Тема: ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕТЕРОФАЗНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Ni С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХЭЛАСТИЧНОСТЬЮ

Актуальность выбранной темы. Как известно, многофункциональные сплавы, способные испытывать термоупругие мартенситные превращения (МП), представляют огромный интерес для исследования. Обладая эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичностью (СЭ), основанными на термоупругом характере МП, данные материалы могут быть использованы в таких сферах деятельности, как космическая промышленность, машиностроение, робототехника, медицина и др. Сплавы TiNi, являясь одними из наиболее распространенных и используемых, обладают высокой коррозионной способностью, а также значительной величиной деформации превращения, однако низкие критические напряжения образования мартенсита (< 700 МПа) и низкие температуры МП с недостаточно большим температурным интервалом развития СЭ (Ms< 423 К, ЛТСЭ< 150 К) ограничивают использование этих материалов [1 - 3]. Поскольку в настоящее время существуют задачи, где необходима эксплуатация материала при высоких температурах (> 373 К), высоких приложенных напряжениях (~ 1.5 ГПа) и в широком температурном интервале (более 100 К), то увеличение температурного интервала развития высокотемпературной СЭ является актуальной проблемой. Использование таких элементов, как Hf и Pd в качестве легирующих [1 - 3] увеличивает прочностные свойства (2500 МПа, [1]), демпфирующую способность материала (величина рассеяния энергии при МП под нагрузкой 30 - 34 Дж/см3, [3]), значительно повышает температуры МП (на ~ 100 К, [4]) и позволяет наблюдать СЭ при высоких температурах [5]. В работах [2, 3, 5] также показано, что термические обработки NiTiHfPd вызывают выделение частиц второй фазы и повышение температур МП. Показано [3, 5], что в поли- и монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5гомогенизация при температурах 1323 К и последующее старение при (873 - 923) К в течение (3 - 48) ч приводят к высоким температурам МП (Ms~ 373 К +■ 393 К), однако, интервал развития высокотемпературной СЭ при этом достаточно узкий 20 К +■ 80 К. Расширить температурный интервал СЭ возможно за счет увеличения прочностных свойств высокотемпературной В2-фазы и уменьшения значений а = (1ОСГ / dT (величина, характеризующая рост критических напряжений образования мартенсита с увеличением температуры) [6]. К настоящему времени в сплавах NiTiHfPd за счет старения получены высокопрочные состояния, характеризующиеся высокими значениями а = dacr/ dT ~ (8 - 9) МПа/К при развитии МП под нагрузкой [1 - 3]. При этом в NiTiHfPd остается не изученной зависимость уровня прочностных свойств В2-аустенита от режима старения и не исследована возможность получения широкого интервала развития СЭ от комнатной температуры до высоких температур (473 - 573) К.
Таким образом, целью работы является исследование влияния старения на микроструктуру, закономерности развития термоупругих B2 - B19'МП под нагрузкой, прочностные свойства высокотемпературной В2-фазы, температурный интервал развития СЭ в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %), ориентированных вдоль [011]В2-направления при деформации сжатием.
Для получения широкого интервала развития СЭ в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) в настоящей работе предлагается, во-первых, использовать отжиг с последующей закалкой при более низкой температуре 1173 К, 3 ч по сравнению с отжигами при 1323 К, которые применяли ранее для сплавов NiTiHfPd [2, 3]. Эффективность отжига при 1173 К продемонстрирована на монокристаллах сплава Ni50.3Ti29.7Hf20(ат. %) [5, 7], где показано, что после отжига при 1173 К монокристаллы NiTiHf обладают низкими значениями а = (1ОСГ/ dT = 5.5 МПа/К и широким температурным интервалом проявления высокотемпературной СЭ ATSE~ 140 К. Во-вторых, предлагается сформировать состояние с высокими прочностными свойствами аустенита и широким температурным интервалом развития СЭ за счет выделения частиц Н-фазы меньшего размера, чем в работах [2, 3, 5], и выделения наночастиц Н'-фазы, которые дополнительно увеличивают прочностные характеристики [8], возникающих при старении при более низкой температуре - 773 К, 3 ч. В-третьих, для исследования выбраны монокристаллы, в которых в отличие от поликристаллов, изменением ориентации возможно управлять величиной деформации превращения etr, а, значит, и величиной а = (1ОСГ / dT ~ 1 / etr, согласно уравнению Клапейрона-Клаузиуса [9, 10]. Исходя из данных теоретических расчетов деформации превращения для сплавов NiTiHf, ожидается, что при развитии В2 - В19' МП под сжимающей нагрузкой в [011]-ориентации деформация превращения будет максимальна. Значит, значения а = (1ОСГ / dT ~ 1 / etrбудут минимальными в этой ориентации, по сравнению с другими.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи:
1) Провести расчеты деформации решетки при развитии B2 - B19'термоупругих МП под сжимающей нагрузкой на основе кристаллографической теории МП с целью выяснения ориентационной зависимости деформации превращения в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %);
2) Исследовать закономерности развития термоупругих МП под нагрузкой в закаленных (отжиг 1173 К, 3 ч с последующей закалкой в воду) монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %);
3) Аттестовать микроструктуру монокристаллов Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) в закаленном состоянии и после старения при 773 К, 3 ч в свободном состоянии и под нагрузкой;
4) Выяснить влияние старения при 773 К, 3 ч в свободном состоянии и под сжимающей нагрузкой на закономерности развития термоупругих В2 - В19' МП под нагрузкой, величину обратимой деформации, уровень критических напряжений образования мартенсита, интервал развития СЭ и прочностные свойства аустенита в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %).
Научная новизна исследования.
1. Впервые проведено исследование изменения уровня прочностных свойств
высокотемпературной В2-фазы (уровень ocrпри температуре Md) в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) в зависимости от режима термической обработки. Максимальные прочностные свойства высокотемпературной В2-фазы (ocr(Md) = 1775 МПа) достигаются в монокристаллах, состаренных при 773 К, 3 ч под сжимающей нагрузкой 150 МПа, приложенной вдоль [110]В2 направления.
2. Обнаружена СЭ в широких температурных интервалах 200 К (от 248 К до 448 К) и 225 К (от 223 К до 448 К) в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 (ат. %), состаренных соответственно при 773 К, 3 ч в свободном состоянии и под нагрузкой 150 МПа, приложенной вдоль [110]В2-направления, которые в 2 раза превышают ширину известных температурных интервалов развития СЭ в поли- и монокристаллах сплавов NiTiHfPd.
3. Экспериментально обнаружена бимодальная микроструктура, сформированная в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) при старении 773 К, 3 ч в свободном состоянии и под нагрузкой, и состоящая из дисперсных частиц H-фазы с размерами (17 ± 2) нм и H'-фазы с размерами (5 ± 2) нм (с общей объемной долей до 40 %), которые имеют отличную от В2-матрицы атомную структуру и не испытывают В2 - В19' МП.
4. Установлено, что старение монокристаллов Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) не меняет тип двойникования В19'-мартенсита (составное двойникование по (001)В19-), но изменяет морфологию мартенсита, который становится нанодисперсным и включает в себя частицы H- и H'-фаз. Выделение наноразмерных частиц вторичных фаз приводит к значительному уменьшению характеристических температур МП (на 45 К), упрочнению высокотемпературной В2-фазы (ocr(Md) возрастает в 1.5 раза) и способствуют увеличению коэффициента деформационного упрочнения при развитии МП под нагрузкой (с 0.5 ГПа до 14.6 ГПа), однако практически не изменяет величину термического и механического гистерезисов.
5. Впервые в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) экспериментально обнаружено уменьшение количества вариантов частиц Н-фазы до двух при проведении старения при 773 К, 3 ч под сжимающей нагрузкой 150 МПа, приложенной вдоль [110]В2-направления, по сравнению со старением при 773 К, 3 ч в свободном состоянии. Ориентированный рост частиц способствует увеличению прочностных свойств аустенита по сравнению со старением при 773 К, 3 ч в свободном состоянии и приводит к развитию СЭ в широком температурном интервале при величине критических напряжениях до 1700 МПа.
Практическая ценность работы. Установленные закономерности развития термоупругих МП под нагрузкой в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 (ат. %) при изменении режима термической обработки будут использованы для развития теории термоупругих МП в монокристаллах сплавов на основе NiTiHf(Pd). Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности их применения при разработке материалов с заданными параметрами: уровнем критических напряжений образования мартенсита ocrдо 2 ГПа, величиной механического гистерезиса До до ~ 500 МПа, температурным интервалом наблюдения высокотемпературной СЭ ДТСЭ до 225 К. Данная диссертационная работа выполнена в соответствии с программой НИР, проводимой по гранту Российского научного фонда № 14-29-00012 «Механизмы фазовых и структурных превращений в высокопрочных кристаллах сплавов на основе железа и никелида титана с обычным и магнитным эффектом памяти формы», 2014 - 2016 гг.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Экспериментально обнаруженные закономерности изменения температур МП, температурной зависимости критических напряжений образования В19'-мартенсита, морфологии В19'-мартенсита в состаренных при 773 К, 3 ч в свободном состоянии [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %), обусловленные выделением нанодисперсных частиц H- и H'-фазы, влияющих на химический состав матрицы, прочностные характеристики высокотемпературной фазы и величину запасенной упругой энергии.
2. Закономерности изменения температурной зависимости критических напряжений образования В19'-мартенсита, величины обратимой деформации, прочностных свойств высокотемпературной фазы, интервала развития СЭ в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) в зависимости от числа вариантов частиц Н-фазы, выделившихся при старении при 773 К, 3 ч в свободном состоянии и под сжимающей нагрузкой 150 МПа, приложенной вдоль [ 110]В2-направления.
3. Условия для наблюдения высокотемпературной СЭ в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) в широких температурных интервалах до ЛТСЭ = 225 К (от 223 К - 248 К до 448 К), которые достигаются за счет низких значений коэффициента а = docr/ dT = 6.0 МПа/К и высоких прочностных свойств высокотемпературной фазы (ocr(Md) = 1725 МПа - 1775 МПа) при ступенчатой термообработке, включающей отжиг при 1173 К, 3 ч с последующей закалкой в воду и старение при 773 К, 3 ч в свободном состоянии и под нагрузкой 150 МПа, приложенной вдоль [110]В2-направления.
Достоверность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается применением современных методов экспериментального исследования и всесторонним анализом полученных результатов на основе современных представлений физики пластичности и прочности, глубоким анализом литературных данных, согласованностью полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях: International conference on high-temperature shape memory alloys, 5-8 мая 2015 г., Кройт, Германия; XII Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», 21 - 24 апреля 2015 г., Томск; European Symposium on Martensitic Transformations (ESOMAT), 14 - 18 сентября 2015 г., Антверпен, Бельгия; XXI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 5 - 9 октября 2015 г., Томск; VI Всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии" 11 - 13 мая 2016 г., Томск; XV Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела «ФТТ - 2016», 18 - 20 мая 2016 г., Томск.
Купить

1. С использованием кристаллографической теории мартенситных превращений проведены расчеты деформации решетки при B2 - B19'превращениях под нагрузкой в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5(ат. %) при деформации сжатием и показано, что деформация решетки имеет максимальное значение 8.2 % вдоль [011]-направления и составляет 4.8 % - вдоль [ 111]-направления и 1.6 % - вдоль [001]-направления.
2. Экспериментальные значения обратимой деформации (srev= 2.3 %) в закаленных [011]-кристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5меньше теоретических значений деформации превращения 8.2 % более чем в 3.5 раза. Это может быть связано с взаимодействием различных вариантов кристаллов В19'-мартенсита напряжений и с высокой плотностью тонких ~ 5 нм составных двойников (001)В19-, что препятствует полному раздвойникованию и образованию монодомена В19'-мартенсита даже при высоких напряжениях (вплоть до 1700 МПа).
3. Старение при 773 К, 3 ч [011]-монокристаллов сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5в
свободном состоянии приводит к выделению 6 вариантов дисперсных частиц H-фазы с размерами (17 ± 2) нм и H'-фазы с размерами (5 ± 2) нм. Старение не меняет тип двойникования В19'-мартенсита (составное двойникование по (001)В19-), образующийся мартенсит является нанодисперсным и включает в себя мелкие частицы H- и H'-фаз.
4. Наличие в состаренных [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 частиц вторичных фаз, не испытывающих мартенситных превращений, практически не изменяет величины термического и механического гистерезисов, но способствует уменьшению характеристических температур мартенситных превращений, значительному упрочнению высокотемпературной В2-фазы (ocr(Md) возрастает в 1.5 раза), увеличению коэффициента деформационного упрочнения при развитии превращений под нагрузкой (с 0.5 ГПа до 14.6 ГПа), уменьшению величины обратимой деформации до 1.7 % +• 1.8 % по сравнению с закаленными кристаллами.
5. Показано, что сочетание низких значений а = docr/ dT = 6 МПа/К и высоких прочностных свойств высокотемпературной В2-фазы в состаренных при 773 К, 3 ч в свободном состоянии [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5создает условия для наблюдения высокотемпературной сверхэластичности в широком температурном интервале ЛТСЭ = 200 К (от 248 К до 448 К), что в 2 раза превышает интервал развития сверхэластичности в закаленных кристаллах.
6. Приложение внешних напряжений (150 МПа) в ходе старения при 773 К, 3 ч вдоль [011]В2 направления уменьшает количество вариантов частиц Н-фазы с шести до двух в [011]-монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5. Ориентированный рост дисперсных частиц в состаренных при 773 К, 3 ч под нагрузкой монокристаллах по сравнению с состаренными в свободном состоянии кристаллами способствует уменьшению температур мартенситных превращений под нагрузкой (на 10 К +• 25 К), увеличению прочностных свойств высокотемпературной В2-фазы (ocr(Md) увеличивается на 50 МПа), и приводит к развитию сверхэластичности при высоком уровне критических напряжений 1700 МПа в широком интервале температур ЛТСЭ = 225 К (от 223 К до 448 К).

Купить