научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВИДОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ВЕЛИЧИНЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ НАВОДЯЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ В СПЛАВЕ 43TI–46NI–9NB–2ZR Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВИДОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ВЕЛИЧИНЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ НАВОДЯЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ В СПЛАВЕ 43TI–46NI–9NB–2ZR»

^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.29524'293'296:539.377

ВЛИЯНИЕ ВИДОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ВЕЛИЧИНЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ НАВОДЯЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ

В СПЛАВЕ 43Ti—46Ni—9Nb—2Zr © 2015 г. Н. Н. Попов, Т. И. Сысоева, Е. В. Щедрина, Д. В. Пресняков, Е. Н. Гришин

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 02.09.2014 г.; в окончательном варианте — 24.12.2014 г.

Изучено влияние видов и режимов термической обработки, величины и температуры наводящей эффект памяти формы деформации на структурные изменения, мартенситные превращения, параметры кристаллической решетки и субструктуры, механические и термомеханические характеристики в новой композиции сплава с памятью формы 43Ti—46Ni—9Nb—2Zr (ат. %). Определены условия возникновения и реализации эффекта памяти формы. Установлена взаимосвязь структурных особенностей с величинами термомеханических характеристик сплава. Определен режим термической обработки и условия наводящей эффект памяти формы деформации, которые обеспечивают в данном сплаве получение высоких величин термомеханических характеристик.

Ключевые слова: сплав системы Т!—№—МЬ—/г, эффект памяти формы, термическая обработка, величина и температура наводящей эффект памяти формы деформации, структура, мартенситные превращения, фазовый состав, механические характеристики, термомеханические характеристики.

БО1: 10.7868/80015323015060078

ВВЕДЕНИЕ

Ранее авторами проводился ряд исследований по определению термомеханических характеристик (ТМХ) сплавов с памятью формы (СПФ) систем Т1—№—Ре и Т1—№—№ для дальнейшей разработки различных технологий на их основе [1—4]. Однако в настоящее время возникает необходимость расширять диапазон исследуемых систем СПФ и возможности их практического применения за счет поиска новых композиций и режимов обработки СПФ [5, 6]. Это определило цель данной работы — исследование структуры и мартен-ситных превращений новой композиции сплава с памятью формы 43Т1—46№—9МЬ—22г (ат. %), поиск режимов его термической обработки и темпе-ратурно-скоростных условий наведения ему деформации, которые обеспечат получение требуемых величин термомеханических характеристик для определенных условий эксплуатации. Решение этих проблем действительно будет способствовать широкому инновационному внедрению уникальных материалов с памятью формы в промышленность, в частности, в бурно развивающуюся атомную энергетику. Отметим, что ранее в [5], приведены некоторые результаты сравни-

тельного исследования вышеуказанного сплава после прессования и сплава подобного состава в литом состоянии.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на сплаве с памятью формы 43Tl—46Ni—9Nb—2Zr (ат. %) партии № 16-08-п. Прутки данного сплава находились в состоянии после прессования. В табл. 1 приведен химический состав сплава по данным поставщика. Из прессованных прутков электроискровым способом вырезали образцы. Образцы для проведения рентгеноструктурных исследований имели цилиндрическую форму с резьбовыми головками М4, общей длиной 26 мм, длиной и диаметром рабочей части 14 мм и 3 мм соответственно; на всей рабочей части образца выполняли две симметричные лыски, расстояние между которыми 2 мм. Для устранения наклепа поверхностного слоя, возникающего в процессе изготовления образцов, использовали глубокое химическое травление в растворе кислот (1/3И^3 + 1/3ИБ + 1/3Н20). Образцы для проведения исследований механических и

Таблица 1. Химический состав исследованного сплава по данным поставщика

Заказанный состав сплавов

ат. % мас. % И № № Zr

43Т1-46№-9№-27г 35.6Ti-46.7Ni-14.5Nb-3.2Zr 42.9 45.9 9.2 2.0

Состав сплава по данным поставщика, ат. %

термомеханических характеристик имели цилиндрическую форму с резьбовыми головками М4, общей длиной 26 мм, длиной и диаметром рабочей части 14 мм и 2 мм соответственно. Количество образцов в каждом эксперименте составляло от 3 до 5 штук. Для проведения микроструктурных исследований из образцов изготавливали шлифы, которые перед проведением исследований полировали, а затем подвергали химико-механической обработке в растворе коллоидного кремнезема и травлению ионами аргона.

Термическую обработку (ТО) образцов проводили закалкой или отжигом по следующим режимам: 1) закалка от 800°С, выдержка 0.5 ч, охлаждение в воду (режим ТО № 1); 2) отжиг при температуре 600°С в течение 1 ч, охлаждение с печью (режим ТО № 2); 3) отжиг в вакууме при температуре 850°С в течение 4 ч, охлаждение с печью (режим ТО № 3).

Деформацию образцам сплава с целью последующего проявления эффекта памяти формы (ЭПФ) наводили растяжением: 1) при различной заданной общей деформации е0 (6%, 11%, 15%, 25%) при постоянных температуре Тд = —60...—70°С и скорости е ~ 1.2 х 10-3 с-1 наведения деформации; 2) при различной температуре деформации Тд (-60...-70°С, 0...-5°С, 24°С) при постоянных величине е0 = 11% и скорости е ~ 1.2 х х 10-3 с-1.

Определение локального фазового состава и микроструктуры образцов сплава в исходном состоянии и после ТО по различным режимам проводили на сканирующем автоэмиссионном электронном микроскопе MIRA//LMU методами мик-рорентгеноспектрального анализа. Определение фазового состава, параметров кристаллической решетки и субструктуры, а также характеристики мартенситного превращения образцов сплава в исходном состоянии, после ТО, а также до и после реализации ЭПФ выполняли методами рентгено-структурного анализа на дифрактометре, обладающем рентгеновским Си^а-излучением мощностью 18 кВт. При исследовании характеристик мартен-ситного превращения дифрактометр оснащали температурной камерой с рабочим диапазоном изменения температур от -200°С до +100°С.

Механические и термомеханические характеристики определяли на образцах в исходном состоянии, после ТО по различным режимам и при реализации ЭПФ и эффекта обратимой памяти

формы (ЭОПФ) с использованием ранее разработанной экспериментально-методической базы [7].

Для определения механических характеристик сплава 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. По диаграммам растяжения в координатах "напряжение ст-дефор-мация е" определяли основные механические характеристики: фазовый предел текучести Стф, предел текучести материала с памятью формы

мпф

ат , предел прочности ств, максимальная деформация образца перед разрывом б™*- Относительное удлинение 8ост определяли по результатам измерения при комнатной температуре первоначальной длины рабочей части образцов и длины рабочей части после разрушения.

При проведении исследований термомеханических характеристик сплава сначала на испытательной машине UTS-100K при температурах Т= = -55...-70°С образцам наводили деформацию растяжением со скоростью деформации е ~ 1.2 х х 10-3 с-1 при заданной одинаковой общей степени 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 материалов с памятью формы и производили нагрев образцов до температуры Т ~ 110°С и последующее охлаждение. По результатам исследований строили диаграммы формовосстановления и формоизменения образцов сплава при проявлении ЭПФ и ЭОПФ соответственно. По этим диаграммам методом касательных определяли температуры начала А8 ЭПФ и окончания Ас ЭПФ формовосстановления в свободном состоянии при проявлении ЭПФ и температуры начала Мв ЭОПФ и окончания Мс ЭОПФ формоизменения при проявлении ЭОПФ в свободном состоянии во время охлаждения после проявления ЭПФ. Касательные проводили к участку наиболее интенсивного изменения деформации от температуры. По диаграммам также определяли величину наведенной образцу деформации растяжением ер, величину термически обратимой деформации восстановления еЭПФ при отсутствии противодействия при проявлении ЭПФ, а также величину обратимой деформации при проявлении ЭОПФ

Таблица 2. Элементный и фазовый состав сплава 4311—46№—9МЬ—2/г (ат. %) после различных режимов ТО

Наименование областей разного атомного контраста Атомная концентрация, % Фазы Атомное соотношение N1X11

Исходное состояние

Серого цвета 1143.8№148.4№Ь4.^Г2.9 И№, легированный № и Zr 1.10

Темно-серого цвета размером до 25 мкм 'Пзб^ззд^Л.б И2№, легированный № и Zr -

Белого цвета размером до 15 мкм легированный И, № и Zr -

Черного цвета размером до 15 мкм 1159.4№Ь3.9С35.9^0.2 Карбид (Т^^С -

После закалки по режиму ТО № 1

Серого цвета И№, легированный № и Zr 1.14

Темно-серого цвета размером до 25 мкм 1158.3№132.3№Ь8^Г1.2 И2№, легированный № и Zr -

Белого цвета размером до 15 мкм li7Ni4.4Nb87.5Zr1.! легированный И, № и Zr -

Черного цвета размером до 15 мкм 1162.1№Ь4С33.^Г0.8 Карбид (И^^С -

После отжига по режиму ТО № 2

Серого цвета 1i44.5Ni49.lNb4.oZr2.4 И№, легированный № и Zr 1.10

Темно-серого цвета размером до 20 мкм Т^Л^ЗЗ^^^.З И2№, легированный № и Zr -

Белого цвета размером до 15 мкм 1i16.6Ni4.5Nb77.4Zr1.5 легированный И, № и Zr -

Черного цвета размером до 10 мкм 1i56.2Nb3.8C38.2Zr0.7 Карбид (И^^С -

После отжига по режиму ТО № 3

Серого цвета И№, легированный № и Zr 1.10

Темно-серого цвета размером до 25 мкм ^ТЛ^ЗЗЛ^.Т^Л И2№, легированный № и Zr -

Белого цвета размером до 20 мкм li12.6Ni8.5Nb77.9Zr1 легированный И, № и Zr -

еЭОПФ в диапазоне прямого мартенситного превращения. Степень восстановления формы пЭПФ при проявлении ЭПФ в диапазоне обратного мартенситного превращения определяли как отношение 8ЭПФ/ер, а степень проявления эффекта обратимой памяти формы п ЭОПФ в диапазоне прямого мартенситного превращения как отношение бЭОПФ/ер.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Структура, мартенситные превращения, механические и термомеханич

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»