ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ И СВЕРХЭЛАСТИЧНОСТЬ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ФЕРРОМАГНИТНОГО СПЛАВА FeNiCoAlTi
|
Реферат
Введение 3
1 Термоупругие и нетермоупругие мартенситные превращения 8
1.1 Общая характеристика мартенситных превращений 8
1.2 Термодинамическое описание мартенситных превращений 11
1.2.1 Мартенситное превращение при охлаждении/нагреве 11
1.2.2 Мартенситное превращение под нагрузкой 15
1.3 Кристаллография мартенситных превращений в сплавах на основе
железа 20
1.4 Эффект памяти формы и сверхэластичность 26
2 Методика эксперимента 32
3 Функциональные свойства монокристаллов сплава FeNiCoAlTi [25 - 33] 36
3.1 Влияние термической обработки на функциональные свойства в
монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при деформации растяжением 36
3.2 Влияние химического состава дисперсных частиц у'-фазы на
функциональные свойства в монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при деформации растяжением 49
3.3 Двойной эффект памяти формы в монокристаллах сплава FeNiCoAlTi
при деформации растяжением 55
Заключение 63
Список использованной литературы 64
Введение 3
1 Термоупругие и нетермоупругие мартенситные превращения 8
1.1 Общая характеристика мартенситных превращений 8
1.2 Термодинамическое описание мартенситных превращений 11
1.2.1 Мартенситное превращение при охлаждении/нагреве 11
1.2.2 Мартенситное превращение под нагрузкой 15
1.3 Кристаллография мартенситных превращений в сплавах на основе
железа 20
1.4 Эффект памяти формы и сверхэластичность 26
2 Методика эксперимента 32
3 Функциональные свойства монокристаллов сплава FeNiCoAlTi [25 - 33] 36
3.1 Влияние термической обработки на функциональные свойства в
монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при деформации растяжением 36
3.2 Влияние химического состава дисперсных частиц у'-фазы на
функциональные свойства в монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при деформации растяжением 49
3.3 Двойной эффект памяти формы в монокристаллах сплава FeNiCoAlTi
при деформации растяжением 55
Заключение 63
Список использованной литературы 64
В современной науке, машиностроении и технике одной из главных задач является создание новых функциональных материалов с комплексом повышенных эксплуатационных свойств. Среди таких материалов отдельное место занимают сплавы с термоупругими мартенситными превращениями, обладающие уникальными физическими свойствами - эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичностью (СЭ). Данные материалы относятся к группе «smart»- материалов, поскольку под действием внешних факторов и условий эксплуатации (температуры, механические нагрузки и т.д.) они способны управляемо изменять своё физическое поведение. Одними из наиболее известных и изученных являются сплавы на основе интерметаллида TiNi. Однако будущее промышленности лежит за железосодержащими сплавами, которые обладают целым комплексом свойств - механических и функциональных. Сплавы на основе железа, как конструкционные материалы, характеризуются высокой прочностью, низкой стоимостью и высокой технологичностью, а, как функциональные, могут проявлять ЭПФ и СЭ [1 - 6]. Поэтому в настоящее время сплавы на основе железа, обладающие ЭПФ и СЭ, интенсивно исследуются.
Актуальность работы. Большой научный и практический интерес
представляют основы конструирования и создания высокопрочных функциональных сплавов, а также исследование закономерностей развития мартенситных превращения (МП) под нагрузкой в условиях высоких напряжений и широком диапазоне температур. С этой точки зрения особое внимание заслуживают сплавы на основе железа системы FeNiCoTi, как представители материалов с высокой прочностью и пластичностью. Согласно литературным данным [1], именно в сплаве на основе железа данной системы было впервые получено термоупругое у-а'-МП (у-ГЦК - гранецентрированная кубическая решетка, а а’-ОЦТ - объемноцентрированная тетрагональная решетка) с ЭПФ за счет выделения наноразмерных упорядоченных частиц у'-фазы. Однако СЭ в сплавах системы FeNiCoTi получить не удавалось из-за низких напряжений высокотемпературной фазы, больших величин механического и температурного гистерезисов [1]. В связи с вышесказанным проводились поиски новых систем сплавов на основе железа, которые проявляли не только ЭПФ, но и СЭ. В этой 3
связи сплавы системы FeNiCoAlTi являются перспективными сплавами с возможностью получения в них ЭПФ и СЭ в широком температурном интервале. В настоящее время исследований влияния частиц у'-фазы на прочностные и функциональные свойства в моно- и поликристаллах сплавов FeNiCoAlTi в литературе нет. Исследования на монокристаллах сплава FeNiCoAlTi механизмов развития МП под нагрузкой и при охлаждении/нагреве необходимы для реализации всех потенциальных возможностей данного материала. Использование монокристаллов для исследования термоупругого у-а'-МП, содержит ряд преимуществ перед поликристаллами: во-первых, исключение влияния границ зёрен на развитие у-а'-МП в монокристаллах позволяет в чистом виде экспериментально получить и тем самым проверить теоретически предсказанные значения величины деформации решетки е0 для соответствующей ориентации при определенном способе деформации (растяжении или сжатии) для у-а'-МП и установить влияние размера частиц у'-фазы на величину деформации превращения в экспериментах по изучению ЭПФ под нагрузкой и СЭ. Во-вторых, использование монокристаллов позволяет из-за отсутствия в них границ зерен выбрать для исследования у-а'-МП более высокие температуры старения Т = 973 К и малые времена (до 10 ч) по сравнению с поликристаллами и подавить в них выделение хрупкой 0-фазы по границам зерен [7 - 9].
Целью магистерской диссертации является изучение влияние размера и химического состава наноразмерных частиц у'-фазы на развитие термоупругих у- а'-МП, уровень прочностных свойств высокотемпературной фазы, а так же на ЭПФ и СЭ в [001]-монокристаллах сплавов Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5X(0,05B) (ат. %) (X = Ti, (Ti + Nb)B) при деформации растяжением. Выяснить условия, при которых возможно наблюдение двойного ЭПФ в [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni- 17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) при деформации растяжением.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. На [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при деформации растяжением исследовать влияние температуры и времени старения при 873 - 973 К в течение 4 - 7 ч на осевые напряжения в температурном интервале Т = 77 - 523 К, величину а = do0.1/dT, ЭПФ и СЭ, температурного ДТ и механического До гистерезисов, температурный интервал СЭ.
2. На [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNbB, состаренных при одинаковых условиях Т = 973 К, 5 ч, при деформации растяжением исследовать влияние химического состава частиц у'-фазы на осевые напряжения в температурном интервале Т = 77 - 523 К, величину а = do0.1/dT, ЭПФ и СЭ, температурного ДТ и механического До гистерезисов, температурный интервал СЭ.
3. На [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi выяснить принципиальную возможность наблюдения двойного ЭПФ.
Научная новизна работы: на монокристаллах сплава FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNbB впервые:
- Показано, что увеличение времени старения при одной температуре старения и изменение химического состава частиц у'-фазы приводит к росту уровня напряжений высокотемпературной фазы, который связан с увеличением размера частиц при увеличении времени старения и их прочности при изменении химического состава. В [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi, состаренных при 973 К в течение 7 ч уровень напряжений высокотемпературной фазы оказывается выше, чем при старении в течение 5 ч. При одном времени старения при 973 К в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNbB уровень напряжений высокотемпературной фазы выше, чем в кристаллах данной ориентации сплава FeNiCoAlTi.
- Установлено, что максимальная величина обратимой деформации в экспериментах по изучению ЭПФ и СЭ равная 8,7 % получена в [001]- монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при старении в течение 4 ч при 873 К и эта величина оказывается равной теоретическому значению величины деформации решетки е0 = 8,7 % для кристаллов данной ориентации при растяжении для у-а'- МП [3]. Увеличение температуры старения от 873 К до 973 К, времени старения при 973 К и изменение химического состава частиц у'-фазы при вариации химического состава сплава приводит к уменьшению величины деформации превращения в экспериментах по изучению ЭПФ и СЭ до 7 %. Увеличение времени старения приводит к увеличению температурного интервала СЭ и уменьшению величины температурного ДТ и механического До гистерезисов.
- Показано, что температурная зависимость напряжений для начала развития у-а'-МП под нагрузкой в [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNbB при всех исследованных временах старения описывается соотношением Клапейрона-Клаузиуса и величина а = db0.1/dT находится в пределах 1,9 - 3,5 МПа/К.
- Установлено, что старение под растягивающей нагрузкой 120 МПа [001]-монокристаллов сплава FeNiCoAlTi при 873 К в течение 1,5 ч приводит к образованию ориентированного варианта частиц у'-фазы, которые создают условия для проявления двойного ЭПФ величиной 0,6 %.
Научно-практическая значимость работы. Установленные
закономерности развития термоупругих у-а'-МП и зависимости величин ЭПФ и СЭ, температурного интервала СЭ, механического и температурного гистерезисов, уровня прочностных свойств высокотемпературной фазы могут быть применены для развития представлений о теории термоупругих МП в ферромагнитных сплавах, а также использоваться для анализа функциональных свойств текстурированных поликристаллов данного сплава.
Полученный комплекс экспериментальных данных, представленных в работе, позволяет их использовать при разработке и создании новых сплавов с заданными функциональными свойствами.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментально установленные закономерности влияния размера частиц у'-фазы в [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) при деформации растяжением на прочностные свойства высокотемпературной фазы, температуры МП, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой, величину а = db0.1/dT, ЭПФ, СЭ и температурного интервала СЭ.
2. Экспериментально обнаруженные механизмы влияния размера и химического состава наноразмерных частиц у'-фазы в [001]-монокристаллах сплавов Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5X(0,05B) (ат. %) (X = Ti, (Ti + Nb)B) при деформации растяжением на прочностные свойства высокотемпературной фазы, температуры МП, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой, величину а = do0.1/dT, ЭПФ, СЭ и температурного интервала СЭ.
3. Экспериментально обнаруженные условия для наблюдения двойного эффекта памяти формы в [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %), основанные на создании внутренних ориентированных полей напряжений посредствам старения под растягивающей нагрузкой.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных и всероссийских конференциях: XI, XII и XIII Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014-2016), XIV, XV Российской научной студенческой конференции (Томск, 2014, 2016), II Всероссийской научной
конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве» (Томск, 2015), VI Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2016).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных результатов диссертаций (из них 1 статья в зарубежном журнале, 2 статьи в российских журналах, которые включены в Web of Science), 8 статей в сборниках трудов и материалов международных и всероссийских научных конференций.
Актуальность работы. Большой научный и практический интерес
представляют основы конструирования и создания высокопрочных функциональных сплавов, а также исследование закономерностей развития мартенситных превращения (МП) под нагрузкой в условиях высоких напряжений и широком диапазоне температур. С этой точки зрения особое внимание заслуживают сплавы на основе железа системы FeNiCoTi, как представители материалов с высокой прочностью и пластичностью. Согласно литературным данным [1], именно в сплаве на основе железа данной системы было впервые получено термоупругое у-а'-МП (у-ГЦК - гранецентрированная кубическая решетка, а а’-ОЦТ - объемноцентрированная тетрагональная решетка) с ЭПФ за счет выделения наноразмерных упорядоченных частиц у'-фазы. Однако СЭ в сплавах системы FeNiCoTi получить не удавалось из-за низких напряжений высокотемпературной фазы, больших величин механического и температурного гистерезисов [1]. В связи с вышесказанным проводились поиски новых систем сплавов на основе железа, которые проявляли не только ЭПФ, но и СЭ. В этой 3
связи сплавы системы FeNiCoAlTi являются перспективными сплавами с возможностью получения в них ЭПФ и СЭ в широком температурном интервале. В настоящее время исследований влияния частиц у'-фазы на прочностные и функциональные свойства в моно- и поликристаллах сплавов FeNiCoAlTi в литературе нет. Исследования на монокристаллах сплава FeNiCoAlTi механизмов развития МП под нагрузкой и при охлаждении/нагреве необходимы для реализации всех потенциальных возможностей данного материала. Использование монокристаллов для исследования термоупругого у-а'-МП, содержит ряд преимуществ перед поликристаллами: во-первых, исключение влияния границ зёрен на развитие у-а'-МП в монокристаллах позволяет в чистом виде экспериментально получить и тем самым проверить теоретически предсказанные значения величины деформации решетки е0 для соответствующей ориентации при определенном способе деформации (растяжении или сжатии) для у-а'-МП и установить влияние размера частиц у'-фазы на величину деформации превращения в экспериментах по изучению ЭПФ под нагрузкой и СЭ. Во-вторых, использование монокристаллов позволяет из-за отсутствия в них границ зерен выбрать для исследования у-а'-МП более высокие температуры старения Т = 973 К и малые времена (до 10 ч) по сравнению с поликристаллами и подавить в них выделение хрупкой 0-фазы по границам зерен [7 - 9].
Целью магистерской диссертации является изучение влияние размера и химического состава наноразмерных частиц у'-фазы на развитие термоупругих у- а'-МП, уровень прочностных свойств высокотемпературной фазы, а так же на ЭПФ и СЭ в [001]-монокристаллах сплавов Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5X(0,05B) (ат. %) (X = Ti, (Ti + Nb)B) при деформации растяжением. Выяснить условия, при которых возможно наблюдение двойного ЭПФ в [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni- 17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) при деформации растяжением.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. На [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при деформации растяжением исследовать влияние температуры и времени старения при 873 - 973 К в течение 4 - 7 ч на осевые напряжения в температурном интервале Т = 77 - 523 К, величину а = do0.1/dT, ЭПФ и СЭ, температурного ДТ и механического До гистерезисов, температурный интервал СЭ.
2. На [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNbB, состаренных при одинаковых условиях Т = 973 К, 5 ч, при деформации растяжением исследовать влияние химического состава частиц у'-фазы на осевые напряжения в температурном интервале Т = 77 - 523 К, величину а = do0.1/dT, ЭПФ и СЭ, температурного ДТ и механического До гистерезисов, температурный интервал СЭ.
3. На [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi выяснить принципиальную возможность наблюдения двойного ЭПФ.
Научная новизна работы: на монокристаллах сплава FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNbB впервые:
- Показано, что увеличение времени старения при одной температуре старения и изменение химического состава частиц у'-фазы приводит к росту уровня напряжений высокотемпературной фазы, который связан с увеличением размера частиц при увеличении времени старения и их прочности при изменении химического состава. В [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi, состаренных при 973 К в течение 7 ч уровень напряжений высокотемпературной фазы оказывается выше, чем при старении в течение 5 ч. При одном времени старения при 973 К в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNbB уровень напряжений высокотемпературной фазы выше, чем в кристаллах данной ориентации сплава FeNiCoAlTi.
- Установлено, что максимальная величина обратимой деформации в экспериментах по изучению ЭПФ и СЭ равная 8,7 % получена в [001]- монокристаллах сплава FeNiCoAlTi при старении в течение 4 ч при 873 К и эта величина оказывается равной теоретическому значению величины деформации решетки е0 = 8,7 % для кристаллов данной ориентации при растяжении для у-а'- МП [3]. Увеличение температуры старения от 873 К до 973 К, времени старения при 973 К и изменение химического состава частиц у'-фазы при вариации химического состава сплава приводит к уменьшению величины деформации превращения в экспериментах по изучению ЭПФ и СЭ до 7 %. Увеличение времени старения приводит к увеличению температурного интервала СЭ и уменьшению величины температурного ДТ и механического До гистерезисов.
- Показано, что температурная зависимость напряжений для начала развития у-а'-МП под нагрузкой в [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNbB при всех исследованных временах старения описывается соотношением Клапейрона-Клаузиуса и величина а = db0.1/dT находится в пределах 1,9 - 3,5 МПа/К.
- Установлено, что старение под растягивающей нагрузкой 120 МПа [001]-монокристаллов сплава FeNiCoAlTi при 873 К в течение 1,5 ч приводит к образованию ориентированного варианта частиц у'-фазы, которые создают условия для проявления двойного ЭПФ величиной 0,6 %.
Научно-практическая значимость работы. Установленные
закономерности развития термоупругих у-а'-МП и зависимости величин ЭПФ и СЭ, температурного интервала СЭ, механического и температурного гистерезисов, уровня прочностных свойств высокотемпературной фазы могут быть применены для развития представлений о теории термоупругих МП в ферромагнитных сплавах, а также использоваться для анализа функциональных свойств текстурированных поликристаллов данного сплава.
Полученный комплекс экспериментальных данных, представленных в работе, позволяет их использовать при разработке и создании новых сплавов с заданными функциональными свойствами.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментально установленные закономерности влияния размера частиц у'-фазы в [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) при деформации растяжением на прочностные свойства высокотемпературной фазы, температуры МП, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой, величину а = db0.1/dT, ЭПФ, СЭ и температурного интервала СЭ.
2. Экспериментально обнаруженные механизмы влияния размера и химического состава наноразмерных частиц у'-фазы в [001]-монокристаллах сплавов Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5X(0,05B) (ат. %) (X = Ti, (Ti + Nb)B) при деформации растяжением на прочностные свойства высокотемпературной фазы, температуры МП, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой, величину а = do0.1/dT, ЭПФ, СЭ и температурного интервала СЭ.
3. Экспериментально обнаруженные условия для наблюдения двойного эффекта памяти формы в [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %), основанные на создании внутренних ориентированных полей напряжений посредствам старения под растягивающей нагрузкой.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных и всероссийских конференциях: XI, XII и XIII Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014-2016), XIV, XV Российской научной студенческой конференции (Томск, 2014, 2016), II Всероссийской научной
конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве» (Томск, 2015), VI Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2016).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных результатов диссертаций (из них 1 статья в зарубежном журнале, 2 статьи в российских журналах, которые включены в Web of Science), 8 статей в сборниках трудов и материалов международных и всероссийских научных конференций.
1. На монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) показано, что выделение дисперсных частиц у'-фазы с упорядоченной по типу L12 структурой и когерентно связанной с высокотемпературной фазой приводит к изменению кинетики мартенситного превращения (МП) от нетермоупругой к термоупругой, сопровождающейся эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичностью (СЭ).
2. При деформации растяжением экспериментально установлено что уровень прочностных свойств высокотемпературной фазы, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой и величина а = da01/dT зависят от размера и химического состава частиц у'-фазы. Максимальное упрочнение наблюдается в кристаллах Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5(Ti + Nb)(0,05B) (ат. %), состаренных при температуре 937 К в течение 5 часов. Величина а = do0.1/dT находится в пределах 1,9 - 3,5 МПа/К.
3. Установлено, что температуры МП, величина ЭПФ и СЭ, а также температурного интервала проявления СЭ зависят от размера и химического состава частиц у'-фазы. Максимальные значения ЭПФ и СЭ, равные 8,7 %, были получены в кристаллах с меньшим размером частиц после старения при температуре 873 К в течение 4 часов, которые совпадают с теоретически рассчитанными значениями деформации решетки для соответствующей ориентации при у-а'-МП. Увеличение размера частиц у'-фазы в монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) приводит к уменьшению величины ЭПФ и СЭ до 7 %, что связано с уменьшением объема матрицы при выделении частиц у'-фазы, испытывающей МП.
4. Впервые на [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) показано, что старение под растягивающей нагрузкой 120 МПа вдоль [0011- направления приводит к росту ориентированного варианта частиц у'-фазы, которые создают условия для проявления двойного ЭПФ величиной 0,6 %.
2. При деформации растяжением экспериментально установлено что уровень прочностных свойств высокотемпературной фазы, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой и величина а = da01/dT зависят от размера и химического состава частиц у'-фазы. Максимальное упрочнение наблюдается в кристаллах Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5(Ti + Nb)(0,05B) (ат. %), состаренных при температуре 937 К в течение 5 часов. Величина а = do0.1/dT находится в пределах 1,9 - 3,5 МПа/К.
3. Установлено, что температуры МП, величина ЭПФ и СЭ, а также температурного интервала проявления СЭ зависят от размера и химического состава частиц у'-фазы. Максимальные значения ЭПФ и СЭ, равные 8,7 %, были получены в кристаллах с меньшим размером частиц после старения при температуре 873 К в течение 4 часов, которые совпадают с теоретически рассчитанными значениями деформации решетки для соответствующей ориентации при у-а'-МП. Увеличение размера частиц у'-фазы в монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) приводит к уменьшению величины ЭПФ и СЭ до 7 %, что связано с уменьшением объема матрицы при выделении частиц у'-фазы, испытывающей МП.
4. Впервые на [001]-монокристаллах сплава Fe-28Ni-17Co-11,5Al-2,5Ti (ат. %) показано, что старение под растягивающей нагрузкой 120 МПа вдоль [0011- направления приводит к росту ориентированного варианта частиц у'-фазы, которые создают условия для проявления двойного ЭПФ величиной 0,6 %.