СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СВОЙСТВА ЭВТЕКТОИДНЫХ Р-СПЛАВОВ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
|
Введение 4
1 Литературный обзор. Фазовые превращения, структура и физико-механические
свойства сплавов с эффектом памяти формы 9
1.1 Мартенситные превращения 9
1.2 Термоупругие мартенситные превращения 13
1.3 Предмартенситные явления 17
1.4 Эффект памяти формы и механические свойства сплавов 21
1.5 Сплавы с эффектом памяти формы на основе меди 26
1.6 Влияние легирования на температуры ТМП в медных сплавах 30
1.7 Деформационное поведение сплавов с эффектом памяти формы на основе меди 32
1.8 Постановка задачи 37
2 Материалы и методы исследований 38
2.1 Исследуемые материалы 38
2.1.1 Получение литых сплавов 38
2.1.2 Получение материалов методом большой пластической деформации кручением под
высоким давлением (КВД) 38
2.2 Методики экспериментального исследования 40
2.2.1 Рентгенодифрактометрический анализ 41
2.2.2 Оптическая микроскопия 41
2.2.3 Электронно-микроскопические исследования 41
2.2.4 Резистометрия 47
2.2.5 Измерение магнитной восприимчивости 47
2.2.6 Методики механических испытаний 48
2.2.7 Дюрометрия 53
3 Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на механические свойства и структурно-фазовые превращения сплавов системы Си-А1-№ с эффектом
памяти формы 55
3.1 Химический, фазовый и микроструктурный анализ сплавов системы Си-А1-№ 55
3.2. Механические свойства сплавов системы Си-А1-№ 73
3.3 Влияние двойной закалки и легирования бором на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства сплавов Си-А1-№ 78
Выводы к главе 3 84
4 Влияние мегапластической деформации кручением под высоким давлением на структурнофазовые превращения и механические свойства сплавов Cu-Al-Ni 86
4.1. Структура, фазовый состав и механические свойства сплавов Cu-Al-Ni
после КВД при комнатной температуре 86
4.2 Влияние КВД и термообработки на структуру и механические свойства
сплавов Cu-Al-Ni 91
4.3 Влияние температуры механических испытаний на структуру и свойства
КВД-сплава 106
Выводы к главе 4 117
5 Применение контролируемой изотермической осадки при пластической деформации
сплавов системы Cu-Al-Ni с эффектом памяти формы 118
5.1 Особенности контролируемой изотермической осадки при различных
температурах 119
5.2 Влияние скорости контролируемой изотермической осадки при различных
температурах на микроструктуру и механические свойства 125
5.3 Особенности контролируемой высокотемпературной осадки 131
Выводы к главе 5 134
Заключение 136
Список опубликованных работ автора 138
Список используемой литературы 140
1 Литературный обзор. Фазовые превращения, структура и физико-механические
свойства сплавов с эффектом памяти формы 9
1.1 Мартенситные превращения 9
1.2 Термоупругие мартенситные превращения 13
1.3 Предмартенситные явления 17
1.4 Эффект памяти формы и механические свойства сплавов 21
1.5 Сплавы с эффектом памяти формы на основе меди 26
1.6 Влияние легирования на температуры ТМП в медных сплавах 30
1.7 Деформационное поведение сплавов с эффектом памяти формы на основе меди 32
1.8 Постановка задачи 37
2 Материалы и методы исследований 38
2.1 Исследуемые материалы 38
2.1.1 Получение литых сплавов 38
2.1.2 Получение материалов методом большой пластической деформации кручением под
высоким давлением (КВД) 38
2.2 Методики экспериментального исследования 40
2.2.1 Рентгенодифрактометрический анализ 41
2.2.2 Оптическая микроскопия 41
2.2.3 Электронно-микроскопические исследования 41
2.2.4 Резистометрия 47
2.2.5 Измерение магнитной восприимчивости 47
2.2.6 Методики механических испытаний 48
2.2.7 Дюрометрия 53
3 Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на механические свойства и структурно-фазовые превращения сплавов системы Си-А1-№ с эффектом
памяти формы 55
3.1 Химический, фазовый и микроструктурный анализ сплавов системы Си-А1-№ 55
3.2. Механические свойства сплавов системы Си-А1-№ 73
3.3 Влияние двойной закалки и легирования бором на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства сплавов Си-А1-№ 78
Выводы к главе 3 84
4 Влияние мегапластической деформации кручением под высоким давлением на структурнофазовые превращения и механические свойства сплавов Cu-Al-Ni 86
4.1. Структура, фазовый состав и механические свойства сплавов Cu-Al-Ni
после КВД при комнатной температуре 86
4.2 Влияние КВД и термообработки на структуру и механические свойства
сплавов Cu-Al-Ni 91
4.3 Влияние температуры механических испытаний на структуру и свойства
КВД-сплава 106
Выводы к главе 4 117
5 Применение контролируемой изотермической осадки при пластической деформации
сплавов системы Cu-Al-Ni с эффектом памяти формы 118
5.1 Особенности контролируемой изотермической осадки при различных
температурах 119
5.2 Влияние скорости контролируемой изотермической осадки при различных
температурах на микроструктуру и механические свойства 125
5.3 Особенности контролируемой высокотемпературной осадки 131
Выводы к главе 5 134
Заключение 136
Список опубликованных работ автора 138
Список используемой литературы 140
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. В условиях развития экономики, науки, техники и технологий важным и все более востребованным становится создание новых материалов разнообразного назначения. К данным материалам в полной мере относятся поликристаллические сплавы с термоупругими мартенситными превращениями и обусловленными ими уникальными эффектами памяти формы. Использование температуры, механических нагрузок и магнитных полей для обеспечения термоупругого мартенситного превращения в различных сплавах позволяет реализовать целый ряд исключительно важных физических явлений, таких как одно-или многократно обратимая память формы, гигантские сверхупругость, магнитокалорический и демпфирующий эффекты, которые выделяют так называемые интеллектуальные или вшагЕматериалы в особый отдельный класс практически важных конструкционных и многофункциональных материалов. При современном развитии техники необходимы такие вшай-материалы, которые могут быть использованы в разных температурных, силовых и иных практически важных условиях, а с другой стороны, существенным их недостатком, за исключением бинарных сплавов никелида титана, является низкая пластичность и хрупкость в поликристаллическом состоянии, исключающая реализацию уникальных присущих монокристаллам эффектов в циклическом многократном и даже однократном применении. Поэтому все более важными, но практически не решенными остаются задачи оптимального легирования и разработки способов и технологий пластификации различных поликристаллических материалов с эффектами памяти формы с целью их разнообразного индустриального применения.
Целью диссертационной работы является установление закономерностей структурнофазовых превращений и формирования физико-механических свойств в поликристаллических эвтектоидных сплавах с эффектом памяти формы системы Си-Л1-№ с варьируемым химическим составом (Л1 в пределах 7.5 - 14.0 масс.%, N1 в пределах 3.0 - 4.5 масс.%, В до 0.2 масс.%), подвергнутых высокотемпературной термомеханической обработке, мегапластической деформации, используя кручение под высоким давлением или одноосное сжатие в широком интервале температур для измельчения зеренной структуры и повышения механических свойств сплавов.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Установить закономерности структурно-фазовых превращений и формирования физикомеханических свойств трехкомпонентных эвтектоидных сплавов системы Си-Л1-№ разного состава в зависимости от легирования алюминием (7.5 - 14.0 масс.%), никелем (3.0 - 4.5 масс.%) и бором (0.02, 0.05, 0.1, 0.2 масс.%).
2. Выявить влияние высокотемпературной механической обработки и повторного высокотемпературного отжига с закалкой на структуру, фазовые превращения и свойства сплавов Си-14Л1-33 и Си-14Л1-43.
3. Определить влияние деформации кручением под высоким давлением на структуру, фазовые превращения и свойства сплавов Си-14Л1-33 и Си-13.5Л1-3.53.
4. Выяснить влияние температуры и скорости одноосного сжатия (осадки) на структуру, фазовые превращения и свойства сплавов Си-'14Л1-4№.
В качестве объектов исследования выбраны эвтектоидные сплавы на основе системы Си- Л1-№ (с изменяемой концентрацией Л1 и N1, а также допированные бором).
Предметом исследования являются фазовые и структурные превращения, микроструктура, физические и механические свойства сплавов.
Научную новизну диссертационной работы определяют следующие научные результаты, полученные лично соискателем:
1. Установлено, что основными причинами подавления термоупругих мартенситных превращений и эффекта памяти формы в эвтектоидных сплавах системы Си-Л1-№ и развития в них катастрофической зернограничной хрупкости являются эвтектоидный распад, крупнозернистость аустенита и его высокая упругая анизотропия. Определены основные морфологические признаки пакетно-пирамидального мартенсита и зафиксировано снижение в диапазоне (900 - 250) К температур термоупругих мартенситных превращений в закаленных сплавах при повышении содержания А1 от 9.0 до 14.0 масс. %.
2. Впервые показано, что в исходно крупнозернистых (размер зерна ~ 1 мм) сплавах может быть получена мелкозернистая структура (размер зерна ~ 0.15-0.2 мм) как за счет легирования (7.5-9.5) масс. % А1 или (0.1-0.2) масс.% В, так и использования повторного рекристаллизационного отжига с закалкой или контролируемого изотермического сжатия при температурах выше границы эвтектоидного распада. При этом уменьшение размеров субструктурных элементов мартенсита обеспечивает более однородное распределение в объеме зерен нормальных и сдвиговых напряжений.
3. Обнаружено, что в сплавах Си-Л1-№ к радикальному измельчению структуры до ультрамелкозернистого состояния (с размером зерна~1-5 мкм) приводит деформация как кручением под высоким давлением с последующим кратковременным отжигом, так и посредством изотермической осадки при температурах вблизи или ниже границы эвтектоидного распада, обеспечивающая при этом их высокую твердость и прочность.
4. Получен эффект пластификации сплавов в мелко- и ультрамелкозернистом состоянии после изотермического одноосного сжатия в аустенитном состоянии, а также в мартенситном состоянии в процессе механических испытаний на одноосное растяжение.
5. Выявлена корреляция пластичности и механизмов разрушения сплавов системы Си-А1-№: в пластичных сплавах реализуется преимущественно вязкий мелкоямочный внутризеренный механизм разрушения в отличие от зернограничного механизма разрушения хрупких крупнозернистых сплавов-прототипов...
Целью диссертационной работы является установление закономерностей структурнофазовых превращений и формирования физико-механических свойств в поликристаллических эвтектоидных сплавах с эффектом памяти формы системы Си-Л1-№ с варьируемым химическим составом (Л1 в пределах 7.5 - 14.0 масс.%, N1 в пределах 3.0 - 4.5 масс.%, В до 0.2 масс.%), подвергнутых высокотемпературной термомеханической обработке, мегапластической деформации, используя кручение под высоким давлением или одноосное сжатие в широком интервале температур для измельчения зеренной структуры и повышения механических свойств сплавов.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Установить закономерности структурно-фазовых превращений и формирования физикомеханических свойств трехкомпонентных эвтектоидных сплавов системы Си-Л1-№ разного состава в зависимости от легирования алюминием (7.5 - 14.0 масс.%), никелем (3.0 - 4.5 масс.%) и бором (0.02, 0.05, 0.1, 0.2 масс.%).
2. Выявить влияние высокотемпературной механической обработки и повторного высокотемпературного отжига с закалкой на структуру, фазовые превращения и свойства сплавов Си-14Л1-33 и Си-14Л1-43.
3. Определить влияние деформации кручением под высоким давлением на структуру, фазовые превращения и свойства сплавов Си-14Л1-33 и Си-13.5Л1-3.53.
4. Выяснить влияние температуры и скорости одноосного сжатия (осадки) на структуру, фазовые превращения и свойства сплавов Си-'14Л1-4№.
В качестве объектов исследования выбраны эвтектоидные сплавы на основе системы Си- Л1-№ (с изменяемой концентрацией Л1 и N1, а также допированные бором).
Предметом исследования являются фазовые и структурные превращения, микроструктура, физические и механические свойства сплавов.
Научную новизну диссертационной работы определяют следующие научные результаты, полученные лично соискателем:
1. Установлено, что основными причинами подавления термоупругих мартенситных превращений и эффекта памяти формы в эвтектоидных сплавах системы Си-Л1-№ и развития в них катастрофической зернограничной хрупкости являются эвтектоидный распад, крупнозернистость аустенита и его высокая упругая анизотропия. Определены основные морфологические признаки пакетно-пирамидального мартенсита и зафиксировано снижение в диапазоне (900 - 250) К температур термоупругих мартенситных превращений в закаленных сплавах при повышении содержания А1 от 9.0 до 14.0 масс. %.
2. Впервые показано, что в исходно крупнозернистых (размер зерна ~ 1 мм) сплавах может быть получена мелкозернистая структура (размер зерна ~ 0.15-0.2 мм) как за счет легирования (7.5-9.5) масс. % А1 или (0.1-0.2) масс.% В, так и использования повторного рекристаллизационного отжига с закалкой или контролируемого изотермического сжатия при температурах выше границы эвтектоидного распада. При этом уменьшение размеров субструктурных элементов мартенсита обеспечивает более однородное распределение в объеме зерен нормальных и сдвиговых напряжений.
3. Обнаружено, что в сплавах Си-Л1-№ к радикальному измельчению структуры до ультрамелкозернистого состояния (с размером зерна~1-5 мкм) приводит деформация как кручением под высоким давлением с последующим кратковременным отжигом, так и посредством изотермической осадки при температурах вблизи или ниже границы эвтектоидного распада, обеспечивающая при этом их высокую твердость и прочность.
4. Получен эффект пластификации сплавов в мелко- и ультрамелкозернистом состоянии после изотермического одноосного сжатия в аустенитном состоянии, а также в мартенситном состоянии в процессе механических испытаний на одноосное растяжение.
5. Выявлена корреляция пластичности и механизмов разрушения сплавов системы Си-А1-№: в пластичных сплавах реализуется преимущественно вязкий мелкоямочный внутризеренный механизм разрушения в отличие от зернограничного механизма разрушения хрупких крупнозернистых сплавов-прототипов...
Таким образом, в результате выполнения настоящей диссертационной работы была достигнута цель и решены все поставленные задачи. При проведении комплексных исследований структурно-фазовых превращений и формирования физико-механических свойств эвтектоидных сплавов системы Си-А1-№ с варьируемым химическим составом по А1 (7.5 - 14 масс.%), N1 (3 и 4.5 масс.%), и В (в пределах 0.02-0.2 масс.%) получены следующие основные новые научные результаты, сформулированы выводы и практические рекомендации:
1. Установлено, что основными причинами подавления термоупругих мартенситных превращений и эффектов памяти формы в эвтектоидных сплавах системы Си-А1-№ и развития в них катастрофической зернограничной хрупкости являются крупно- и разнозернистость Р1 - аустенита, его высокая упругая анизотропия и эвтектоидный распад с образованием фаз а, Р? и у? как в исходном литом состоянии, так и после горячей деформации ковкой. Показано, что высокотемпературная термомеханическая обработка с закалкой в воде обеспечивает формирование однофазного состояния Р1 - аустенита, упорядоченного по типу Э0з, способного испытывать ступенчатые термоупругие мартенситные превращения с узким температурным гистерезисом (50:70 К) в последовательности Р1^Р'1^у'1 (с преобладанием пакетнопирамидальной морфологии попарнодвойникованного мартенсита) температуры которых понижаются в интервале (900-250 К) при увеличении содержания А1 от 7.5 до 14 масс.%.
2. Выявлено, что эффективное измельчение зеренной структуры (среднего размера зерна от 1 мм до 0.15-0.2 мм) и возрастание вдвое-втрое относительного удлинения (до 14%) сплавов может быть достигнуто путем легирования 7.5:9.5 масс.% А1, 0.1-0.2 масс.% В, или повторного рекристаллизационного отжига с последующей закалкой в воде, или контролируемого изотермического сжатия при температурах выше эвтектоидной. В мелкозернистых сплавах уменьшаются геометрические размеры пакетов и образующих их пластинчатых двойникованных кристаллов мартенсита, более однородным по объему становится распределение нормальных и сдвиговых напряжений, обусловленных термоупругим мартенситным превращением, снижается количество и размеры избыточных проэвтектоидных фаз, особенно на границах «бывших» аустенитных зерен. Разрушение более прочных мелкозернистых сплавов при одноосном растяжении происходит после значительной псевдоупругой (за счет фазовой мартенситной текучести) и пластической деформации по внутризеренному вязкому механизму. При этом достигнуты свойства: 00.2 = 260:380 МПа, Ов = 600:880 МПа, 6 = 9:14%.
3. Обнаружено, что мегапластическая деформация кручением под высоким давлением 6 ГПа (с числом оборотов от 1 до 10) приводит к созданию деформационно-индуцированной ультрамелкозернистой структуры мартенсита, ответственной за высокие прочностные свойства сплавов Си-14А1-3№ и Cu-13.5Al-3.5Ni при одноосном растяжении. Последующий отжиг (в течение 30 мин) при температурах в интервале (573-873) К обеспечил сохранение ультрамелкозернистой структуры и упрочнения сплавов за счет первичной рекристаллизации мартенсита в сочетании с проэвтектоидным уз- распадом. Наибольшие прочностные (ов до 1400 МПа) и улучшенные пластические (6=12-13%) свойства были получены в ультрамелкозернистых сплавах при использовании после кручения под высоким давлением на 10 оборотов кратковременного отжига при 1073 К, 10 сек, или за счет повышения температуры кручения до 423 К. К значительному росту степени пластической деформации, как равномерной, так и, особенно, сосредоточенной в шейке образцов (6-23-27%), привело повышение температуры механических испытаний от 423 К до 673 К вследствие эффекта динамической рекристаллизации.
4. Установлено, что холодная деформация сжатием закаленного сплава Си-14А1-4'1. не изменив размеры зерен, также обеспечивает образование мелкодисперсной структуры пакетного мартенсита. Это определило повышенные значения прочностных и одновременно пластических свойств в условиях сжатия за счет эффективного перераспределения и адаптации по объему мартенситной структуры сплава упругих нормальных и сдвиговых напряжений.
5. Обнаружено радикальное измельчение (в пределах до 1-5 мкм) внутризеренной субструктуры и образование мелкозернистого (до 0.3 мм) состояния в исходно закаленном сплаве Си-14А1-4'1 в процессе изотермического сжатия в интервале температур 673-873 К вследствие динамической рекристаллизации. При этом ниже температуры эвтектоидного распада в сплаве выделяются ультрадисперсные частицы фаз у2, а и В2'-№А1Си, наследуемые образующимися мартенситными 0' и у' фазами. Формирование мелкозернистой структуры (с размером зерен 0.10.2 мм) в сплаве было обеспечено динамической рекристаллизацией В0э-аустенита, а при деформации сжатием в диапазоне температур 973 - 1073 К с последующим при охлаждении - частичным проэвтектоидным распадом, также наследуемым 0' и у' - мартенситом...
1. Установлено, что основными причинами подавления термоупругих мартенситных превращений и эффектов памяти формы в эвтектоидных сплавах системы Си-А1-№ и развития в них катастрофической зернограничной хрупкости являются крупно- и разнозернистость Р1 - аустенита, его высокая упругая анизотропия и эвтектоидный распад с образованием фаз а, Р? и у? как в исходном литом состоянии, так и после горячей деформации ковкой. Показано, что высокотемпературная термомеханическая обработка с закалкой в воде обеспечивает формирование однофазного состояния Р1 - аустенита, упорядоченного по типу Э0з, способного испытывать ступенчатые термоупругие мартенситные превращения с узким температурным гистерезисом (50:70 К) в последовательности Р1^Р'1^у'1 (с преобладанием пакетнопирамидальной морфологии попарнодвойникованного мартенсита) температуры которых понижаются в интервале (900-250 К) при увеличении содержания А1 от 7.5 до 14 масс.%.
2. Выявлено, что эффективное измельчение зеренной структуры (среднего размера зерна от 1 мм до 0.15-0.2 мм) и возрастание вдвое-втрое относительного удлинения (до 14%) сплавов может быть достигнуто путем легирования 7.5:9.5 масс.% А1, 0.1-0.2 масс.% В, или повторного рекристаллизационного отжига с последующей закалкой в воде, или контролируемого изотермического сжатия при температурах выше эвтектоидной. В мелкозернистых сплавах уменьшаются геометрические размеры пакетов и образующих их пластинчатых двойникованных кристаллов мартенсита, более однородным по объему становится распределение нормальных и сдвиговых напряжений, обусловленных термоупругим мартенситным превращением, снижается количество и размеры избыточных проэвтектоидных фаз, особенно на границах «бывших» аустенитных зерен. Разрушение более прочных мелкозернистых сплавов при одноосном растяжении происходит после значительной псевдоупругой (за счет фазовой мартенситной текучести) и пластической деформации по внутризеренному вязкому механизму. При этом достигнуты свойства: 00.2 = 260:380 МПа, Ов = 600:880 МПа, 6 = 9:14%.
3. Обнаружено, что мегапластическая деформация кручением под высоким давлением 6 ГПа (с числом оборотов от 1 до 10) приводит к созданию деформационно-индуцированной ультрамелкозернистой структуры мартенсита, ответственной за высокие прочностные свойства сплавов Си-14А1-3№ и Cu-13.5Al-3.5Ni при одноосном растяжении. Последующий отжиг (в течение 30 мин) при температурах в интервале (573-873) К обеспечил сохранение ультрамелкозернистой структуры и упрочнения сплавов за счет первичной рекристаллизации мартенсита в сочетании с проэвтектоидным уз- распадом. Наибольшие прочностные (ов до 1400 МПа) и улучшенные пластические (6=12-13%) свойства были получены в ультрамелкозернистых сплавах при использовании после кручения под высоким давлением на 10 оборотов кратковременного отжига при 1073 К, 10 сек, или за счет повышения температуры кручения до 423 К. К значительному росту степени пластической деформации, как равномерной, так и, особенно, сосредоточенной в шейке образцов (6-23-27%), привело повышение температуры механических испытаний от 423 К до 673 К вследствие эффекта динамической рекристаллизации.
4. Установлено, что холодная деформация сжатием закаленного сплава Си-14А1-4'1. не изменив размеры зерен, также обеспечивает образование мелкодисперсной структуры пакетного мартенсита. Это определило повышенные значения прочностных и одновременно пластических свойств в условиях сжатия за счет эффективного перераспределения и адаптации по объему мартенситной структуры сплава упругих нормальных и сдвиговых напряжений.
5. Обнаружено радикальное измельчение (в пределах до 1-5 мкм) внутризеренной субструктуры и образование мелкозернистого (до 0.3 мм) состояния в исходно закаленном сплаве Си-14А1-4'1 в процессе изотермического сжатия в интервале температур 673-873 К вследствие динамической рекристаллизации. При этом ниже температуры эвтектоидного распада в сплаве выделяются ультрадисперсные частицы фаз у2, а и В2'-№А1Си, наследуемые образующимися мартенситными 0' и у' фазами. Формирование мелкозернистой структуры (с размером зерен 0.10.2 мм) в сплаве было обеспечено динамической рекристаллизацией В0э-аустенита, а при деформации сжатием в диапазоне температур 973 - 1073 К с последующим при охлаждении - частичным проэвтектоидным распадом, также наследуемым 0' и у' - мартенситом...
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СВОЙСТВА ЭВТЕКТОИДНЫХ Р-СПЛАВОВ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
