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

ВВЕДЕНИЕ 3
1 Общие сведения о B2 - B19' мартенситных превращениях 9
1.1 Кристаллография B2 - B19'мартенситных превращений в сплавах
NiTiHfPd 9
1.2 Закономерности развития эффекта памяти формы и сверхэластичности при B2
- B19'мартенситных превращениях в сплавах NiTiHfPd 18
1.3 Влияние термических обработок на микроструктуру сплавов NiTiHfPd и
закономерности развития B2 - B19'мартенситных превращений 24
2 Методика работы 32
3 Закономерности развития термоупругих B2 - B19'мартенситных превращений в закаленных и состаренных в свободном состоянии и под нагрузкой монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 35
3.1 Расчеты деформации решетки термоупругих B2 - B19'мартенситных
превращений в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 35
3.2 Влияние старения в свободном состоянии и под нагрузкой на закономерности
развития термоупругих B2 - B19'мартенситных превращений под нагрузкой в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 36
3.2.1 Аттестация микроструктуры состаренных [011]-монокристаллов сплава
Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 36
3.2.2 Эффект памяти формы и сверхэластичность в закаленных и
состаренных монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 42
3.2.3 Величина обратимой деформации в закаленных и состаренных
монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 46
3.2.4 Зависимость характеристических температур B2 - B19'мартенситных
превращений от структурного состояния монокристаллов 50
3.2.5 Особенности развития термоупругих B2 - B19'мартенситных
превращений под нагрузкой в закаленных монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 53
3.2.6 Влияние нагрузки, приложенной в ходе старения, на закономерности
развития B2 - B19'термоупругих мартенситных превращений под нагрузкой в монокристаллах сплава Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 56
ВЫВОДЫ 59
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 61

Купить

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