СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.29524'3:539.374
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В СПЛАВЕ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ Ti50Ni25Cu25 ПРИ ИНТЕНСИВНОМ МЕХАНОТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
© 2011 г. В. Г. Пушин, Н. Н. Куранова, А. В. Пушин, Н. И. Коуров, В. П. Пилюгин
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 23.05.2011 г.
Представлены результаты сравнительных исследований структуры литого мартенситного сплава Т150№25Си25 в исходном состоянии, после интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением (КВД) и последующего отжига, выполненные методами рентгеновской ди-фрактометрии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, измерений электрических свойств. Установлено, что в результате кручения под давлением 7 ГПа на 5 и 10 об. сплав испытывает практически полную аморфизацию, что объясняется большой величиной их сдвиговой деформации (истинная деформация составляет 6—7 ед.), при сохранении большого количества чрезвычайно дисперсных нанокристаллов с искаженной В2-решеткой размером менее 3—4 нм в аморфной матрице уже при комнатной температуре. Их определяющая роль в качестве зародышей обеспечивает тотальный процесс низкотемпературной нанокристаллизации при последующем отжиге, начиная от (250—300)°С. Показано, что отжиг аморфизированного при КВД сплава позволяет сформировать в нем высокооднородные нано- (НК), субмикрокристаллические (СМК) или бимодальные (НК+СМК) структуры В2-аустенита. Впервые для сплава И50№25Си25 построена полная диаграмма термоупругих мартенситных превращений в области состояний В2-аустенита от нано-структурных до обычного поликристаллического. Обнаружен размерный эффект стабилизации мартенситного превращения в нанокристаллическом В2-сплаве.
Ключевые слова: никелид титана, Т150№25Си25, термоупругие мартенситные превращения, кручение под высоким давлением, отжиг, кристаллизация, рекристаллизация, диаграмма мартенситных превращений.
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы с термоупругими мартенситными превращениями (ТМП) и связанными с ними эффектами памяти формы (ЭПФ) находят все большее практическое использование [1—7]. Их наиболее ярким представителем, уникально сочетающим в себе свойства конструкционных и функциональных материалов, безусловно, являются сплавы на основе никелида титана [1—9]. Многочисленные исследования последних лет показали, что применение различных методов механотермических воздействий (МТВ), включающих значительную по величине пластическую деформацию (со степенью истинной пластической деформации e до 1—2 ед.), и последующую термическую обработку (ПТО), приводит в сплавах никелида титана к формированию высокопрочного нано- и субмикрокристаллического (НК и СМК) структурного состояния с преобладанием зе-ренно-субзеренных нанофрагментов размером менее 100 нм [6-9].
Одним из вариантов МТВ является использование так называемой мегапластической деформации (со сверхвысокими степенями e, например, более 3— 4 единиц), обеспечивающей в данных сплавах спе-
циальными методами, например, кручением под высоким давлением (КВД), формирование аморфизированного состояния (со смешанной аморфно-нанокристаллической структурой) [7—24]. В таком случае ПТО позволяет при расстекловывании амор-физированных сплавов путем выбора его режимов (температуры и времени) осуществить контролируемый процесс формирования НК-структуры и, соответственно, регулировать уровни необходимых физико-механических свойств. Однако, обсуждаемые исследования были проведены исключительно на бинарных сплавах Ti—Ni, близких к стехиометриче-скому составу Ti50Ni50 (в ат. %) [6—24].
Еще в 90-е г.г. прошлого века нами был выполнен комплекс работ по синтезу и изучению быстрозака-ленных сплавов тройной квазибинарной системы TiNi—TiCu и показано, что данные сплавы с повышенным содержанием меди, наиболее оптимальным с 25 ат. % Cu по сочетанию прочностных и пластических свойств, могут быть получены в аморфном состоянии [25—27]. С другой стороны, эти сплавы обладают высокой склонностью к аморфи-зации и при мегапластической деформации, что было продемонстрировано в работах [28—31]. Целью
Температуры изохронного отжига (в течение 10 мин), средний размер зерна ^ср, температуры начала прямого (М8, Мс) и обратного (Л8, А) мартенситного превращения В2 о- В19 и их гистерезисы в литом сплаве после КВД и ПТО
Т °С 1 отж' ^ йсп, мкм Ms, °C Mf, °C AM (Ms - Mf) As, °C Af, °C AA (Af - As) A(Af - Mf)
800 40 52 17 35 32 62 30 45
300* 0.02 - - - - - - -
350 0.04 12 -8 20 7 22 15 30
400 0.06 37 17 20 27 47 20 30
450 0.1 47 27 20 37 57 20 30
500 0.2 52 27 25 37 62 25 35
550** 0.4
600** 0.8
650** 1.5
* Мартенситное превращение не установлено при охлаждении вплоть до Тжа. **Данные о температурах мартенситного превращения не приводятся.
данной работы является исследование влияния интенсивной пластической деформации (КВД) и последующей термической обработки на структуру и мартенситные превращения в сплаве Т50№25Си25.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе исследовали тройной квазибинарный сплав на основе никелида титана Т50№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. Структуру и мартенситные превращения изучали с помощью методов рентгеновского фазового и структурного анализа (РФСА) и электронной микроскопии, просвечивающей (ПЭМ) и растровой (РЭМ). Также были проведены необходимые аттестационные температурные измерения электросопротивления. Рентгенодифракто-метрический анализ 9/29 проводили на аппарате ДРОН-3М, используя медное излучение, монохро-матизированное графитовым монокристаллом.
При этом по данным РЭМ средний размер зерна в сплаве составил 40 мкм. Как показали измерения, температуры начала и конца прямого и обратного термоупругого мартенситного превращения В2 о о- Б19 данного сплава Т.50№25Си25 равны: Мв = 52°С,
= 17°С, А = 32°С, А = 62°С (см. таблицу). Интенсивную пластическую деформацию кручением под высоким давлением 7 ГПа в камере Бриджмена выполняли на образцах в форме дисков диаметром 10 мм и толщиной 0.5 мм, зажатых наковальнями с двух сторон, со скоростью вращения подвижной наковальни 1 об/мин.
Электронно-микроскопические исследования совершали в отделе электронной микроскопии ЦКП ИФМ УрО РАН на просвечивающих электронных микроскопах JEM-200 CX (максимальное ускоряющее напряжение 200 кВ) и Tecnai G2 30 (максимальное ускоряющее напряжение 300 кВ) и растровом электронном микроскопе Quanta 200 (ускоряющее напряжение до 30 кВ), оснащенном системой Pegasus, которая позволяет получать изображения в различных режимах, проводить химический элементный и текстурный структурный микроанализ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Рентгенографические и электронно-микроскопические исследования сплава Ti50Ni25Cu25 в исходном литом состоянии показали, что при комнатной температуре он имеет структуру 519-мартенсита (рис. 1). Были выполнены электронномикроскопи-ческие эксперименты in situ сплава в колонне электронного микроскопа (рис. 2). Так, при нагреве до температуры 100—150°С в сплаве наблюдаются типичные предпереходные состояния [2—6]. Обнаруживается сложная картина диффузного рассеяния в виде тяжей, интенсивность которых возрастает при приближении к температуре начала мартенситного превращения Ms по мере охлаждения, кроме того, на них усиливаются экстрарефлексы в положениях типа 1/2(110) (отмечены стрелкой на рис. 2б). Элек-тронномикроскопически при этом наблюдается характерный и закономерно прогрессирующий твидовый контраст (см. рис. 2а, 2в).
Вблизи Ms в сплаве образуются как гетерогенно (от границ зерен), так и гомогенно (в теле зерен) первые тонкопластинчатые кристаллы 519-мартен-сита (рис. 3а, 3б). Ориентационные соотношения
111 020
Я н о
38
40
42
44 46
29,град
Рис. 1. Фрагмент дифрактограммы литого сплава Т15оМ25Си25 при комнатной температуре.
между решетками В2-аустенита и В19-мартенсита близки к Бейновским:
(001) Л (001)м; [110] Л [100]м; [ЙО]\ [010]м. (1)
Определенные вблизи М8 по рентгеновским данным параметры элементарных ячеек В2-аусте-нита и В19-мартенсита составляют: аА = 0.3025 ±
±0.0005 нм, аМ = 0.288 ± 0.005 нм, Ьм = 0.426 ± ± 0.005 нм, см = 0.450 ± 0.005 нм. Изменение удельного объема АУ/У = (Ум - УА)/УА*100% = -0.18%. При комнатной температуре В19-мартенсит имеет преимущественно пакетно-пирамидальную морфологию, как правило, попарно двойниковых пластинчатых кристаллов (рис. 4а). Вторичные нано-двойники в последних появляются лишь при охлаждении до криогенных температур (см. рис. 4б). Кроме того, в сплаве присутствуют редко распределенные интерметаллические включения типа Т^О* [5].
Исходный поликристаллический сплав Т150№25Си25 подвергали КВД при комнатной температуре под давлением 7 ГПа на 5 и 10 об. наковален. В результате такой обработки из дисков исходного сплава толщиной 0.5 мм и диаметром 10 мм были получены монолитные образцы. Рентгено-структурные исследования образцов после КВД на 5 и 10 об. (истинная деформация е составила 6 и 7 соответственно) показали, что дифракционные пики кристаллических фаз в сплаве отсутствуют. Дифрактограммы рентгеноаморфных сплавов при температурах съемки 20-300°С содержали лишь сменяющие друг друга и расположенные вблизи ожидаемых положений структурных брэгговских отражений В2-фазы диффузные и очень широкие максимумы с
& т.
Ф •
• •
(в)
* ^
V к -ж
з 300 нм 1 1
(г)
Рис. 2. Типичные светлопольные изображения микроструктуры (а, в) и соответствующие микроэлектронограммы (б, г) В2-сплава ^0М25Си25, температура наблюдения 150°С (а, б), 100°С (в, г); ось зоны отражающих плоскостей близка [100] (б) и [111] (г).
Рис. 3. Типичные светло- (а) и темнопольное (б, в рефлексе типа 110в2) изображения микроструктуры сплава Т150М25Си25, температура наблюдения 50°С.
Рис. 4. Светло- (а) и темнопольное (б) изображения микроструктуры и электрон
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.