СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.29524:539.385
ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВЕ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ Ti49.5Ni50.5, ПОДВЕРГНУТОМ КРУЧЕНИЮ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
© 2012 г. В. Г. Пушин*, **, Р. З. Валиев***, Э. З. Валиев*, Н. И. Коуров*, Н. Н. Куранова*, В. В. Макаров*, А. В. Пушин*, **, А. Н. Уксусников*
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 ***Уфимский государственный авиационный технический университет, 450077 Уфа, ул. К. Маркса, 12
Поступила в редакцию 07.07.2011 г.
Представлены результаты исследований структурно-фазовых превращений, происходящих в сплаве с эффектом памяти формы на основе никелида титана И49 5№50 5 при интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением (КВД). Исследования проведены методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, нейтронной и рентгеновской дифракто-метрии, измерений температурной зависимости электросопротивления. Установлено, что под действием высокого давления в сплаве индуцируется мартенситное превращение В2 ^ В19'. После разгрузки давления мартенситная £19'-фаза в сплаве сохраняется. Исследованы тонкая структура £19'-мартенсита и ее эволюция при КВД на 1/4, 1/2, 1, 5 и 10 оборотов в нанокристаллическое, а затем и аморфизированное структурное состояние. Показано, что в сплаве после КВД за счет размерного бароэффекта все нанокристаллиты, размер которых меньше 30—50 нм, после снятия давления при комнатной температуре имеют 52-структуру и, следовательно, в сплаве реализуется обратное В19' ^ В2 мартенситное превращение.
ВВЕДЕНИЕ
Среди материалов с термоупругими мартен-ситными превращениями (ТМП) и эффектами памяти формы (ЭПФ) сплавы на основе никелида титана проявляют наилучшие физико-химические и механические свойства и, как следствие, обладают благоприятными эксплуатационными характеристиками. Они практически единственные широко используются в качестве конструкционных функциональных материалов с ЭПФ в технике и медицине [1—10]. В сплавах на основе никелида титана в зависимости от технологии их синтеза могут быть реализованы различные структурные состояния: моно- или поликристаллическое (обычное микрокристаллическое, МК, субмикро-, СМК, или нанокристаллическое, НК), одно- или многофазное. Одним из новых в современном материаловедении является научное направление, в котором получение объемных наноструктурных конструкционных и функциональных материалов, в том числе и сплавов с памятью формы, достигается сочетанными методами интенсивной пластической деформации (ИПД) [9—11]. Метод кручения под высоким давлением (КВД) позволяет достигать наиболее высоких степеней деформации в лабораторных условиях на экспериментальных образцах при сохранении их цельности [9—16]. Варьирование ре-
жимов КВД и последующих термообработок обеспечивает создание сплавов на основе никелида титана с различным размером нанозерен [9—33]. Данная статья посвящена исследованию влияния КВД на особенности фазовых и структурных превращений в сплавах на основе никелида титана.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объекта исследования был выбран сплав на основе никелида титана 1149.5№50.5. Сплав, изготовленный из высокочистых компонентов (йодидного титана чистотой 99.8% и никеля 99.99%) электродуговой плавкой в атмосфере очищенного гелия, подвергали многократным переплавам с последующим длительным отжигом в аргоне при температуре 1073 К для гомогенизации. При этом средний размер зерна в сплаве составил 30—35 мкм. Температуры начала (М,, Л,) и конца (Мр Лу) прямого (М,, М) и обратного (Л,, Лу) мартенситного превращения В2 ^ Ш9', определенные по температурным зависимостям электросопротивления закаленного от 1073 К сплава равны М = 278 К, Му = 248 К, Л, = 288 К, Лу = 308 К и, следовательно, при комнатной температуре сплав находится в состоянии метастабильного В2-аустенита. Образцы для КВД изготавливали из
Величина деформации кручением в зависимости от числа оборотов (для краевой части диска)
Число оборотов e = \n(2nnr/t) Y = 2nnr/t £экв = y/>/3
1/4 3.4 31.4 18.1
1/2 4.1 62.8 36.3
1 4.8 125.7 72.6
5 6.4 628.3 362.8
10 7.1 1256.6 725.5
цилиндрических заготовок в виде дисков диаметром 10 мм и толщиной 0.3 мм. Путем вращения одного из бойков в камере Бриджмена на 1/4, 1/2, 1, 5 и 10 оборотов за счет сил трения в образцах, зажатых бойками с двух сторон, обеспечивалась интенсивная сдвиговая деформация под действием приложенного высокого давления в пределах от 3 до 8 ГПа при комнатной температуре (см. таблицу). Для сравнения сплав подвергали деформации одноосным растяжением или прокаткой на (15—20)%.
Исследования структуры и фазовых превращений выполняли методами рентгеновского фазового и структурного анализа (в медном моно-хроматизированном излучении, X = 1.54178 Ä), нейтронографии и электронной микроскопии, просвечивающей (ПЭМ) и сканирующей (СЭМ). Электронно-микроскопические исследования проводили на микроскопах Tecnai G2 30, JEM 200 CX, Quanta 200 Pegasus в отделе электронной микроскопии ИФМ УрО РАН — Центре коллективного пользования УрО РАН, нейтро-нографические измерения — на дифрактометре
монохроматических нейтронов (к = 1.805 А), установленном на экспериментальном канале реактора ИВВ-2М (г. Заречный Свердловской обл.). Данные методы позволяют надежно идентифицировать фазовый и химический состав, атомную, нано- и микрокристаллическую структуру исходной аустенитной и мартенситных фаз, с высокой точностью определять параметры атомно-кристаллической решетки, их эволюцию в процессе изменения температуры, а также получать сведения о нано- и микроморфологии и тонкой внутренней структуре зерен-кристаллитов и мар-тенситных кристаллов. Средний размер зерен определяли по электромикроскопическим изображениям при усреднении измерений более, чем 300 зерен. Также в широком интервале температур были проведены необходимые измерения электросопротивления, магнитной восприимчивости и других механических свойств.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Результаты нейтронографических исследований сплава в исходном аустенитном состоянии приведены на рис. 1. Для этого сплава основной кристаллической фазой является фаза В2 (пространственная группа РтЗт). С помощью расчета по программе ЕыИрго/ были также определены параметр кристаллической решетки а и степень дальнего атомного порядка (п), которые оказались равны а = 0.30125 нм; п = 1.00 ± 0.05.
Приложение высокого давления приводит к уменьшению толщины образцов и было установлено, что остаточная деформация сжатия еост после снятия нагрузки составила (8—10)%. Извест-
29, град
Рис. 1. Нейтронограмма сплава Т149 5^50 5 в исходном В2-аустенитном состоянии после закалки от 1073 К.
(а)
(г)
38 40 42 44 46
38 40 42 44 46 (в)
38 40 42 44 46
38 40 42 44 46
(д)
38 40 42 44 46
(е)
38 40 42 44 46
29,град
Рис. 2. Профили рентгеновских линий сплава Т^.зМзо.з в исходном закаленном состоянии (а), после приложения давления 6 ГПа (б), после КВД на 1/4 (в), 1 (г), 5 (д) и 10 (е) оборотов.
но, что при приложении сжимающей нагрузки в метастабильных сплавах на основе никелида титана, как и при других схемах нагружения, происходит мартенситный переход В2 ^ В19', протекание которого сопровождается деформацией превращения в, псевдоупругой или пластической [1—7]. Показано, что величина деформации превращения для одного сплава и типа мартенситного перехода зависит от величины усилия, схемы напряженного состояния (растяжения, сжатия, кручения и т.д.) и ориентации монокристаллов. Для поликристалла при сжатии в среднем она не превышает 5% [6].
Кроме того, следует отметить, что при величине предела прочности исходных сплавов ав не более 1 ГПа прилагаемое в наших экспериментах при КВД высокое давление превышает ав не менее, чем в 3—8 раз, а деформационный предел текучести ах — еще примерно вдвое. Это вызывает уже только за счет сильного сжатия приложенным давлением заметную пластическую деформацию сплавов, находящихся как в мартенсит-ном состоянии, так и в аустенитном. С учетом
мартенситной неупругости реальную степень деформации сжатия в метастабильных сплавов можно оценить как сумму в = вост + вобр. Считаем, что обратимая деформация превращения при сжатии вобр составляет не более 5%. Поэтому, большая величина приложенного давления в наших экспериментах по КВД приводит к деформации сжатия в, величина которой при остаточной деформации вост « (8—10)% будет составлять до 15%.
С учетом вышеизложенного первоначально нами были выполнены структурные исследования сплава Х149 5№505 после приложения одноосного давления Р = 6 ГПа (без кручения), а также после деформации кручением под данным давлением на 1/4, 1/2 и 1 оборот. Для сравнения изучали сплав после холодной пластической деформации на (15—20)% одноосным растяжением или прокаткой.
На рис. 2 приведены фрагменты рентгеновских дифрактограмм сплава Х149 5№505 в исходном закаленном состоянии (а), после приложения
(а)
(б)
9.0
7.2
5.4 кспг 3.6
1.8
0
ОКа
___I_
(в) ТЖа
Элемент вес. % ат. %
О 9.84 25.66
ТС 64.04 55.78
№ 26.11 18.56
Т1КЬ
№Ка №КЬ
1 2 3
4 5 6 Е, кэВ
7 8 9 10
322 258 193 129 64 0
(г) Т1Ка
Элемент вес. % ат. %
С 19.15 48.58
ТС 80.85 51.42
ТЖЬ
сКа
1 2 3
4 5 6
Е, кэВ
7 8 9 10
Рис. 3. Типичные СЭМ изображения микроструктуры после обработки давлением 6 ГПа, полученные в режиме вторичных электронов (а, б) и 2 энергодисперсионных спектра рентгеновского излучения, сформированные частицами оксида типа Т^К^О^ (в) и карбида НС (г).
давления 6 ГПа (б), после КВД на 1/4 (в), 1 (г), 5 (д) и 10 (е) оборотов. Сплав в исход-
ном состоянии является полностью аустенитным (рис. 2а). При обработке высоким давлением в нем происходит, как и следовало ожидать, мар-тенситное превращение В2 ^ В19' и даже после разгрузки в сплаве преобладает мартенситная В19'-фаза (рис. 2б). Сильное уширение и вырождение тонкой структуры дифракционных спектров на рентгенограммах сплава наблюдается уже после КВД на 1/4, 1/2 и 1 об
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.