ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 5, с. 537-547
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.24'295:539.52:539.4.015
О ПРИРОДЕ АНОМАЛЬНО ВЫСОКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НИКЕЛИДА ТИТАНА С ЭФФЕКТАМИ ПАМЯТИ ФОРМЫ. ИСХОДНАЯ СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© 2008 г. В. Г. Пушин*, А. И. Лотков**, Ю. Р. Колобов***, Р. 3. Валиев****, Е. Ф. Дударев**, Н. Н. Куранова*, А. П. Дшпин*, Д. В. Гундеров****, Г. П. Бакач**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Сибирский физико-технический институт ТГУ, 634050 Томск, пл. Новособорная, 1 ***Центр наноструктурных материалов и нанотехнологий БГУ, 308015 Белгород, ул. Победы, 85 ****Институт физики перспективных материалов УГАТУ, 450000 Уфа, ул. К. Маркса, 12
Поступила в редакцию 18.06.2007 г.; в окончательном варианте - 21.12.2007 г.
В работе представлены результаты исследований исходной структуры, фазового состава и мартен-ситных превращений, механических свойств и характера разрушения в широком интервале температур в сплаве повышенной чистоты с эффектами памяти формы Ti49 4Ni50 6, находящемся в обычном крупнозернистом состоянии (средний размер зерна 20-30 мкм) или в субмикрокристаллическом (средний размер зерна 0.2-0.3 мкм). Показано, что сплав обладает высокообратимыми термоупругими мартенситными превращениями при охлаждении и механических испытаниях при комнатной температуре. Установлено, что его отличают высокие значения прочностных и пластических свойств и коэффициентов деформационного упрочнения.
PACS 62.20.Fe, 81.40 Lm
ВВЕДЕНИЕ
Среди конструкционных и функциональных материалов, испытывающих мартенситные превращения, сплавы никелида титана имеют самые высокие прочностные и пластические свойства [1-14]. При этом они демонстрируют уникальные по величине и воспроизводимости эффекты термомеханической памяти, высокую надежность и долговечность их реализации (механотермиче-скую, механоциклическую, термоциклическую). Обладая хорошей свариваемостью, высокой коррозионной стойкостью, биологической совместимостью и сравнительно простым химическим составом, они отличаются также технологичностью металлургического процесса и последующих производственных переделов. Как сплавы с памятью формы они не имеют аналогов и незаменимы в ответственных изделиях и устройствах нового поколения в технике и медицине [1-14].
Сегодня известны основные механизмы неупругой деформации металлических материалов: путем скольжения, двойникования, мартенситно-го превращения. Именно сопровождаемая и обусловленная мартенситным фазовым переходом неупругость, выступая, как третий, после обычных упругости и пластичности, основной вид механического поведения кристаллических материалов, обеспечивает их уникальные особенности,
известные как эффекты памяти формы и сверхупругости. Следует отметить, что в сплавах никелида титана с высокообратимыми термоупругими мартенситными превращениями наблюдаемые эффекты сильного и изотропного размягчения модулей упругости, однократной памяти формы, сверхупругости, многократно обратимой памяти формы, высокого внутреннего трения и демпфирования являются наиболее мощными и широко используются в практике. Важное практическое применение наряду с деформационными и температурными эффектами имеют силовые эффекты генерации и релаксации напряжений при термоупругих мартенситных превращениях, как прямых, так и обратных [1-14].
В данных сплавах в зависимости от технологии их синтеза могут быть реализованы различные структурные состояния: моно- или поликристаллическое (обычное крупнозернистое, КЗ, суб-микро-, СМК, или нанокристаллическое, НК), одно- или многофазное. Одним из эффективных способов получения объемных субмикрокристаллических и нанокристаллических высокопрочных сплавов никелида титана служит метод интенсивной пластической деформации (ИПД) в сочетании с термообработкой [14-24]. Однако в то время как у большинства материалов с субмикрокристаллической и нанокристаллической струк-
турами, полученными ИПД, высоким значениям пределов текучести и прочности отвечает пониженная пластичность при комнатной температуре (10-20% относительного удлинения) [25, 26], метастабильные сплавы никелида титана проявляют необычно высокую способность к деформированию и, что особенно важно, высокое равномерное удлинение при растяжении [3, 5, 8, 10, 11]. Сравнительному изучению механического поведения, структурных и фазовых превращений при растяжении и анализу природы аномальной пластичности метастабильных сплавов никелида титана посвящено данное комплексное исследование. Работа состоит из двух частей. В первой части изучается исходная микроструктура и механические свойства сплавов. Вторая часть работы посвящена детальному исследованию механизмов пластической деформации и анализу природы его аномальных механических свойств, особенно пластичности.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала для исследования был выбран сплав Т1494№50.6 (в ат. %), полученный из высокочистых компонентов (чистотой 99.99%) методом электродуговой плавки в гелиевой атмосфере. Элементный состав примесей, содержащихся в сплаве по данным химического анализа, составил: С = 0.0372; Б = 0.0001; 02 = 0.0167; N = = 0.0003 вес. %. Слитки подвергали многократному переплаву, длительному гомогенизирующему отжигу в вакуумной печи и повторной деформационно-термической обработке, включающей ковку в прутки.
В исходном состоянии после завершающего отжига при 800°С, 1 ч с последующей закалкой в воде изучаемый сплав имеет обычную полиэдрическую крупнозернистую структуру (КЗ) со средним наиболее часто встречающимся размером зерен 20-30 мкм. Для получения наноструктурного (СМК + НК) состояния прутки сплава длиной 120 мм и диаметром 20 мм были подвергнуты многократной ИПД методом равноканального углового прессования (РКУП) при температуре 450°С (угол пересечения каналов Ф = 110°, число проходов п = 8, маршрут Вс [15, 16]). Испытания механических свойств на растяжение в вакууме 10-4 мм. рт. ст. в широком интервале температур
(20-600°С) при двух скоростях растяжения (1 х 10-3 и 1 х 10-4 с1) выполняли на плоских разрывных образцах с рабочей базой 5 х 2 х 0.5 мм. Испытания при комнатной температуре на воздухе проводили также на малой разрывной машине со скоростью растяжения 3 х 10-4 с1 на плоских миниоб-разцах с базой 1 х 1 х 0.25 мм и на обычной разрывной машине на стандартных цилиндрических образцах диаметром 3 мм с рабочей базой 15 мм (последние были использованы для анализа микроструктуры сплава в зависимости от степени деформации в поперечном и продольном сечениях относительно оси растяжения).
Электронно-микроскопические исследования микроструктуры образцов в исходном КЗ-состоянии, в СМК-состоянии после РКУП, а также после их механических испытаний на растяжение до разных степеней деформации выполняли на просвечивающих электронных микроскопах JEM-200CX и СМ-30 в Центре электронной микроскопии ИФМ УрО РАН. Образцы в виде тонких фольг готовили на установке "Тенупол-5". Изучали также поверхностный рельеф методом оптической металлографии in situ на плоских полированных разрывных образцах в процессе растяжения. Фазовый состав сплава, температуры начала и конца прямых и обратных мартенсит-ных превращений контролировали in situ методами рентгеновской дифрактометрии 6/26, измерений температурных зависимостей электросопротивления р и магнитной восприимчивости %. Рентгенографически визуализируемые методом просвечивающей электронной микроскопии включения карбидов TiC и интерметаллидных оксидов Ti4Ni2Ox не были обнаружены, что позволяет оценить их количество, как не превышающее (0.20.3) мас. %.
Критические температуры начала и конца прямого (Ms, Mf) и обратного (A;, Af) превращений B2 —- B19' изученного сплава Ti49.4Ni506 в исходном закаленном состоянии даны в табл. 1. Данные измерения выполнены методом двух касательных по температурным зависимостям магнитной восприимчивости x(T). Полученные результаты отличаются от данных по измерению электросопротивления не более чем на ±3°.
Таблица 1. Критические температуры мартенситных В2 —«- В19' и В2 —► R —- В19' превращений в сплаве Ti494Ni506, закаленном и после РкУп при 450°C (n = 8)
Состояние M's, °C M f, °C a; , °c af, °C M;, °C Mf, °C A;, °C Af, °C
Закалка от 800°C - - - - 15 -5 25 35
РКУП, 450°C, n = 8 20 10 20 30 -20 -30 20 30
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
1. Исходная микроструктура и фазовые превращения в сплаве при охлаждении
Сплавы на основе интерметаллического соединения Т1№ в обычном поликристаллическом (КЗ) состоянии имеют зеренную структуру В2-аустенита, как правило, со средним размером зерен менее 100 мкм, варьируемым в зависимости от исходной термомеханической обработки [1-14]. В исследованном нами КЗ-сплаве, как уже отмечалось, средний размер зерна составляет 20-30 мкм. Известно, что в преддверии мартенситных превращений в сплавах никелида титана реализуются прогрессирующие по мере сильного изотропного размягчения упругих модулей особые предпере-ходные состояния [3, 5, 10, 27-29]. Их субструктура характеризуется наличием когерентных нанодо-менов, положения периодически смещенных атомов в которых приближаются к решетке будущих мартенситных фаз [3, 5, 10, 11]. Данные нано-структурные состояния дифракционно проявляются на электронно-микроскопических изображениях в виде деформационного твидового контраста, а на картинах дифракции электронов,
нейтронов и рентгеновских лучей - в виде диффузных эффектов: нерадиальных тяжей и экстра-рефлексов в положениях, слабо несоизмеримых с рефлексами будущих мартенситных фаз R, В19, B19' типа 1/3(110)*, 1/2(110)*. На рис. 1 приведены типичные для метастабильного аустенит-ного КЗ-сплава Ti494Ni506 картины твидового контраста высокого разрешения и микроэлек-тронограммы двух рациональных сечений (100)В2 и (111)В2 (соответственно осей зон отражающих плоскостей (о.з.) [100]В2 и [111]В2) с диффузными тяжами и сателлитами указанных выше типов.
Охлаждение закаленного сплава в КЗ-состоянии ниже критической температуры Ms приводит к мартенситному превращению В2 —► В19'. Параметры элементарной яче
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.