ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА МОРФОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТИ И ТВЁРДОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО слоя СПЛАВА TiNi
|
РЕФЕРАТ 3
Введение 4
1 Структура и свойства сплавов на основе TiNi 7
1.1 Диаграмма состояния системы Ti-Ni 7
1.2 Механизмы мартенситных превращений и кристаллические структуры мартенситных
фаз в никелиде титана 8
1.3 Классификация неупругих эффектов в сплавах на основе TiNi 10
2 Модификация поверхности электронным пучком и методы исследования механических
свойств модифицированных поверхностных слоёв 14
2.1 Влияние электронно-пучковой обработки на структуру, морфологию поверхности,
механические свойства металлических материалов 14
2.2 Исследование механических свойств методом инструментального индентирования •• 18
3 Материалы, методы поверхностных обработок и исследований образцов 22
3.1 Материалы для исследования, методика приготовления образцов и режимы
электронно-пучковой обработки поверхности 22
3.2 Методы оптической металлографии и оптической интерференционной
профилометрии 23
3.3 Метод инструментального индентирования 26
4 Результаты экспериментальных исследований 30
4.1 Морфология поверхности образцов TiNi сплава до и после облучения 30
4.2 Анализ топографических параметров в зависимости от режима электронно -пучковой
обработки образцов TiNi сплава 34
4.3 Изменение прочностных и упруго -пластических свойств поверхностных слоёв в
зависимости от режимов облучения 38
4.4 Влияние электронно-пучковой обработки на неупругие свойства TiNi сплава 43
Выводы 46
Список литературы 47
Введение 4
1 Структура и свойства сплавов на основе TiNi 7
1.1 Диаграмма состояния системы Ti-Ni 7
1.2 Механизмы мартенситных превращений и кристаллические структуры мартенситных
фаз в никелиде титана 8
1.3 Классификация неупругих эффектов в сплавах на основе TiNi 10
2 Модификация поверхности электронным пучком и методы исследования механических
свойств модифицированных поверхностных слоёв 14
2.1 Влияние электронно-пучковой обработки на структуру, морфологию поверхности,
механические свойства металлических материалов 14
2.2 Исследование механических свойств методом инструментального индентирования •• 18
3 Материалы, методы поверхностных обработок и исследований образцов 22
3.1 Материалы для исследования, методика приготовления образцов и режимы
электронно-пучковой обработки поверхности 22
3.2 Методы оптической металлографии и оптической интерференционной
профилометрии 23
3.3 Метод инструментального индентирования 26
4 Результаты экспериментальных исследований 30
4.1 Морфология поверхности образцов TiNi сплава до и после облучения 30
4.2 Анализ топографических параметров в зависимости от режима электронно -пучковой
обработки образцов TiNi сплава 34
4.3 Изменение прочностных и упруго -пластических свойств поверхностных слоёв в
зависимости от режимов облучения 38
4.4 Влияние электронно-пучковой обработки на неупругие свойства TiNi сплава 43
Выводы 46
Список литературы 47
Актуальность темы исследования. Развитию науки и техники способствует создание новых материалов, открытие неизвестных ранее свойств, физических явлений и их закономерностей [1]. По мере углубления изучения металлов и их соединений, открыты интерметаллические соединения, обладающие несвойственной большинству металлов пластичностью [2].
До недавнего времени, пластическая деформация считалась необратимой, так как ее рассматривали как следствие движения точечных дефектов и дислокаций в кристаллической решетке. Однако, у некоторых соединений обнаружены новые свойства, отличные от хорошо известных упругих и пластических. Эти свойства были названы неупругими и легли в основу эффекта памяти формы и сверхэластичности (ЭПФ-СЭ) [1 - 3]. В данном случае деформация осуществляется за счет механизмов термоупругих мартенситных превращений [4].
Истоки открытия неупругих свойств металлических материалов восходят к 1932 году, когда шведский исследователь Арне Оландер впервые наблюдал эти свойства в золото - кадмиевых сплавах [5]. Теоретические представления, описывающие эффект памяти формы, были сформулированы советскими учёными - Г.В. Курдюмовым и Л.Г. Хандросом, которые в 1948 году наблюдали явление термоупругого мартенситного превращения в сплавах на основе Cu-Al-Ni и Cu-Sn [3, 6, 7]. Первые экспериментальные подтверждения ЭПФ получены Л. Чангом и Т. Ридом в 1951 г. в сплаве системы Au-Cd [3].
В 1962 году в военно-морской лаборатории американскими учеными Уильямом Бюлером и Фредериком Вангом экспериментально получен уникальный сплав на основе титана и никеля. Как будет установлено позже, TiNi сплав обладает ярко выраженными ЭПФ- СЭ. Открытый ими сплав получил название - нитинол, образованное из составляющих элементов сплава: никеля (Ni) и титана (Ti); и названия лаборатории (NOL - Naval ordnance laboratory), в которой был разработан сплав [1, 5]. Благодаря тому, что пластически
деформированный TiNi сплав при нагреве мог возвращать большое количество неупругой деформации (порядка ~ 6 - 8 %), сегодня сплавы на основе TiNi нашли широкое практическое применение в областях науки, техники и медицины.
Известно, что титан и его сплавы являются наиболее биосовместимыми с тканями человека, они прочны и обладают устойчивостью к коррозии. В связи с этим, на сегодняшний день, наибольшее практическое применение TiNi-сплавы получили в области медицины. Актуальной проблемой, ограничивающей применение никелида титана в медицине, является высокое содержание токсичных атомов никеля (~ 50 ат. %) и возможность попадания его в организм в результате коррозии. Другой весьма серьезный недостаток - деградация ЭПФ-СЭ в процессе циклов «накопление-возврат» деформации [1, 8]. Одним из факторов, который может повлиять на усталостную долговечность, является наличие частиц вторых или примесных фаз, которые образуются в материале при его производстве и последующей термомеханической обработке [9]. В связи с вышесказанным возникают задачи увеличения коррозионной стойкости и усталостной долговечности изделий из никелида титана, которые можно частично решить путём удаления частиц вторых и примесных фаз в поверхностных слоях материала.
Для решения этих задач используют различные методы, одними из которых являются методы модификации поверхности путем обработки и нанесения покрытий. Известно, что TiNi-сплавы весьма чувствительны к изменению химического состава и температуры. Поэтому, при обработке материала важно подобрать такие параметры энергетического воздействия, чтобы модификация свойств происходила в тонком поверхностном слое, не влияя при этом на механические и функциональные свойства в объеме материала [8].
Одним из способов решения данной проблемы является обработка поверхности сплава низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП). В исследованиях [ 10 - 12] обнаружено, что данная обработка ведет к изменению механических свойств поверхностного слоя, а также к уменьшению шероховатости поверхности вследствие переплава поверхностного слоя, включая частицы вторых и примесных фаз, под воздействием электронного пучка. В связи с этим актуальной является задача выбора оптимального режима НСЭП-обработки, который позволит выгладить и гомогенизировать поверхностный слой без критического влияния на механические и функциональные свойства TiNi сплава.
Цель данной работы - исследовать влияние параметров низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на морфологию поверхности и изменение физико - механических свойств поверхностного слоя никелида титана, включая твёрдость, модуль упругости, упруго-пластические характеристики.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) Используя научную литературу ознакомиться со свойствами сплавов на основе TiNi. Подготовить литературный обзор по теме исследования;
2) Получить практические навыки металлографической подготовки поверхности образцов сплава TiNi;
3) Освоить методы оптической металлографии и оптической интерференционной профилометрии для анализа морфологии поверхности до и после облучения электронным пучком;
4) С использованием метода оптической металлографии и оптической интерференционной профилометрии получить экспериментальные данные о морфологии поверхности образцов сплава TiNi в зависимости от режимов облучения;
5) Освоить принципы метода инструментального индентирования, получения и обработки результатов, определения параметров, характеризующих упруго-пластические и прочностные свойства поверхностного слоя материалов, обладающих неупругими эффектами;
6) Провести анализ результатов измерения механических свойств поверхностных слоёв TiNi сплава после НСЭП-обработки, а именно построить зависимости твёрдости (H), модуля упругости (E), характеристики пластичности (6) и степени восстановления отпечатка (п) от максимальной глубины проникновения индентора (h).
Работа состоит из введения, четырех разделов и выводов. В первом разделе работы представлен литературный обзор, посвящённый изучению структуры и свойств никелида титана. В подразделе 1.1 рассмотрена диаграмма равновесия системы Ti-Ni. В 1.2, 1.3
изложены взгляды на природу ЭПФ-СЭ в сплавах на основе Ti-Ni. Показано, что превращение в никелиде титана подчиняется общим закономерностям и механизмам термоупругих мартенситных превращений.
Во втором разделе в подразделе 2.1 рассмотрены процессы переноса вещества и энергии в каскадах атомных соударений при облучении твёрдых тел в процессе электронно - пучковой обработки. В 2.2 представлены основные принципы испытания механических свойств поверхностных слоёв металлических материалов методом инструментального индентирования.
Третий раздел включает в себя описание исходных материалов и режимов модификации поверхности исследуемых TiNi-образцов низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком. Детально описаны методики экспериментальных исследований.
В четвертом разделе работы предоставлены результаты исследования морфологии поверхности и её топографических параметров, а также механических свойств модифицированных поверхностных слоёв сплава на основе TiNi.
В выводах приведены основные результаты, полученные в ходе проведённых исследований.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект №18-19-00198 (от 26.04.18г.).
До недавнего времени, пластическая деформация считалась необратимой, так как ее рассматривали как следствие движения точечных дефектов и дислокаций в кристаллической решетке. Однако, у некоторых соединений обнаружены новые свойства, отличные от хорошо известных упругих и пластических. Эти свойства были названы неупругими и легли в основу эффекта памяти формы и сверхэластичности (ЭПФ-СЭ) [1 - 3]. В данном случае деформация осуществляется за счет механизмов термоупругих мартенситных превращений [4].
Истоки открытия неупругих свойств металлических материалов восходят к 1932 году, когда шведский исследователь Арне Оландер впервые наблюдал эти свойства в золото - кадмиевых сплавах [5]. Теоретические представления, описывающие эффект памяти формы, были сформулированы советскими учёными - Г.В. Курдюмовым и Л.Г. Хандросом, которые в 1948 году наблюдали явление термоупругого мартенситного превращения в сплавах на основе Cu-Al-Ni и Cu-Sn [3, 6, 7]. Первые экспериментальные подтверждения ЭПФ получены Л. Чангом и Т. Ридом в 1951 г. в сплаве системы Au-Cd [3].
В 1962 году в военно-морской лаборатории американскими учеными Уильямом Бюлером и Фредериком Вангом экспериментально получен уникальный сплав на основе титана и никеля. Как будет установлено позже, TiNi сплав обладает ярко выраженными ЭПФ- СЭ. Открытый ими сплав получил название - нитинол, образованное из составляющих элементов сплава: никеля (Ni) и титана (Ti); и названия лаборатории (NOL - Naval ordnance laboratory), в которой был разработан сплав [1, 5]. Благодаря тому, что пластически
деформированный TiNi сплав при нагреве мог возвращать большое количество неупругой деформации (порядка ~ 6 - 8 %), сегодня сплавы на основе TiNi нашли широкое практическое применение в областях науки, техники и медицины.
Известно, что титан и его сплавы являются наиболее биосовместимыми с тканями человека, они прочны и обладают устойчивостью к коррозии. В связи с этим, на сегодняшний день, наибольшее практическое применение TiNi-сплавы получили в области медицины. Актуальной проблемой, ограничивающей применение никелида титана в медицине, является высокое содержание токсичных атомов никеля (~ 50 ат. %) и возможность попадания его в организм в результате коррозии. Другой весьма серьезный недостаток - деградация ЭПФ-СЭ в процессе циклов «накопление-возврат» деформации [1, 8]. Одним из факторов, который может повлиять на усталостную долговечность, является наличие частиц вторых или примесных фаз, которые образуются в материале при его производстве и последующей термомеханической обработке [9]. В связи с вышесказанным возникают задачи увеличения коррозионной стойкости и усталостной долговечности изделий из никелида титана, которые можно частично решить путём удаления частиц вторых и примесных фаз в поверхностных слоях материала.
Для решения этих задач используют различные методы, одними из которых являются методы модификации поверхности путем обработки и нанесения покрытий. Известно, что TiNi-сплавы весьма чувствительны к изменению химического состава и температуры. Поэтому, при обработке материала важно подобрать такие параметры энергетического воздействия, чтобы модификация свойств происходила в тонком поверхностном слое, не влияя при этом на механические и функциональные свойства в объеме материала [8].
Одним из способов решения данной проблемы является обработка поверхности сплава низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (НСЭП). В исследованиях [ 10 - 12] обнаружено, что данная обработка ведет к изменению механических свойств поверхностного слоя, а также к уменьшению шероховатости поверхности вследствие переплава поверхностного слоя, включая частицы вторых и примесных фаз, под воздействием электронного пучка. В связи с этим актуальной является задача выбора оптимального режима НСЭП-обработки, который позволит выгладить и гомогенизировать поверхностный слой без критического влияния на механические и функциональные свойства TiNi сплава.
Цель данной работы - исследовать влияние параметров низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на морфологию поверхности и изменение физико - механических свойств поверхностного слоя никелида титана, включая твёрдость, модуль упругости, упруго-пластические характеристики.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1) Используя научную литературу ознакомиться со свойствами сплавов на основе TiNi. Подготовить литературный обзор по теме исследования;
2) Получить практические навыки металлографической подготовки поверхности образцов сплава TiNi;
3) Освоить методы оптической металлографии и оптической интерференционной профилометрии для анализа морфологии поверхности до и после облучения электронным пучком;
4) С использованием метода оптической металлографии и оптической интерференционной профилометрии получить экспериментальные данные о морфологии поверхности образцов сплава TiNi в зависимости от режимов облучения;
5) Освоить принципы метода инструментального индентирования, получения и обработки результатов, определения параметров, характеризующих упруго-пластические и прочностные свойства поверхностного слоя материалов, обладающих неупругими эффектами;
6) Провести анализ результатов измерения механических свойств поверхностных слоёв TiNi сплава после НСЭП-обработки, а именно построить зависимости твёрдости (H), модуля упругости (E), характеристики пластичности (6) и степени восстановления отпечатка (п) от максимальной глубины проникновения индентора (h).
Работа состоит из введения, четырех разделов и выводов. В первом разделе работы представлен литературный обзор, посвящённый изучению структуры и свойств никелида титана. В подразделе 1.1 рассмотрена диаграмма равновесия системы Ti-Ni. В 1.2, 1.3
изложены взгляды на природу ЭПФ-СЭ в сплавах на основе Ti-Ni. Показано, что превращение в никелиде титана подчиняется общим закономерностям и механизмам термоупругих мартенситных превращений.
Во втором разделе в подразделе 2.1 рассмотрены процессы переноса вещества и энергии в каскадах атомных соударений при облучении твёрдых тел в процессе электронно - пучковой обработки. В 2.2 представлены основные принципы испытания механических свойств поверхностных слоёв металлических материалов методом инструментального индентирования.
Третий раздел включает в себя описание исходных материалов и режимов модификации поверхности исследуемых TiNi-образцов низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком. Детально описаны методики экспериментальных исследований.
В четвертом разделе работы предоставлены результаты исследования морфологии поверхности и её топографических параметров, а также механических свойств модифицированных поверхностных слоёв сплава на основе TiNi.
В выводах приведены основные результаты, полученные в ходе проведённых исследований.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект №18-19-00198 (от 26.04.18г.).
В результате НСЭП-обработок поверхности TiNi сплава с различной плотностью энергии в электронном пучке Es и постоянном числе импульсов воздействия n = 5, установлено, что:
1) закономерности образования кратерообразного рельефа на поверхности TiNi сплава определяются особенностями структуры прокатанных образцов и характером распределения мелкодисперсных частиц вторых и примесных фаз;
2) в результате НСЭП обработки при Es = 1,1 Дж/см2 параметр средней шероховатости RaM1HT уменьшается в 3 раза: от ~ 0,09 мкм для исходного образца (до НСЭП-обработки) до ~ 0,03 мкм, обеспечивая наибольшее выглаживание поверхности. При Es равном 1.7, 2.7 и 3.7 Дж/см2, RaMHT составляет ~ 0,06 мкм;
3) увеличение плотности энергии электронного пучка Es не приводит к закономерному изменению прочностных и упруго-пластических параметров в модифицированном слое толщиной менее ~ 500 нм. На глубине более ~ 2 мкм значения параметров твёрдости H, модуля упругости E и характеристики пластичности 6 образцов TiNi после НСЭП-обработки близки к значениям для исходной TiNi-подложки;
4) в модифицированном поверхностном слое толщиной менее ~ 500 нм функциональные свойства, а именно - способность к возврату накопленной неупругой деформации, ниже функциональных свойств TiNi-подложки не более, чем на 15 %, что является положительным результатом и даёт основание предполагать, что применение электронно-пучковой обработки поверхности образцов TiNi сплава не приведет к существенному ухудшению неупругих эффектов - ЭПФ-СЭ.
1) закономерности образования кратерообразного рельефа на поверхности TiNi сплава определяются особенностями структуры прокатанных образцов и характером распределения мелкодисперсных частиц вторых и примесных фаз;
2) в результате НСЭП обработки при Es = 1,1 Дж/см2 параметр средней шероховатости RaM1HT уменьшается в 3 раза: от ~ 0,09 мкм для исходного образца (до НСЭП-обработки) до ~ 0,03 мкм, обеспечивая наибольшее выглаживание поверхности. При Es равном 1.7, 2.7 и 3.7 Дж/см2, RaMHT составляет ~ 0,06 мкм;
3) увеличение плотности энергии электронного пучка Es не приводит к закономерному изменению прочностных и упруго-пластических параметров в модифицированном слое толщиной менее ~ 500 нм. На глубине более ~ 2 мкм значения параметров твёрдости H, модуля упругости E и характеристики пластичности 6 образцов TiNi после НСЭП-обработки близки к значениям для исходной TiNi-подложки;
4) в модифицированном поверхностном слое толщиной менее ~ 500 нм функциональные свойства, а именно - способность к возврату накопленной неупругой деформации, ниже функциональных свойств TiNi-подложки не более, чем на 15 %, что является положительным результатом и даёт основание предполагать, что применение электронно-пучковой обработки поверхности образцов TiNi сплава не приведет к существенному ухудшению неупругих эффектов - ЭПФ-СЭ.
Подобные работы
- Влияние электронно-пучковых обработок на деформационное поведение и сверхэластичность никелида титана при квазистатическом и циклических нагружениях кручением
Дипломные работы, ВКР, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4400 р. Год сдачи: 2023