Помощь студентам в учебе
Влияние размера зерна на функционально-механические свойства сплава TiNi с памятью формы
|
Введение
Глава 1. Обзор литературы.
1.1 Мартенситные превращения в сплавах на основе TiNi ............................ 7
1.2 Функциональные свойства сплавов на основе TiNi ................................ 11
1.2.1 Механизмы деформирования сплавов с памятью формы ............... 11
1.2.2 Эффекты памяти формы.
1.3 Влияние размера зерна на мартенситные превращения и
функциональные свойства сплавов на основе TiNi
1.3.1 Способы формирования нанокристаллической структуры в сплавах
с памятью формы
1.3.2 Влияние размера зерна на мартенситные превращения и эффекты
памяти формы в сплавах на основе TiNi
Глава 2. Цели и методики исследования
2.1 Цели исследования
2.2 Объекты и методики исследования.
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований................................... 25
3.1 Структура сплава TiNi после сдвига под давлением и последующей
термообработки
3.2 Мартенситные превращения в сплаве TiNi, подвергнутом сдвигу под
давлением и термообработке
3.3 Влияние размера зерна на функционально-механические свойства
сплава TiNi, аморфизованного сдвигом под давлением
3.3.1 Функциональные свойства наноструктурированного сплава TiNi
после деформирования при температуре -196 оС ...................................... 31
3.3.2 Функциональные свойства наноструктурированного сплава TiNi
после деформирования при температуре 25 оС ......................................... 35
3.3.3 Влияние температуры деформирования на эффекты памяти формы
и обратимой памяти формы в наноструктурированном сплаве TiNi ...... 374
3.3.4 Влияние размера зерна на эффекты памяти формы и обратимой
памяти формы в наноструктурированном сплаве TiNi............................. 40
Заключение
Список использованной литературы
Глава 1. Обзор литературы.
1.1 Мартенситные превращения в сплавах на основе TiNi ............................ 7
1.2 Функциональные свойства сплавов на основе TiNi ................................ 11
1.2.1 Механизмы деформирования сплавов с памятью формы ............... 11
1.2.2 Эффекты памяти формы.
1.3 Влияние размера зерна на мартенситные превращения и
функциональные свойства сплавов на основе TiNi
1.3.1 Способы формирования нанокристаллической структуры в сплавах
с памятью формы
1.3.2 Влияние размера зерна на мартенситные превращения и эффекты
памяти формы в сплавах на основе TiNi
Глава 2. Цели и методики исследования
2.1 Цели исследования
2.2 Объекты и методики исследования.
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований................................... 25
3.1 Структура сплава TiNi после сдвига под давлением и последующей
термообработки
3.2 Мартенситные превращения в сплаве TiNi, подвергнутом сдвигу под
давлением и термообработке
3.3 Влияние размера зерна на функционально-механические свойства
сплава TiNi, аморфизованного сдвигом под давлением
3.3.1 Функциональные свойства наноструктурированного сплава TiNi
после деформирования при температуре -196 оС ...................................... 31
3.3.2 Функциональные свойства наноструктурированного сплава TiNi
после деформирования при температуре 25 оС ......................................... 35
3.3.3 Влияние температуры деформирования на эффекты памяти формы
и обратимой памяти формы в наноструктурированном сплаве TiNi ...... 374
3.3.4 Влияние размера зерна на эффекты памяти формы и обратимой
памяти формы в наноструктурированном сплаве TiNi............................. 40
Заключение
Список использованной литературы
Сплавы с эффектом памяти формы широко известны благодаря своим уникальным способностям восстанавливать значительные неупругие деформации при разгрузке или нагревании, обратимо многократно менять деформацию при охлаждении и нагревании, генерировать высокие реактивные напряжения [1-4]. Основой таких необычных функциональных свойств являются термоупругие мартенситные превращения, которые реализуются в сплавах с памятью формы при изменении температуры или напряжения [1-4]. Направленно изменяя параметры фазовых переходов, можно управлять функциональными свойствами сплавов с памятью формы [1-5].
К настоящему времени хорошо изучены способы управления параметрами мартенситных переходов за счет изменения химического состава сплава и его термомеханической обработки [1-5]. Однако в последнее десятилетие было показано, что в качестве дополнительного параметра, оказывающего влияние на характеристики мартенситных переходов и функциональные свойства, может выступать размер зерен, в том случае, если
он оказывается в нанометровом диапазоне [7-15].
Для формирования нанокристаллической структуры в сплавах с памятью формы, в частности в сплаве TiNi, используют, в основном, сочетание аморфизации за счет интенсивной пластической деформации с последующей изотермической выдержкой при температурах близких или превышающих температуру кристаллизации [7-15,18-20]. При такой термообработке в сплаве образуются преимущественно равноосные зерна, размер которых зависит от температуры и длительности выдержки. Вместе с тем, возможно создание бимодальной структуры, которая будет сохранять различия в зернах, сформировавшихся при кристаллизации из аморфной фазы или из кристаллических осколков, сохранившихся в сплаве в процессе аморфизации. Известно, что температуры мартенситных переходов зависят от размера зерна, поэтому в бимодальной структуре зерна различного6 размера будут испытывать различные мартенситные превращения при различных температурах. Следовательно, механические и функциональные свойства нанокристаллических сплавов на основе TiNi, содержащих зерна различного размера, будут отличаться от таких же свойств, проявляемых нанокристаллическими сплавами с однородным распределением зерен.
Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению мартенситных превращений и функциональных свойств в нанокристаллическом сплаве TiNi, такие исследования не были проведены в сплавах с бимодальной структурой. В связи со сказанным, целью данной работы явилось изучение структуры, мартенситных превращений и функциональных свойств нанокристаллического сплава TiNi с бимодальным распределением кристаллических зерен по размерам.
К настоящему времени хорошо изучены способы управления параметрами мартенситных переходов за счет изменения химического состава сплава и его термомеханической обработки [1-5]. Однако в последнее десятилетие было показано, что в качестве дополнительного параметра, оказывающего влияние на характеристики мартенситных переходов и функциональные свойства, может выступать размер зерен, в том случае, если
он оказывается в нанометровом диапазоне [7-15].
Для формирования нанокристаллической структуры в сплавах с памятью формы, в частности в сплаве TiNi, используют, в основном, сочетание аморфизации за счет интенсивной пластической деформации с последующей изотермической выдержкой при температурах близких или превышающих температуру кристаллизации [7-15,18-20]. При такой термообработке в сплаве образуются преимущественно равноосные зерна, размер которых зависит от температуры и длительности выдержки. Вместе с тем, возможно создание бимодальной структуры, которая будет сохранять различия в зернах, сформировавшихся при кристаллизации из аморфной фазы или из кристаллических осколков, сохранившихся в сплаве в процессе аморфизации. Известно, что температуры мартенситных переходов зависят от размера зерна, поэтому в бимодальной структуре зерна различного6 размера будут испытывать различные мартенситные превращения при различных температурах. Следовательно, механические и функциональные свойства нанокристаллических сплавов на основе TiNi, содержащих зерна различного размера, будут отличаться от таких же свойств, проявляемых нанокристаллическими сплавами с однородным распределением зерен.
Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению мартенситных превращений и функциональных свойств в нанокристаллическом сплаве TiNi, такие исследования не были проведены в сплавах с бимодальной структурой. В связи со сказанным, целью данной работы явилось изучение структуры, мартенситных превращений и функциональных свойств нанокристаллического сплава TiNi с бимодальным распределением кристаллических зерен по размерам.
По результатам работы можно сделать следующие выводы:
1. Кристаллические зерна, сформировавшиеся при нагревании аморфного сплава TiNi из аморфной фаз или из кристаллических осколков, претерпевают различные термоупругие мартенситные превращения при
охлаждении и нагревании. Зерна, появившиеся из аморфной фазы, испытывают B2R или B2RB19' переходы в зависимости от размера зерна, а зерна, возникшие из кристаллических осколков – B2B19' переход.
2. Сплав TiNi со средним размером зерна менее 80 нм деформируется за счет переориентации мартенситных кристаллов R фазы при низких температурах деформирования, когда развитие пластической деформации в кристаллической фазе подавлено. В этом случае вся остаточная деформация восстанавливается при последующем нагреве, а эффект обратимой памяти формы не проявляется. Увеличение температуры деформирования приводит к тому, что наряду с переориентацией кристаллов R фазы, происходит пластическое деформирования образцов. В этом случае, восстановление деформации при нагревании является неполным и часть деформации не восстанавливается. Это способствует возникновению в сплаве ориентированных внутренних напряжений, которые стимулируют эффект обратимой памяти формы при последующем термоциклировании образцов.
3. Сплав TiNi со средним размером зерна более 80 нм при любых температурах испытания неупруго деформируется на начальном этапе за счет обратимых механизмов деформации (переориентации R мартенсита и наведении R B19’ перехода) до тех пор, пока остаточная деформация не превысит некоторое пороговое значения. Дальнейшее деформирование образца осуществляется как за счет обратимых механизмов, так и за счет дислокационного скольжения. Если остаточная деформация не превышает порогового значения, то восстановление деформации при последующем нагреве является совершенным, а эффект обратимой памяти формы не наблюдается. Если остаточная деформация превышает пороговое значение, то восстановление деформации при нагревании оказывается неполным, и при последующих термоциклах в образцах проявляется эффект обратимой памяти формы.
4. С увеличением температуры деформирования возрастает вклад деформации, обусловленной дислокационным скольжением, в полную неупругую деформацию материала, что приводит к уменьшению коэффициента восстановления деформации при первом нагреве и стимулирует проявление эффекта обратимой памяти формы.
5. Максимальные значения эффекта памяти формы и обратимой памяти
формы достигаются в том случае, если средний размер зерен составляет 80 и 130 нм. Поэтому можно полагать, что такая структура является оптимальной и способствует проявлению наилучших функциональных свойств за счет оптимального сочетания доли малых и крупных зерен, плотности межзеренных границ
1. Кристаллические зерна, сформировавшиеся при нагревании аморфного сплава TiNi из аморфной фаз или из кристаллических осколков, претерпевают различные термоупругие мартенситные превращения при
охлаждении и нагревании. Зерна, появившиеся из аморфной фазы, испытывают B2R или B2RB19' переходы в зависимости от размера зерна, а зерна, возникшие из кристаллических осколков – B2B19' переход.
2. Сплав TiNi со средним размером зерна менее 80 нм деформируется за счет переориентации мартенситных кристаллов R фазы при низких температурах деформирования, когда развитие пластической деформации в кристаллической фазе подавлено. В этом случае вся остаточная деформация восстанавливается при последующем нагреве, а эффект обратимой памяти формы не проявляется. Увеличение температуры деформирования приводит к тому, что наряду с переориентацией кристаллов R фазы, происходит пластическое деформирования образцов. В этом случае, восстановление деформации при нагревании является неполным и часть деформации не восстанавливается. Это способствует возникновению в сплаве ориентированных внутренних напряжений, которые стимулируют эффект обратимой памяти формы при последующем термоциклировании образцов.
3. Сплав TiNi со средним размером зерна более 80 нм при любых температурах испытания неупруго деформируется на начальном этапе за счет обратимых механизмов деформации (переориентации R мартенсита и наведении R B19’ перехода) до тех пор, пока остаточная деформация не превысит некоторое пороговое значения. Дальнейшее деформирование образца осуществляется как за счет обратимых механизмов, так и за счет дислокационного скольжения. Если остаточная деформация не превышает порогового значения, то восстановление деформации при последующем нагреве является совершенным, а эффект обратимой памяти формы не наблюдается. Если остаточная деформация превышает пороговое значение, то восстановление деформации при нагревании оказывается неполным, и при последующих термоциклах в образцах проявляется эффект обратимой памяти формы.
4. С увеличением температуры деформирования возрастает вклад деформации, обусловленной дислокационным скольжением, в полную неупругую деформацию материала, что приводит к уменьшению коэффициента восстановления деформации при первом нагреве и стимулирует проявление эффекта обратимой памяти формы.
5. Максимальные значения эффекта памяти формы и обратимой памяти
формы достигаются в том случае, если средний размер зерен составляет 80 и 130 нм. Поэтому можно полагать, что такая структура является оптимальной и способствует проявлению наилучших функциональных свойств за счет оптимального сочетания доли малых и крупных зерен, плотности межзеренных границ