Реферат 2
Введение 5
1 Мартенситные превращения 9
1.1 Общая характеристика мартенситных превращений 9
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 25
2 Методика эксперимента 28
3 Функциональные свойства в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi и
FeNiCoAlTiNb 32
3.1 Влияние химического состава на функциональные свойства в
[001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb при деформации растяжением 32
3.2 Влияние ступенчатого старения на функциональные свойства в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb при деформации растяжением 40
Заключение 52
Список литературы 54
После открытия в середине ХХ века уникальных функциональных свойств, таких как эффект памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичность (СЭ), материалы, обладающие ими, с каждым годом находят все более широкое применение в самых различных сферах современного материаловедения. Эти материалы, имея особенные функциональные возможности и высокую демпфирующую способность, являются активным компонентом термомеханических приводов многократного действия. В процессе эксплуатации сплавы под действием внешних факторов различного характера изменяют свою структуру и поведение. Особого внимания заслуживают сплавы на основе железа системы FeNiCoTi, так как они обладают высокой прочностью и технологичностью, а также более низкой стоимостью, по сравнению с широко распространенным сплавом TiNi. Поэтому на данный момент ведется интенсивное исследование таких систем.
Актуальность работы. Исследование закономерностей развития мартенситных превращений (МП) под нагрузкой в условиях высоких напряжений и широком диапазоне температур составляет основу конструирования новых материалов с ЭПФ и СЭ. Изменением химического состава и режимов термообработки можно управлять функциональными свойствами МП. Впервые термоупругое у-а'-МП (у-ГЦК-гранецентрированная кубическая решетка, а а-ОЦТ-объемноцентрированная тетрагональная решетка) в сплавах на основе железа было получено в сплаве системы FeNiCoTi [1]. Условия для наблюдения термоупругого у-а'-МП были достигнуты благодаря выделению наноразмерных частиц у'-фазы, атомноупорядоченных по типу L12. Сплав обладал ЭПФ, однако СЭ получить не удалось из-за низкого уровня напряжений высокотемпературной фазы. Для решения проблем наблюдения СЭ в сплавах на основе железа системы FeNiCoTi проводятся систематические исследования по поиску необходимого состава. Сплавы системы FeNiCoAl(X) (X = Ti, TiNb) являются перспективными сплавами, которые способны проявлять не только ЭПФ, но и СЭ в широком температурном интервале.
Целью магистерской диссертации является исследование ЭПФ и СЭ в монокристаллах сплавов Fe-28 Ni-17 Co-11,5 Al-2,5 X (ат. %) (X = Ti, TiNb), ориентированные вдоль [001]-направления, при деформации растяжением.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. В [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb при деформации растяжением исследовать влияние изменения химического состава на осевые напряжения в температурном интервале Т = 77 - 523 К и величину а = dc0,1/dT.
2. В [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb при деформации растяжением исследовать влияние изменения химического состава на величину ЭПФ и СЭ, температурного Г и механического Ас гистерезисов, температурный интервал СЭ.
3. В [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb при деформации растяжением исследовать влияние ступенчатого старения на осевые напряжения в температурном интервале Т = 77 - 523 К, температуры мартенситного превращения, величину а = dc0,1/dT, ЭПФ и СЭ, температурного Г и механического Ас гистерезисов, температурный интервал СЭ.
Научная новизна работы: на монокристаллах сплава FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb впервые:
1. Установлено, что изменение химического состава частиц у'-фазы приводит к росту уровня напряжений высокотемпературной фазы, который связан с увеличением прочности частиц при изменении химического состава. При одном времени старения 4 ч при 873 К в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb уровень напряжений высокотемпературной фазы выше, чем в кристаллах данной ориентации сплава FeNiCoAlTi.
2. Установлено, что температурная зависимость напряжений для начала развития у-а'-МП под нагрузкой в [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb при всех исследованных временах старения описывается соотношением Клапейрона-Клаузиуса и величина а = dc0,1/dT при старении 873 К в течение 4 ч находится в пределах 3,3 - 4,2 МПа/К.
3. Установлено, что ступенчатое старение в [001]-монокристаллах FeNiCoAlTiNb приводит к росту уровня напряжений высокотемпературной фазы, который связан с увеличением размера частиц при увеличении времени старения. После старения при 973 К в течение 5 ч и последующего старения 873 К в течение 2 ч под растягивающими напряжениями и в свободном состоянии, уровень напряжений высокотемпературной фазы оказывается выше, чем при старении 873 К в течение 4 ч. На температурной зависимости кристаллов состаренных под растягивающими напряжениями и в свободном состоянии наблюдаются 2 стадии с различными значениями величины а = do0;1/dT. На стадии I ее значение а ~ 0,9 МПа/К, на стадии II а ~ 4,9 МПа/К.
4. Установлено, что максимальная величина 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 % в кристаллах данной ориентации при растяжении для у-а'-МП [15]. В [001]-монокристаллах FeNiCoAlTiNb при старении в течение 4 ч при Т = 873 К величина обратимой деформации в эксперименте по изучению эффекта памяти формы еЭПФ = 9,8 % и оказывается больше теоретической величины деформации решетки для данной ориентации при растяжении при у-а'-МП [16]. СЭ в [001]-монокристаллах FeNiCoAlTiNb при таком режиме старения не наблюдается, поскольку температура Af оказывается выше температуры Md.
5. Установлено, что ступенчатое старение в [001]-монокристаллах FeNiCoAlTiNb приводит к появлению СЭ. При максимальной заданной деформации емакс = 7,9 % обратимая деформация составляет бобр = 6,6 %.
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 сплавах на основе железа, 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 химического состава частиц у'-фазы в [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb при деформации растяжением на прочностные свойства высокотемпературной фазы, температуры МП, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой, величину а = do0;1/dT.
2. Экспериментально установленные закономерности влияния ступенчатого старения в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb при деформации растяжением на прочностные свойства высокотемпературной фазы, температуры МП, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой, величину а = do0;1/dT.
3. Экспериментально установленная после старения 873 К 4 часа при деформации растяжением в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTi величина эффекта памяти формы и сверхэластичности 8,7 %, равная теоретическому значению деформации решетки е0 при растяжении для у-а'-МП в кристаллах данной ориентации, и величина эффекта памяти формы 9,8 % в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb, превышающая значение е0 для у-а'-МП. Сверхэластичность величиной 6,6 % и температурный интервал проявления сверхэластичности АТ = 105 К в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb после ступенчатого старения.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных и всероссийских конференциях: XIV Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2017), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (Томск, 2017).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 работы, в том числе 1 статья в журнале, включенном в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных результатов диссертаций.
1. Установлено, что температурная зависимость напряжений для начала у-а'-мартенситного превращения под нагрузкой при деформации растяжением в [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb, состаренных при 873 К 4 часа, описывается соотношением Клапейрона-Клаузиуса. Показано, что изменение химического состава сплава приводит к увеличению прочностных свойств высокотемпературной фазы, параллельному сдвигу кривых о0,1(Т) в область высоких температур. Величина а = do0,1/dT в кристаллах FeNiCoAlTi составляет а = 3,3 МПа/К, в кристаллах FeNiCoAlTiNb а = 4,2 МПа/К.
2. Экспериментально установлено, что в [001]-монокристаллах сплавов FeNiCoAlTi и FeNiCoAlTiNb, состаренных при 873 К 4 часа, развивается термоупругое у-а'-мартенситное превращение с эффектом памяти формы и сверхэластичности при деформации растяжением. Величина эффекта памяти формы и сверхэластичности в кристаллах FeNiCoAlTi при данном старении равна теоретической величине деформации решетки е0 = 8,7 % для кристаллов данной ориентации при растяжении. В кристаллах FeNiCoAlTiNb величина эффекта памяти формы равна е0 = 9,8 % и оказывается больше теоретической величины деформации решетки для данной ориентации при растяжении. Сверхэластичность в кристаллах FeNiCoAlTiNb при данном старении не наблюдается, поскольку температура Af оказывается выше температуры Md.
3. Установлено, что температурная зависимость после ступенчатого старения в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb, состаренных при 973 К 5 часов и затем при 873 К 2 часа под растягивающей нагрузкой и в свободном состоянии, описывается соотношением Клапейрона-Клаузиуса. Такой режим старения способствует повышению прочностных свойств высокотемпературной фазы и напряжений при температуре Md, приводит к дополнительному сдвигу кривых Оо,1(Т) в область высоких температур. На температурной зависимости кристаллов состаренных под растягивающими напряжениями и в свободном состоянии наблюдаются 2 стадии с различными значениями величины а = do0;1/dT. На стадии I ее значение а ~ 0,9 МПа/К, на стадии II а ~ 4,9 МПа/К.
4. Установлено, что в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb, состаренных при 973 К 5 часов и затем при 873 К 2 часа под растягивающей нагрузкой, приводит к повышению температуры Ms на 15 К, увеличению степени переохлаждения ДТ^/ДТ = 1,57, степени перегрева ДТ2о/ДТ2 = 1,73 и уменьшению термического гистерезиса Г1о/Г1 = 0,83, Г2о/Г2 = 0,75, по сравнению с кристаллами, состаренными в свободном состоянии.
5. Установлено, что при ступенчатом старении в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb, состаренных при 973 К 5 часов и затем при 873 К 2 часа под растягивающей нагрузкой и в свободном состоянии, наблюдается эффект памяти формы, величина которого зависит от условий старения: при внешних растягивающих напряжениях о = 50 МПа в кристаллах, состаренных в свободном состоянии, £ЭПФ = 0,7 %, а в кристаллах, состаренных под растягивающей нагрузкой, £ЭПФ = 3,0 %; при о = 100 МПа в кристаллах, состаренных в свободном состоянии, £ЭПФ = 2,4 %, а в кристаллах, состаренных под растягивающей нагрузкой, £ЭПФ = 3,65 %.
6. Установлено, что ступенчатое старение в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAlTiNb, состаренных при 973 К 5 часов и затем при 873 К 2 часа под растягивающей нагрузкой и в свободном состоянии, приводит к появлению сверхэластичности. Стадийность «ст-£» кривых, величина механического гистерезиса Аст и величина СЭ слабо зависят от условий старения. При одной температуре испытания Т = 243 К для кристаллов состаренных в свободном состоянии при максимальной заданной деформации £макс = 7,9 % обратимая деформация составляет £обр = 6,6 % с величиной механического гистерезиса Аст = 174 МПа. В кристаллах состаренных под растягивающей нагрузкой при максимальной заданной деформации £макс = 6,7 % обратимая деформация составляет £обр = 5,1 %, с величиной механического гистерезиса Аст = 152 МПа.
1. Кокорин В. В. Тетрагональность решетки мартенсита и параметры у-а превращения в сплавах FeNiCoTi / В. В Кокорин, Л. П. Гунько // - Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. - Т. 17. - № 11. - С. 30-35.
2. Оцука К. Сплавы с эффектом памяти формы. / К. Оцука, Ю. Симидзу, Ю. Судзуки. - М. : Металлургия, 1990. - 224 с.
3. Гюнтер В. Э. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы: в 14 т. / В. Э. Гюнтер. - Томск : МИЦ, 2011. - Т. 1. - 534 с.
4. Могутнов Б. М. Термодинамика железо-углеродистых сплавов. / Б. М. Могутнов, И. А. Томилин, Л. А. Шварцман. - М. : Металлургия, 1972. - 328 с.
5. Гуляев А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. - М. : Металлургия 6-е издание ФБ СПбГТУ, 1986. - 541 с.
6. Гюнтер В. Э. Никелид титана медицинский материал нового поколения / В. Э. Гюнтер. - Томск : МИЦ, 2006. - 296 с.
7. Смирнов M. A. Основы термической обработки стали / М. А. Смирнов. - Екатеринбург : УрО РАН, 1999. - 506 с.
8. Линдеров М. Л. Идентификация механизмов и кинетики релаксации
напряжений при деформации модельных трип/твип сталей методом кластерного анализа акустической эмиссии : дис. ... канд. ф.-м. наук / М. Л. Линдеров.
- Тольятти : ТГУ, 2017. - 105 с.
9. Бокштейн С. З. Строение и свойства металлических сплавов / С. З. Бокштейн. - М. : Металлургия, 1971. - 483 с.
10. Лободюк В. А. Мартенситные превращения / В. А. Лободюк, Э. И. Эстрин. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 352 с.
11. Куц О. А. Эффект памяти формы и сверхэластичность при термоупругом y-a'-мартенситном превращении в монокристаллах сплава FeNiCoAlNb: дис. . канд. физ-мат. наук / О. А. Куц. - Томск, 2016. - 151 с.
12. G. B. Olson. A general mechanism of martensitic nucleation: Part II. FCC ^ BCC and other martensitic transformations / G. B. Olson, M. Cohen. // - Metallurgical Transactions. - 1976. - Vol. 7. - Is. 12. - P. 1905 - 1914.
13. Кащенко М. П. Волновая модель роста мартенсита при у-а мартенситном превращении в сплавах на основе железа. / М. П. Кащенко. - Москва - Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевский институт компьютерных исследований, 2010 г. - 280 с.
14. Otsuka К. Shape memory materials / К. Otsuka, C. M. Wayman. - Cambridge University press, 1998. - 284 p.
15. Shape memory behavior of FeNiCoTi single and polycrystals / H. Sehitoglu [et al.] // - Metallurgical And Materials Transactions. A. - 2002. - Vol. 33. - N. 12. - P. 3661-3672...28