной цели: - на основе анализа известных способов получения монокристачличс-ских материалов определить основные парамегры и условия, необходимые дій получения профилированных монокристаллов сплава Cu-Al-Ni непосредственно из расплава;
провести анализ всех возможных вариантов реализации процесса получения основных профилей и размеров монокристаллов сплава Cu-Al-Ni и осуществтъ их экспериментальную проверку;
разработать новые технологические приемы получения профилированных монокристаллов сплава Cu-Al-Ni с каналами малого сечения и групповым способом, создать устройства для этой цели;
установить общие закономерности влияния состава, условий нагружения, термической, механической, термомеханической обработки на параметры обратимого мартенситного превращения, эффекта памяти формы и псевдоупругости монокристаллов сплава Cu-Al-Ni;
на основе зависимости свойств монокристаллов сплава Cu-Al-Ni от состава разработать способы управления параметрами памяти формы и псевдоупругости методами химико-термической обработки;
исследовать диссипативные явления в монокристаллах сплава Cu-Al-Ni, обусловленные термоупругим мартенсигным превращением;
исследовать демпфирующие, псевдопластичные и псевдоупругие свойства монокристаллов сплава Cu-Al-Ni в мартенситном состоянии;
- определить основные области применения монокристаллов
сплава Cu-Al-Ni в различных устроисгвах новой техники, основанные
на их функциональных свойствах.
Научная новизна. К наиболее существенным новым научным результатам, представленным в работе, относятся следующие. I. Обоснованы оптимальные технологические параметры выращивания способом Степанова основных форм и размеров профилированных монокристаллов сплава Cu-Al-Ni при условии зацепления за кромки формообразователя и смачивании расплавом внутренних стенок формообразующего отверстия.. Установлена зависимость условий получе-
пня монокристаллов сплава Cu-AI-Ni от ориентации оси вытягивания.
-
Обосновано групповое выращивание профилированных монокристаллов при условии смачивания внутренних стенок формообразующих отверстии и получение полых кристаллических изделий непосредственно из расплава при комбинированном условии смачивания -зацепления.
-
С целью прогнозирования и управления свойствами монокристаллов сплава Cu-AI-Ni экспериментально установлены основные закономерности изменения фазового и структурного состояний, характеристик термоупругих мартенситных превращений, проявления эффектов памяти формы и псевдоупругостн в зависимости от химического состава, условий нагружения, режимов термообработки, холодной и горячей пластической деформации этих материалов.
-
Впервые установлено, что тип образующейся маргенситной структуры при одноосном сжатии вдоль направления <100> исходных монокристаллов pi-фазы сплава медь-алюминий-никель в отсутствие сдвиговых напряжений в базисных плоскостях определяется величиной приложенной нагрузки. Предложена физическая модель явления, основанная на зависимости энергии зонной структуры от упругих искажений кристаллической решегки.
-
Разработаны теоретические основы управления составом и структурой монокристаллов сплава Cu-AI-Ni методом химико-термической обработки. Впервые химико-термическая обработка применена для управления парамефами псевдоупругостн и эффекта памяти формы.
-
Исследованы диссипативные явления при деформационном термоупругом мартенсит ном превращении в монокристаллах сплава
Cu-Al-Ni. Установлено, что формирование петли гистерезиса опредс-;іяется тепловым эффектом превращения и условиями теплообмена с окружающей средой, диаметром образца, неоднородностью вдоль его длины по химическому составу и площади поперечного сечения.
7. Обнаружено псевдоупругое поведение при механическом двой
никовании по плоскостям {121}уі' в сосіаренном сплаве Cu-Al-Ni и
установлены условия его полной реализации, заключающиеся в форми
ровании монокристалла мартенентной yi-фазы и действии одной си
стемы двойникования. Исследовано влияние режимов старения, темпе
ратурных и динамических условий на псевдоупругое двойникование.
Проведены рентгеноструктурные исследования изменения структуры
уГ-фазы при старении. Предложена физическая модель псевдоупругого
двойникования по плоскостям {121}уі', основанная на процессах атом
ной перестройки кристаллической решетки у/-фазы при старении.
8. Определены основные применения профшшрованньгх моно
кристаллов сплава Cu-Al-Ni, основанные на псевдоупругости, механи
ческом двойниковании, эффекте памяти формы и анизотрошш упругих
свойств. На основе проведенных исследований, установленных законо
мерностей и технологических разработок создан ряд устройств для раз
личных областей новой техники (А. с. СССР № 983500, 1530483,
[ 553099, Патент РФ № 2028507).
Практическая ценность. Определены оптимальные технологические параметры получения профилированных монокристаллов сплава Cu-Al-Ni непосредственно из расплава, позволяющие обоснованно выбирать способы формообразования для конкретных форм и размеров выращиваемых кристаллов. Разработаны новые способы и усіройства для этих целей (Патенты РФ№ 1445277, 2031984).
Получены экспериментальные данные, позволяющие прогнозировать и осуществляїь воздействие на функциональные свойства монокристаллических изделий из сплавов Cu-Al-Ni при изменении химического состава и условий нагружстшя, термической и химико-термической обработках, холодной и горячей пластической деформации, применительно к заданный условиям эксплуатации.
Исследования двойникования мартенситной фазы сплава Си-ЛІ-Ni и новые технологические приемы получения профилированных кристаллов из расплава легли в основу способа их обработки для достижения двойниковой псевдоупругости (Патент РФ № 1457433), создания гибких СВЧ волноводов и гибких капилляров для медицинских целей.
Исследования поведения монокристаллов сплава Cu-Al-Ni при одноосном деформировании сжатием позволили создать термочувствительные элементы дискретного срабатывания н компактные тепловые приводы.
Внедрение разработок позволило освоить новые виды продукции.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Оптимальные технологические парамеїрьі получения способом Степанова основных форм и размеров профилированных монокристаллов сплава Cu:Al-Ni при условиях зацеплении за кромки формооб-разователя, смачивании расплавом внутренних стенок формообразующего отверстия и комбинированном условии смачивания-зацепления.
-
Основные закономерности изменения фазового и структурного состояний, характеристик термоупругих маргенситных превращений, проявления эффектов памяти формы н псевдоупругости в зависимости от химического состава, условий паї ружения, режимов термообработ-
ки, холодной и горячей пластической деформации монокристаллов сплава Си-Al-Ni.
-
Тип образующейся мартенситной структуры при одноосном деформировании монокристаллов в отсутствие сдвиговых напряжений в базисных плоскостях зависит от величины приложенной нагрузки и определяется огаосительным изменением энергии зонной структуры мартенентных фаз при упругих искажениях кристаллической решетки.
-
Совокупность технологических приемов управления составом, структурой, параметрами эффекта памяти формы и псевдоупругости в монокристаллах сплава Cu-AI-Ni методом химико-термической обработки.
-
Основными факторами, определяющими формирование петли гистерезиса при деформационном термоупругом превращении в монокристаллах сплава Cu-AI-Ni являются тепловой эффект превращения и условия теплообмена с окружающей средой, диаметр образца, неоднородность вдоль ею длины по химическому составу и площади поперечного сечения.
-
Условиями полной реализации псевдоупругого поведения при механическом двойниковании по плоскостям {121}уі' в состаренном сплаве Cu-AI-Ni является формирование монокристалла мартенситной yi'-фазы и действие одной системы двойникования. Причина псевдоупругого поведения при двойниковании заключается в атомной перестройке кристаллической решетки мартенситной у/-фазы при старении.
7. Основные применения профилированных монокристаллов
сплава Cu-AI-Ni определяются их псевдоупругими свойствами, способ
ностью к многократному изгибу без деформационного упрочнения,
упраачясмыми параметрами эффекта памяги формы, способностью к
восстановлению значительных деформаций npff одноосном сжагин и анизотропными упругими свойствами.
Совокупность проведенных экспериментальных исследований структуры, физико-механических свойств, научно обоснованных способов выращивания профилированных монокристаллов сплава медь-аЛгоминий-никсль, управления характеристиками эффекта памяти формы и псевдоупругости решаег важную прикладную задачу - делает доступным для практического применения новый, монокристаллнче-скиіі материал с функциональными свойствами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены иа следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзных совещаниях по механизмам внутреннего тренпя в твердых телах (г. Сухуми, 1976 г., г. Кутаиси, 1979 г.); VIII, IX и XI Всесоюзном совещании по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве (г. Ленинград, 1979, (982 и 1988 г.); VII Всесоюзной конференции по механизмам релаксационных явлений в твердых телах, ВКМР-7 (г. Воронеж, 1980 г.); VI Международной конференции по росгу кристаллов (г. Москва, 1980 г.); Всесоюзной конференции"Сплавы со свойствами сверхупругосги и памяти формы и их применение в новой технике" (г. Киев, 1980 г.); Всесоюзной научной конференции "Сверхупругость, эф-фекг памяти и их применение в новой технике" (г. Воронеж, 1982 г.); Ш Всесоюзной конференции "Сверхупругость, эффект памяти формы и их применение в новой технике" (г. Томск, 1985 г.); Научно-техническом семинаре "Применение материалов с эффектом памяти формы" (г. Ленинград, 1986 г.); II Всесоюзной конференции "Моделирование роста кристаллов" (г. Рига, 1987 г.); V Научно-технической конференции
"Демпфирующие металлические материалы" (г. Киров, 1988 г.); Семинаре "Кинетика и термодинамика пластической деформации" ( г. Барнаул, 1988 г.); VII Всесоюзном совещании по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов (г. Тула, 1988 г.); I Всесоюзной конференции "Эффекты памяти формы и сверхэлас-тичности и их применение в медицине" (г. Томск, 1989 г.); Областной конференции стоматологов "Профилактика стоматологических заболеваний" (г. Воронеж, 1989 г.); Семинаре "Материалы с эффектом памяти формы и их применение" (г. Новгород, г. Ленинград, 1989 г.); Региональной научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие тсхнологии-89" (г. Курск, 1989 г.); Всесоюзной конференции "Маргенситныс превращения в гвердом теле" (г. Косов Ивано-Франковской обл., Украина, 1991г.); I Российско-Американском семинаре и XXXI семинаре "Актуальные проблемы прочности" (г. Санкт-Петербург, 1995 г.); IX Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругае явления в твердых телах" (г. Тула, 1997 г.); Kur-dyumov Memorial International Conference on Martensile, KUMICOM'99 (Moscow, 1999,Russia); XXXV семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Псков, 1999); XX Международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 1999).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 59 работ. Содержание диссертации достаточно полно отражено в 33 основных публикациях, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и списка литературы; содержит 333 стр, машинописного текста, 161 рис., 7 табл. и список литературы из 272 наименований.
