ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2012, том 113, № 3, с. 286-298
СТРУКТУРА, ^^^^^^^^
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.29524'3:539.374
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В АМОРФНОМ СПЛАВЕ Т150М25Си25 ПРИ ИНТЕНСИВНОМ МЕХАНОТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ И РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ ТЕРМОУПРУГОГО МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ £2 ^ £19
© 2012 г. В. Г. Пушин*, **, Н. Н. Куранова*, А. В. Пушин*, **, Э. З. Валиев*, Н. И. Коуров*, А. Е. Теплых*, 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 Поступила в редакцию 07.07.2011 г.; в окончательном варианте — 13.09.2011 г.
Представлены результаты сравнительных исследований структуры сплава Т150№25Си25, полученного в исходном аморфном состоянии методом быстрой закалки из расплава (БЗР), после интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением (КВД) и последующей термической обработки (ПТО). Изучение выполняли методами нейтронной и рентгеновской дифрактомет-рии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, измерений электрических свойств. Установлено, что в результате кручения под давлением 7 ГПа на 0.5 оборотов (об.) в исходно аморфном сплаве происходит нанокристаллизация, а затем после 1, 5, 10 и 15 об. сплав вновь испытывает уже деформационно индуцированную аморфизацию при сохранении даже после 5—15 об. большого количества чрезвычайно дисперсных нанокристаллов с искаженной В2-решеткой размером менее 3—4 нм в аморфной матрице. Их определяющая роль в качестве зародышей обеспечивает тотальный процесс низкотемпературной нанокристаллизации при последующем отжиге, начиная от (250— 300)°С. Показано, что ПТО аморфизированного при КВД сплава позволяет сформировать в нем высокооднородные нано-(НК), субмикрокристаллические (СМК) или бимодальные (НК + СМК) структуры В2-аустенита. Построена полная диаграмма термоупругих мартенситных превращений в области состояний В2-аустенита от наноструктурных до обычного поликристаллического. Установлен размерный эффект стабилизации мартенситного превращения в нанокристаллическом В2-сплаве.
Ключевые слова: аморфный никелид титана, Т150№25Си25, кручение под высоким давлением, отжиг, кристаллизация, рекристаллизация, диаграмма и размерный эффект термоупругих мартенситных превращений.
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы с термоупругими мартенситными превращениями (ТМП) составляют особый класс конструкционных и функциональных материалов с эффектами памяти формы (ЭПФ) [1—7]. Их наиболее ярким представителем, безусловно, являются сплавы на основе никелида титана [1—9]. Применение методов механотермических воздействий (МТВ), включающих значительную по величине пластическую деформацию и последующую термическую обработку (ПТО), обеспечивает в сплавах никелида титана формирование высокопрочного нано- и субмикрокристаллического (НК и СМК) структурного состояния с преобладанием зеренно-субзеренных нанофрагмен-тов размером менее 100 нм [6—9].
Как известно, мегапластическая деформация (со сверхвысокими степенями истинной деформации e, напр., более 3—4 ед.) специальными ме-
тодами, в частности, кручением под высоким давлением (КВД) позволяет получить в данных сплавах аморфизированное состояние (со смешанной аморфно-нанокристаллической структурой) [724]. В таком случае путем выбора режимов ПТО (температуры и времени) при расстекловывании аморфизированных сплавов обеспечивается контролируемый процесс формирования НК-структуры и, соответственно, возможность регулировать уровни необходимых физико-механических свойств. Однако, эти исследования были проведены исключительно на бинарных сплавах Т1—N1, близких к стехиометрическому составу Т15()№50 (в ат. %) [6-24].
Еще в 90-е годы прошлого века нами был выполнен комплекс работ по синтезу и изучению быстрозакаленных сплавов тройной квазибинарной системы ТШ-ТЮи и показано, что в данных сплавах с повышенным содержанием меди, наи-
более оптимальным при 25 ат. % Си по сочетанию прочностных и пластических свойств, могут быть получены аморфные и наноструктурные состояния [25—31]. С другой стороны, эти сплавы обладают высокой склонностью к аморфизации и при мегапластической деформации, что было обнаружено в работах [32—35]. Целью настоящей работы является исследование влияния интенсивной пластической деформации (КВД) и последующей термической обработки на структуру и мартен-ситные превращения в исходно аморфном сплаве Т^М^Си^.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе исследовали тройной квазибинарный сплав на основе никелида титана Т150№25Си25, полученный электродуговой плавкой из высокочистых Т1 (чистотой 99.8%), N1 и Си (99.99%) в атмосфере очищенного гелия. Для гомогенизации сплав подвергали многократным переплавам (не менее трех раз) с последующим длительным отжигом в аргоне при температуре 800°С. При этом средний размер зерна в сплаве составил 40 мкм. Быструю закалку из расплава (БЗР) выполняли методом спиннингования на быстровращающий-ся медный барабан со скоростью охлаждения Кзак = 106°С/с. Интенсивную пластическую деформацию кручением под высоким давлением 7 ГПа при комнатной температуре на 1/2, 1, 5, 10, 15 об. в камере Бриджмена проводили на образцах в форме дисков-компактов диаметром 10 мм и толщиной 0.2—0.3 мм, зажатых наковальнями с двух сторон, со скоростью вращения подвижной наковальни 1 об./мин (табл. 1). Компакты изготавливали из нарезки лент аморфного сплава. В результате такой обработки из БЗР-лент впервые были получены монолитные образцы толщиной 0.2—0.3 мм и диаметром 10 мм [32].
Структуру и мартенситные превращения в сплаве изучали с помощью методов структурной нейтронографии, рентгеновского фазового и структурного анализа (РФСА) и электронной микроскопии, просвечивающей (ПЭМ) и растровой (РЭМ). Также были выполнены необходимые аттестационные температурные измерения электросопротивления.
Для нейтронодифракционных исследований использовали дифрактометр монохроматических нейтронов с длинами волн X = 0.1805 нм и X = 0.2425 нм, установленный на горизонтальном экспериментальном канале реактора ИВВ-2М (г. Заречный, Свердловской области), для рентге-нодифракционных — рентгеновские дифракто-метры ДРОН-2 и ДРОН-3М с излучением СиКа
(X = 0.15418 нм). Численную обработку результатов дифракции, основанную на сравнении рас-
Таблица 1. Величина истинной деформации кручением в зависимости от числа оборотов для дисков толщиной t = 0.25 мм, радиусом г = 5 мм
Число оборотов n
1/2 1 5 10 15
e = 2nnr/t Y = 2nnr/t
r г/2 r г/2
4.1 3.45 62 31
4.8 4.14 124 62
6.4 5.75 628 314
7.1 6.44 1256 628
7.5 6.85 1885 942
четных и экспериментальных значении интен-сивностей, проводили по методу Ритвельда, встроенному в программу Fullprof.
В отделе электронной микроскопии ЦКП ИФМ УрО РАН выполняли электронномикро-скопические исследования на просвечивающих электронных микроскопах JEM-200 CX (максимальное ускоряющее напряжение 200 кВ), СМ-30 и Tecnai G2 30 (максимальное ускоряющее напряжение 300 кВ), а также растровом электронном микроскопе Quanta 200 (максимальное ускоряющее напряжение до 30 кВ), оснащенном системой Pegasus.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Нейтроно- и рентгенодифракционный анализ показал, что БЗР-сплав Т150№25Си25 находится в аморфизированном состоянии. На дифракто-граммах ни полуширина, ни положение максимумов практически не изменяются для БЗР-сплава в исходном состоянии и после низкотемпературной ПТО (рис. 1а). Этот факт свидетельствует об определенной стабильности структуры в интервале температур от комнатной до 300°С. Вообще говоря, подобный вид дифрактограмм типичен для аморфных состояний материалов с близкими атомными факторами рентгеновского рассеяния их образующих компонентов, к каким относятся Т1, N1 и Си. Однако, при нейтронной дифракции существенное отличие (вплоть до знака) амплитуд когерентного рассеяния атомов Т1, N1 и Си
(ЬТ1 = -0.344 х 10-12 см, Ьм = 1.03 х 10-12 см; ЬСо = = 0.7 х 10-12 см) обеспечивает высокую чувствительность данного метода и позволяет наблюдать тонкие дифракционные особенности аморфной матрицы и объяснить их наличием нанодоменно-го ближнего, а более вероятно, дальнего атомного порядка в расположении атомов титана, с одной стороны, и атомов меди и никеля, с другой, например, по типу ОЦК-Й2. Этот вывод прежде всего следует из наблюдения "наплывов" диф-
(а)
к = 4^т©Д 29, град
Рис. 1. Нейтронограммы БЗР-сплава Т150№25Си25 (а, кривая 1), после ПТО при 300°С, 10 мин (а, кривая 2), после КВД (п = 5) (а, кривая 3) и рентгенограмма БЗР-сплава после КВД (п = 5) и ПТО при 250°С, 10 мин (б).
фузных эффектов в меньших углах дифракции нейтронов при векторе рассеяния К ~ 1.0-1.5 А-1.
Модельный расчет интенсивности рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей сплавом Т150№25Си25, рассматриваемым как квазибинарный, показал, что в аморфном состоянии атомы титана имеют ближайшими соседями атомы никеля и меди, вторыми соседями имеют атомы титана и т.д. Т.е. в данной модели аморфное состояние сплава Т150№25Си25 можно легко получить из кристалла Т150(№, Си)50, хорошо упорядоченного по типу В2, путем случайных смещений атомов из положений равновесия, без их смешивания (небольшое перемешивание, по-видимому, возможно, когда некоторая часть атомов титана будет обмениваться местами с атомами никеля). Дополнительную информацию об атомной структуре БЗР-сплава Т150№25Си25 дает анализ максимумов интенсивности на рис. 1а, 1б. Наблюдаемое некоторое "обострение" нейтронодифракционных пиков в углах дифракции при векторе рассеяния К ~ 2 А-1 и рентгенодифракционных в углах 29 вблизи 43° (вблизи структурного пика 110В2) может отражать структурные особенности, связанные уже с наличием некоторого количества нано-кристаллической В2-фазы.
Электронно-микроскопические исследования на просвет структуры БЗР-сплава показали, что он действительно находится в аморфизирован-ном состоянии, судя по гало на микроэлектроно-граммах. На снимках при этом наблюдаются ха-
рактерный контраст типа "соль-перец" и отдельные нанокристаллы размером до 3
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.