^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.295'24'293:539.214
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ti-Ni-Nb С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ И ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА НИХ
© 2013 г. Н. Н. Попов, В. Ф. Ларькин, Д. В. Пресняков, А. А. Аушев, Т. И. Сысоева, А. А. Костылева, Е. Б. Суворова
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
607188Саров Нижегородской обл., пр. Мира, 37 e-mail: popov@astra.vniief.ru Поступила в редакцию 16.07.2012 г.; в окончательном варианте — 11.10.2012 г.
В данной работе исследованы свойства сплавов с памятью формы на основе никелида титана, легированного ниобием, с целью использования их при разработке прогрессивной технологии термомеханического соединения трубопроводов и цилиндрических элементов конструкций муфтами, изготовленными из этих сплавов. В процессе работы определены элементный и фазовый состав сплавов системы Ti—Ni—Nb в литом и прессованном состояниях, исследована их микроструктура, кинетика и температуры фазовых превращений, определены основные механические характеристики, исследованы термомеханические характеристики и влияние различных видов и режимов термической обработки на них. Результатами проведенных исследований подтверждена пригодность данных сплавов для использования в термомеханических соединениях трубопроводов. При этом муфты можно хранить при температурах до 40°С без потери ими наведенной деформации. Изменяя определенные механические и термомеханические характеристики сплавов системы Ti—Ni—Nb в литом или в прессованном состояниях с помощью различных видов и режимов термообработки, можно расширить область применения этих материалов.
Ключевые слова: сплав системы Т1—№—№, эффект памяти формы, эффект обратимой памяти формы, термическая обработка, микроструктура, фазовые превращения, механические характеристики, термомеханические характеристики, наведение деформации, гистерезис превращения, термомеханическое соединение трубопроводов.
БО1: 10.7868/80015323013040074
ВВЕДЕНИЕ
Одно из первых применений сплавов с памятью формы (СПФ) заключалось в изготовлении из них муфт, предназначенных для термомеханического соединения (ТМС) трубопроводов. В традиционной технологии ТМС используются СПФ системы Т1—N1—Бе. Однако муфты, изготовленные из этих сплавов, необходимо деформировать, хранить и устанавливать при криогенных температурах, что технологически неудобно.
Для преодоления этих недостатков было предложено, с целью расширения мартенситного гистерезиса, использовать дополнительное легирование никелида титана ниобием, о чем ранее подробно говорилось в работах [1, 2]. Подробный список зарубежных работ на эту тему приведен в работе [3].
При подготовке нами проекта МНТЦ № 2147, посвященного разработке технологии ТМС,
проф. Прокошкин предложил использовать для изготовления термомеханических муфт сплавы системы Ti—Ni—Nb, подвергнутые термомеханической обработке с целью улучшения их эксплуатационных характеристик. Результаты, полученные в ходе выполнения данного проекта, опубликованы в работах [3—7].
В вышеуказанных работах мы исследовали сплавы в литом состоянии. Поскольку выяснилось, что в этом случае они имеют невысокие деформационные характеристики, то в дальнейшем мы предложили ввести операцию прессования в технологию получения сплавов системы Т1-№-№.
В данной статье представлены результаты наших дальнейших исследований термомеханических характеристик (ТМХ) сплавов системы Т1— №—№ с памятью формы в литом и прессованном состояниях и влияния различных видов и режимов термической обработки на них с целью использо-
вания их при разработке прогрессивной технологии термомеханического соединения трубопроводов и цилиндрических элементов конструкций муфтами, изготовленными из этих сплавов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
На основе литературных данных и по результатам предыдущих работ [3—7] для исследования свойств сплава системы 11—№—№ с памятью формы и дальнейшего изготовления муфт, предназначенных для ТМС трубопроводов, использовали 2 партии сплава на основе никелида титана, легированного ниобием, состава 45Т—45№—10№ (ат. %), изготовитель ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ", г. Москва):
1. Сплав системы 11—№—МЬ (партия № 1) в виде литого прутка диаметром 50 мм;
2. Сплав системы 11—№—МЬ (партия № 2) в виде двух литых прутков диаметром 50 мм каждый и прессованного прутка диаметром 25 мм. Прессованный пруток изготавливали по технологии ВИАМ посредством продавливания в горячем состоянии литого прутка диаметром 50 мм через матрицу с выходным отверстием диаметром 25 мм; при этом длина прутка увеличивается почти в 4 раза.
Заказанные сплавы 45'П—45№—10№ (ат. %) в мас. % имеют следующий состав: 37.61i-46.1Ni— 16.2МЪ. При заказе допускались следующие отклонения по химическому составу сплавов (мас. %): по никелю и титану на (±0.5)%; по ниобию на (±0.3)%; содержание углерода не более 0.1%.
Были выбраны следующие виды и режимы термической обработки (ТО) образцов:
— исходное состояние без термообработки (режим ТО № 1);
— 20°С, закалка от 800°С, 0.5 ч, охлаждение в воду (режим ТО № 2) — для сплава партии № 2;
— (—196)°С, закалка от 800°С, 0.5 ч, охлаждение в воду (режим ТО № 3) — для сплава партии № 1;
— 20°С, отжиг в вакууме при температуре 850°С в течение 4 ч, охлаждение с печью (режим ТО № 4).
Термическую обработку СПФ проводили в лабораторной печи (закалка) или в шахтной вакуумной печи СШВ 1.2,5/25И1 с целью устранения неоднородности, снятия внутренних напряжений и, следовательно, возможного улучшения свойств сплавов системы Т^М—^.
Для исследования элементного состава и проведения микрорентгеноспектральных исследований сплавов 'Б—№—N в исходном состоянии (ТО № 1) от различных частей каждого из прутков на токарном станке модели SCHAUBLIN-150 от-
°-63 J Rz 20
5 R1 5
26
Рис. 1. Эскиз образца для исследования механических и термомеханических характеристик сплавов.
резали заготовки в виде цилиндров диаметром 20 мм и высотой 15 мм, из которых затем изготавливали шлифы. Для выявления микроструктуры полированные металлографические шлифы подвергали химико-механической обработке в растворе коллоидного кремнезема (водного раствора белой сажи) на установке MINIMET 1000 (t = 30 мин, v = 50 об/мин, F = 2 Н) и ионному травлению на установке PECS-682 ионами аргона (U = 5 кэВ, I = 180 мА, t = 10 мин). Исследование элементного и локального фазового состава проводили на электронно-зондовом рентгеновском микроанализаторе. В качестве эталонов использовали стандарты чистых металлов Ti, Ni и Nb. Фазы, наблюдаемые в режиме атомного контраста, идентифицировали микрорентгеноспектральным методом. Для характеристики распределения элементов в плоскости на электронном сканирующем микроскопе MIRA LMU в режиме атомного контраста (отраженных электронов) снимали электронные изображения, при анализе которых проводили идентификацию фаз исследуемых сплавов, а также включений, образовавшихся в процессе плавки.
Для проведения рентгеноструктурных исследований использовали образцы цилиндрической формы с резьбовыми головками М4, общей длиной 26 мм, длиной и диаметром рабочей части 14 и 3 мм, соответственно (аналогично изображенному на рис. 1); на всей рабочей части образца диаметром 3 мм выполняли две симметричные лыски, расстояние между которыми 2 мм. Снятие наклепа поверхностного слоя, возникающего в процессе изготовления образцов, производилось глубоким химическим травлением в растворе кислот (1/3HNO3 + 1/3HF + 1/3H2O). Рентгено-структурные исследования проводили на рентгеновском дифрактометре; использовали Си^а-из-лучение. Фазовый анализ образцов проводили с использованием широкоугловой приставки и на основе библиотеки стандартных данных [8]. Температуры фазовых превращений определяли на низкотемпературной приставке, фиксируя изменение интенсивностей наиболее сильных отражений аустенита и мартенсита.
Исследования основных механических и термомеханических характеристик сплавов прово-
Рис. 2. Устройство для исследования термомеханических характеристик СПФ при температурах от —180 до 200°С.
дили на цилиндрических образцах длиной 26 мм и с длиной и диаметром рабочей части 14 и 2 мм, соответственно. От каждого из прутков сплавов на электроискровом станке модели 4А731 вырезали заготовки, затем на токарном станке модели SCHAUBLIN-150 изготавливали образцы, которые затем подвергали различным видам и режимам термической обработки (ТО № 1, № 2 (№ 3), № 4). Эскиз образца приведен на рис. 1.
Для определения механических характеристик сплавов системы Т1—N1—Nb на испытательной машине UTS-100K при температурах Т = (—55...—70)°С образцы подвергали испытаниям на растяжение со скоростью деформации е ~ 1.2 х 10—3 с-1 (скоростью передвижения траверсы 1 мм/мин). По диаграммам растяжения в координатах "напряжение ст—деформация е" определяли основные механические характеристики.
При проведении исследований термомеханических характеристик сплавов системы Т1—N1—N сначала на испытательной машине UTS-100K при температурах Т = (—55.. .—70)°С образцам наводили деформацию растяжением со скоростью деформации е « 1.2 х 10—3 с-1 (скоростью передвижения траверсы 1 мм/мин) при заданной одинаковой общей деформации е0 = 11%. Сразу же после наведения деформации исследуемые образцы при отрицательных температурах поочередно устанавливали в предварительно охлажденную до такой же температуры термокамеру устройства для исследования термомеханических характеристик матери-
алов с памятью формы (рис. 2); производили нагрев образцов до температуры Т ~ 110°С с темпом нагрева 4°С/мин и их охлаждение до температуры Т ~ (—160)°С (охлаждение образцов, вырезанных из прессованного сплава, — до температуры Т ~ ~ (—100)°С). При этом сначала образцы остывали вместе с печью примерно до температуры Т = = (40—45)°С, дальнейшее охлаждение производилось с помощью паров жидкого азота. При нагреве образцы укорачивались —
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.