Введение к работе
Актуальность.
Сплавы на основе TiNi относятся к особому классу материалов c эффектом памяти формы (ЭПФ), который обусловлен термоупругими мартенситными превращениями, и широко используются в качестве конструкционных и функциональных материалов (работы Гюнтера В.Э., Прокошкина С.Д., Пушина В.Г. и др.). Проблема повышения эксплуатационных характеристик устройств, имеющих элементы, изготовленные из материалов с ЭПФ, всегда остается актуальной. Это особенно важно в медицине, авиации, космической технике, где необходимо обеспечение повышенной надежности изделий при их минимальных размерах и сечениях. Известно, что решить задачу повышения прочностных свойств материалов позволяет измельчение зерна. В случае сплавов TiNi измельчение зерна позволит существенно повысить механические свойства, в частности предел текучести, что приведет к повышению такой важной характеристики ЭПФ, как реактивное напряжение srmax.
В настоящее время в физическом материаловедении сформировалось новое научное направление, связанное с получением ультрамелкозернистых (УМЗ) и нанокристаллических (НК) металлов и сплавов методами интенсивной пластической деформации (ИПД) (Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.). Предыдущие работы показали, что формирование УМЗ структуры с размером зерна (d) около 300 нм в сплавах TiNi методом равноканального углового прессования (РКУП) позволяют существенно улучшить весь комплекс их физико-механических и эксплуатационных свойств: прочность, предел текучести, эффекты памяти формы (Валиев Р.З., Столяров В.В., Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Дударев Е.Ф., Колобов Ю.Р. и др.). Можно предположить, что формирование НК состояния в сплавах TiNi позволит дополнительно повысить прочность, предел текучести и srmax по сравнению с достигнутыми ранее значениями. Тем не менее, путем РКУП достигнуть НК структуры в этих сплавах не удавалось. Термомеханической обработкой (ТМО) прокаткой удалось сформировать структуру сплавов TiNi с размерами субзёрен в несколько десятков нанометров и тем самым значительно повысить характеристики ЭПФ. Однако сформировать НК структуру с размером зерен менее 50 нм и большеугловыми границами данная ТМО не позволила.
Нанокристаллическое и даже аморфное состояние в сплавах TiNi были сформированы методом интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) (Татьянин Е.В., Гундеров Д.В., Пушин В.Г, Прокошкин С.Д., Столяров В.В., и др), но в указанных работах использовались традиционные режимы ИПДК, и были получены лишь малые дисковые образцы (диаметром до 10 мм и толщиной не более 0,3 мм). Малый размер образцов не позволил ранее провести всесторонние исследования механических свойств и деформационного поведения НК сплавов TiNi.
В ИФПМ УГАТУ была создана оригинальная установка ИПДК, обеспечивающая получение образцов большего размера: диаметром 20 мм и толщиной до 1 мм. Использование образцов таких размеров позволяет выполнить комплексные исследования механических характеристик сплавов TiNi с нанокристаллическим размером зерен (от 100 до 10 – 20 нм), установить взаимосвязь параметров НК структуры со свойствами, что представляет значимый научный и практический интерес для разработки в дальнейшем материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Для производства различных изделий из TiNi требуются полуфабрикаты в виде лент и прутков, получение которых методом ИПДК невозможно. Изготовление подобных полуфабрикатов НК TiNi может осуществляться путем применения комбинированных методов ИПД таких, как равноканальное угловое прессование (РКУП) с последующей холодной прокаткой, либо с использованием высокопроизводительного метода РКУП - «Конформ» (РКУП-К). Ранее данные подходы были успешно использованы, в частности, для получения длинномерных НК и УМЗ прутков технически чистого Ti (Валиев Р.З., Рааб Г.И. и др), однако к сплавам TiNi они не применялись.
Таким образом, целью настоящей работы явилось установление взаимосвязи механических свойств сплавов TiNi с параметрами НК структуры, сформированной ИПД, и разработка методов получения НК TiNi сплавов для их практического применения.
Для достижения поставленной цели в работе решали следующие основные задачи:
-
Установление режимов получения образцов сплавов TiNi с различным размером зерен в НК - диапазоне методом ИПДК и последующих отжигов.
-
Изучение механических характеристик и деформационного поведения НК сплавов TiNi.
-
Получение и исследование НК и УМЗ заготовок сплава TiNi с использованием комбинации РКУП и холодной прокатки, а также метода РКУП-«Конформ».
Научная новизна работы:
1. Впервые подробно исследовано деформационное поведение сплавов TiNi с различным средним размером зёрен от 20 до 300 нм. Показано, что хотя при деформации сплавы TiNi находятся в мартенситном состоянии, однако их предел текучести определяется размером аустенитного зерна при d более 20 нм по зависимости Холла - Петча.
2. Показано, что в диапазоне размеров зерен от 20 до 300 нм напряжение деформационно-индуцированного мартенситного превращения зависит от размера зерен по закону s~1/d. При уменьшении размера зерна менее 20 нм деформационно-индуцированное превращение блокируется.
3. При повышении температуры деформации до 400С сплав TiNi в НК состоянии имеет значения прочности (в1100 МПа) и пластичности значительно выше, чем сплав в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях. Снижение скорости деформации с 10-3 до 10-4 с-1 при температуре 400С приводит к снижению предела текучести более чем в 2 раза и снижению пластичности.
Практическая значимость работы:
Использование методов ИПД позволило получить сплавы TiNi с НК структурой, обладающие повышенными механическими характеристиками. Применение комбинации РКУП и прокатки, а также метода РКУП-К для формирования в сплавах TiNi НК и УМЗ структуры обеспечивает возможность получения большеразмерных заготовок с повышенными прочностными свойствами и характеристиками ЭПФ, что перспективно для практических применений. Из полученного УМЗ сплава TiNi изготовлены опытные образцы дентальных имплантатов с ЭПФ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Режимы получения образцов 20 мм сплавов TiNi с различным размером зёрен в НК диапазоне методом ИПДК с последующими отжигами.
2. В сплаве Ti49,4Ni50,6 в аморфизированном и НК состоянии с размером зёрен d 20 нм наблюдаются высокие значения предела прочности (более 2000 МПа) при малой пластичности. С увеличением размера аустенитного зерна пластичность сплавов повышается, а предел текучести уменьшается в диапазоне размеров зерен от 20 нм до 60 мкм в соответствии с зависимостью Холла – Петча.
3. Показано, что нанокристаллические сплавы TiNi при повышенных температурах деформации растяжением (400 и 500С) демонстрируют высокую прочность при одновременно более высокой пластичности по сравнению с материалом в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состоянии, что свидетельствует об активизации зернограничного проскальзывания в нанокристалических образцах при повышенных температурах.
4. Определены и исследованы параметры комбинированной обработки, включающей РКУП и холодную прокатку (РКУП+ХП), позволившие получать заготовки - полосы сплавов TiNi с НК структурой. Показано, что эволюция структуры и механических свойств при отжиге сплава TiNi, подвергнутого РКУП+ХП, аналогична изменениям, происходящим в сплаве после ИПДК.
Личный вклад.
Основные результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач исследований, проведении экспериментальных исследований, интерпретации полученных результатов, формулировке основных положений, выводов, написании статей. Часть структурных исследований была выполнена автором в ИФМ УрО РАН совместно с д.ф.-м.н. В.Г. Пушиным (г. Екатеринбург). Характеристики ЭПФ определяли в МИСиС совместно с д.ф.-м.н. С.Д. Прокошкиным (г. Москва).
Апробация.
Материалы настоящей диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях: Первая международная школа «Физическое материаловедение», Тольятти, ТГУ, 2004 г.; «Проблемы современного машиностроения», Уфа, УГАТУ, 2004 г.; IV региональная школа – конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, посвященная 95 - летию БашГУ, Уфа, 2004 г.; XVIII Уральская школа материаловедов – термистов «Актуальные проблемы физического материаловедения сталей и сплавов», Тольятти, 2006 г.; VI региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и химии, Уфа, БашГУ, 2006 г.; VII международная научно-техническая конференция «Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых», Екатеринбург, 2006 г.; «Наноматериалы технического и медицинского назначения», Тольятти, 2007 г.; E-MRS 2007 «Fall Meeting», Варшава (Poland) 2007 г.; «Nanomaterials: microstructural and mechanical characterizations, simulations», University of Rouen (Франция), 2008 г.; XIX Уральская
школа металловедов–термистов: «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Екатеринбург, 2008 г.; «Atomic transport in bulk nanostructured materials and related unique properties», Rouen (Франция), 2010 г.; Школа - конференция «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы», Уфа, 2010 г.; «Bulk Nanostructured Materials: from fundamentals to innovations», Уфа, 2007, 2009, 2011 гг.; XXI Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012 г.; Международный симпозиум «Металлы 2012», г. Брно (Чехия), 2012 г.
Работа проводилась в рамках выполнения Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг., мероприятие № 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами», гос. контракт № П2165 проект «Разработка научных основ создания наноструктурного сплава TiNi с повышенными механическими свойствами путем его обработки методом интенсивной пластической деформации»; государственных контрактов №16.523.12.3002 № 11.519.11.3016 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.г.»; проекты РФФИ 09-08-00747-а, 10-03-00847-а, 10-08-97012-р_поволжье_а, 08-02-91955-ННИО_а, 07-02-92180-НЦНИ_а, 10-02-91175-ГФЕН_а.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 17 статьях, из них 10 публикаций в изданиях, входящих в перечень ВАК, подана одна заявка на патент РФ (№2012148447 от 14.11.2012).
Структура и объем диссертации. Содержание диссертационной работы изложено в 5 главах на 124 страницах, содержит 64 рисунка, 18 таблиц и список из 93 цитируемых источников. Работа выполнена при научной и методической консультации д.ф.-м.н. Д. В. Гундерова.
