СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.24'295:536.425:539.25
ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ СПЛАВА Ti49.5Ni50.5, АМОРФИЗИРОВАННОГО ПРИ КРУЧЕНИИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
© 2013 г. В. Г. Пушин*, **, Н. Н. Куранова*, Н. И. Коуров*, Р. З. Валиев***, А. В. Королев*, 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 ***Институт физики перспективных материалов, УТАТУ, 450000 Уфа, ул. К. Маркса, 12
e-mail: pushin@imp.uran.ru Поступила в редакцию 08.08.2012 г.; в окончательном варианте — 11.12.2012 г.
Представлены результаты изучения структурных и фазовых превращений, происходящих в сплаве с эффектом памяти формы на основе никелида титана Ti49.5Ni50.5, подвергнутом термообработке после деформационно-индуцированной аморфизации при мегапластической деформации кручением под высоким давлением (на 5 или 10 оборотов). Исследования проведены методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, измерений температурной зависимости электросопротивления и магнитной восприимчивости. Установлено, что рас-стекловывание сплава происходит уже при низкотемпературной обработке, начиная от ~500 К. Определена эволюция структуры и стадийность развития процессов кристаллизации и рекристаллизации в зависимости от температуры. Показано, что отжиг аморфизированного сплава позволяет сформировать высокооднородные нано-, субмикрокристаллические или их бимодальные структуры в В2-аусте-ните. Построена полная диаграмма термоупругих мартенситных превращений В2-аустенита в области состояний от наноструктурных до обычного поликристаллического (с размером зерна 20—50 мкм). Обнаружены размерный эффект стабилизации аустенита и его особенности для мартенситных превращений B2 ^ R и B2(R) ^ B19' в зависимости от структурного состояния сплава.
Ключевые слова: мартенситные превращения, структурные и фазовые превразщения, эффект памяти формы.
DOI: 10.7868/S0015323013060120
ВВЕДЕНИЕ
Атомно-упорядоченные сплавы на основе никелида титана, испытывающие термоупругие мартенситные превращения (ТМП) при изменении температуры, давления или в процессе деформации, обладают уникальными и многими практически привлекательными функционально-механическими свойствами [1—10]. К ним, прежде всего, следует отнести эффекты одно- и многократно реализуемой памяти формы (ЭПФ), пластичности или псевдоупругости превращения, собственно деформационной сверхпластичности, аномально высокого демпфирования. Ранее нами было обнаружено, что данные сплавы можно получить при использовании методов сверхбыстрой закалки и мегапластической деформации в высокопрочном наноструктурном состоянии [9—15]. Установлено, что в сплавах на основе никелида титана в зависимости от техно-
логии их синтеза могут быть реализованы различные структурные и фазовые состояния: моно- или поликристаллическое (обычное микрокристаллическое (МК), субмикро- (СМК) или нанокри-сталлическое (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, обеспечивается методами интенсивной пластической деформации (ИПД) [16—22]. Метод кручения под высоким давлением (КВД) позволяет достигать наиболее высоких степеней деформации, накопленной в экспериментальных образцах при сохранении их цельности. Варьирование режимов КВД и последующих термообработок приводит к созданию сплавов на основе никелида титана с различными размерами нанозерен и уровнями физических характеристик [21—26]. Данная статья посвящена
исследованию влияния термообработки на особенности фазовых и структурных превращений и свойств сплавов на основе никелида титана, амор-физированных посредством КВД.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объекта исследования был выбран сплав на основе никелида титана Ti49.5Ni50.5. Сплав, изготовленный из высокочистых компонентов (йодидного титана чистотой 99.8% и никеля 99.99%) электродуговой плавкой в атмосфере очищенного гелия, подвергли пятикратному переплаву с последующим длительным отжигом в аргоне при температуре 1073 К для гомогенизации. При этом средний размер зерна в сплаве можно варьировать в оптимальных пределах 30—50 мкм. Температуры начала (Ms, As) и конца (Mf, Af) прямого (Ms, Mf) и обратного (As, Af) мартенситного превращения В2 ^ B19', определенные по температурным зависимостям электросопротивления, в закаленном от 1073 К сплаве с размером зерна (30— 50) мкм равны Ms = 278 ± 2 К, Mf= 248 ± 2 К, As = = 288 ± 2 К, Af = 308 ± 2 К и, следовательно, при комнатной температуре сплав находится в состоянии метастабильного В2-аустенита. Образцы для КВД из цилиндрических заготовок изготавливали в виде дисков диаметром 10 мм и толщиной 0.3 мм. Путем вращения одного из бойков в камере Бри-джмена на 5 и 10 оборотов за счет сил трения в образцах, зажатых бойками с двух сторон, обеспечивали мегапластическую сдвиговую деформацию (e = 6.4 и 7.1, соответственно) под действием приложенного высокого давления 6 ГПа при комнатной температуре. Изотермическую термообработку выполняли в печах сопротивления в интервале температур 373—873 К.
Структуру и фазовые превращения исследовали методами рентгеновского фазового и структурного анализа (в медном монохроматизированном излучении, X = 1.54178 Ä), 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. Данные методы позволяют надежно идентифицировать фазовый и химический состав, атомную, нано- и микрокристаллическую структуру исходной аусте-нитной и мартенситных фаз, определять параметры атомно-кристаллической решетки, их эволюцию в процессе деформации и изменения температуры, а также получать сведения о нано- и микроморфологии и тонкой внутренней структуре зерен-кристаллитов и мартенситных кристаллов. Средний размер зерен определяли по элек-
тромикроскопическим изображениям при усреднении измерений более чем 300 зерен. Также в широком интервале температур были проведены необходимые измерения электросопротивления, магнитной восприимчивости, твердости и механических свойств.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Как было установлено ранее [26], изучаемый в данной работе сплав Т149.5№50.5 после КВД на 5 и 10 оборотов находится в деформационно-инду-цированном аморфизированном состоянии. При этом аморфная матрица сплава характеризуется высокой плотностью равномерно распределенных, размером менее 3—5 нм, нановключений с искаженной атомно-кристаллической решеткой, частично упорядоченной по типу В2-аустенита. Известно также [22—24], что микроструктурное состояние сплавов даже после многократного КВД не является полностью однородным по радиусу дисков, будучи при этом достаточно однородно "проработанным" по толщине. Поэтому вначале были выполнены на образцах, вырезанных из разных участков дисков (в центре и на периферии), аттестационные исследования электросопротивления, магнитной восприимчивости, рентгено-дифрактометрии или микротвердости, измеряя ее в этом случае на диске вдоль радиуса. Видно, что в зависимости от числа оборотов КВД и положения отпечатка на диске, значения микротвердости изменяются в заметных пределах, 4.5—5.5 ГПа (см. рис. 1). С учетом полученных данных в дальнейших исследованиях все эксперименты проводили на двух сериях образцов, вырезанных в центральной и периферийной областях дисков после КВД.
Естественно, что аморфные сплавы стабильны при охлаждении в криогенной области. Однако, поскольку даже после КВД на 5 и 10 оборотов сплав не является полностью аморфным и содержит в себе многочисленные нанокристаллиты, нами было выполнено его низкотемпературное изучение методами, высоко чувствительными к структурным и фазовым переходам в них. Для установления возможности протекания мартенситных превращений и количественного определения их критических температур особенно чувствительными и достаточно экспрессными являются измерения электросопротивления р(Т и магнитной восприимчивости х(Т в зависимости от температуры. На рис. 2, 3 приведены кинетические кривые р(Т) образцов подвергнутого КВД на 5 и 10 оборотов сплава, вырезанных из центра или из края дисков. Измерения р(Т) проводили на всех образцах последовательно по температурному маршруту при охлаждении от комнатной температуры (ЯТ) до температуры кипения жидкого азота (Тм), затем при обратном нагреве до 573 К (с выдержкой 20 мин) и охлаждении до Т№ обрат-
6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500
(а)
0
10
а Па
6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000
2500 250
350 450
550
650
п Время выдержки — 0.5 ч
750 Т К
1 отж> ^
Рис. 1. Микротвердость сплава И49 5№50 5 в деформированном (а) и отожженном (б) состояниях: • — центр образца, ▲ — край образца; ■ — 1/2 радиуса образца.
6
2
4
8
(а)
(б)
Рис. 2. Температурные зависимости электросопротивления сплава И49 5№з0 5 после КВД, п = 5, Р = 6 ГПа, на краю (а) и в центре диска (б) (0 — комнатная температура старта; 1, 3 и 5 — температура кипения жидкого азота Т^; 2 — температура 573 К; 4 — температура 773 К; 6 — температура финиша 323 К).
ном нагреве до 773 К, охлаждении до Тм и отогреве до 323 К. Из монотонного хода кривых р(Т) на первом участке "0—1" следует, что аморфизиро-ванный сплав Т149.5№50.5 не испытывает никаких фазовых и структурных превращений при охлаждении до Тм. Последующий нагрев аморфизи-рованного сплава до относительно низких температур (480—500 К) приводит к началу процесса расстекловывания, отмеченному точками Тг на рис. 2, 3.
Электронно-микроскопически обнаружено, что при отжиге в широком интервале температур в аморфных сплавах на основе Т1№ легко удается
реализовать нанокристаллические высокооднородные по размеру равноосных
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.