ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОУПРУГИХ у-а’ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В МОНОКРИСТАЛЛАХ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА FeNiCoAlNb(B)

Введение 6
1 Теория мартенситных превращений 12
1.1 Основные закономерности мартенситного превращения 12
1.2 Термоупругие и нетермоупругие мартенситные превращения 14
1.3 Влияние внешних напряжений на мартенситные превращения 16
1.4 Термодинамика мартенситных превращений 17
1.5 Механизм эффекта памяти формы и сверхэластичности 22
1.6 Термоупругие мартенситные превращения в сплавах на основе железа 24
2 Методика эксперимента 29
3 Термоупругие у-а'-мартенситные превращения в монокристаллах FeNiCoAlNb(B)
и влияние бора на эффект памяти формы и сверхэластичность 33
3.1 Ориентационная зависимость механических и функциональных свойств
монокристаллов сплавов FeNiCoAlNb(B) 33
3.2 Влияние бора на функциональные свойства в монокристаллах FeNiCoAlNb(B)
при деформации растяжением 41
3.3 Асимметрия функциональных свойств монокристаллов сплавов
FeNiCoAlNb(B) при растяжении/сжатии 49
Заключение 57
Список использованной литературы 59
Купить

В настоящее время широкое распространение получают конструкционные материалы нового поколения, так называемые интеллектуальные материалы. К числу интеллектуальных материалов относятся материалы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Сплавы с ЭПФ обладают не только уникальными функциональными свойствами, но и имеют также хорошие конструкционные свойства, в частности, работая в условиях механической усталости, износа, эрозии. Хорошо известные сплавы на основе NiTi с ЭПФ не могут быть использованы в больших масштабах из-за высокой стоимости и будущее широкое практическое применение функциональных материалов в промышленности связано со сплавами на основе железа, испытывающими термоупругие мартенситные превращения (МП) с ЭПФ и сверхэластичностью (СЭ) [1 — 13]. Сплавы на основе железа обладают высокой прочностью, низкой стоимостью, высокой пластичностью, податливостью механической обработке и сварке, и дополнительно к этому могут выступать, как функциональные материалы. Благодаря этим свойствам сплавы на основе железа с ЭПФ и СЭ привлекли большой интерес исследователей.
Актуальность работы.
Сплавы на основе железа можно разделить на три группы по типу МП: 1) у-а'-МП (у - гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК), а'- объемноцентрированная тетрагональная решетка (ОЦТ)) наблюдается в сплавах FeNiC, FePd, FePt, FeNiCoTi и FeNiCoAlX (X = Ta, Nb, Ti) [1 - 11]; 2) у-е-МП (e - гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ)) наблюдается в сплавах FeMnSiX (X = Cr, Ni, CrNi) [14, 15]; 3) а-у'-МП (а - объемноцентрированная кубическая решетка (ОЦК))) наблюдается в сплавах FeMnAl, FeMnGa [16 - 18].
Сплавы на основе железа FeMnSiX (X = Cr, Ni), характеризующиеся у-е- МП уже находят свое практическое применение, например, в качестве рельсовых стыковых накладок и крановых рельс [19]. В неупорядоченных сплавах FeNiC, FePt наблюдается нетермоупругое у-а'-МП [10], следовательно, они не могут быть использованы как функциональные материалы, но нетермоупругое МП применяют для повышения прочностных свойств сплавов, что позволяет их использовать как конструкционные материалы. В работах Кокорина [2, 3] на сплаве FeNiCoTi было получено термоупругое у-а'-МП с ЭПФ за счет выделения дисперсных частиц упорядоченной у'-фазы. Частицы у'-фазы повышают уровень прочностных свойств высокотемпературной фазы, повышают тетрагональность а'-мартенсита, уменьшают величину термического гистерезиса AT, что приводит к термоупругому у-а'-МП с ЭПФ и СЭ [1, 20 — 27]. Позже в работе японских исследователей [1] на поликристаллах сплава FeNiCoAlTaB с острой текстурой <100>{035} была получена гигантская СЭ 13,5 %, что было достигнуто благодаря выделению частиц упорядоченной у'-фазы, <100>-текстуре и легированию бором.
Таким образом, сплавы на основе железа FeNiCoAlX (X = Ta, Nb, Ti) являются перспективными материалами благодаря сочетанию хороших механических и функциональных свойств: ЭПФ и СЭ.
В поликристаллах сплавов на основе железа FeNiCoAlX (X = Ta, Nb, Ti) при старении одновременно с частицами у'-фазы с L12структурой в теле зерна выделяется 0-фаза с В2-структурой по границам зерен [1, 6 — 8, 23]. Выделение частиц 0-фазы по границам зерен приводит к резкому снижению пластичности и к хрупкому разрушению материала, что делает невозможным исследование ЭПФ и СЭ. Для ее подавления поликристаллы легируют бором малой концентрации 0,05 ат. %. Бор сегрегирует по границам зерен, подавляет выделение 0-фазы по границам зерен и позволяет получать значительные по величине ЭПФ и СЭ. На рисунке 1.1 схематично представлен поликристалл с частицами у'- и 0-фаз без бора и поликристалл, легированный бором. В данных поликристаллах легирование бором позволяет получить СЭ при комнатной температуре от 5 % до 13,5 % [1, 7, 8]. Но до сих пор в литературе нет систематических исследований по влиянию бора на механические и функциональные свойства при у-а'-МП сплавах FeNiCoAlNb(B). Представляет интерес выяснить влияние в чистом виде бора на развитие термоупругих у-а'-МП в сплавах FeNiCoAlNb(B), для этого необходимы исследования на монокристаллах. Так как по сравнению с поликристаллами использование монокристаллов сплавов для исследований позволяет получить ряд преимуществ. Во-первых, в монокристаллах FeNiCoAlX (X = Ta, Nb, Ti) без бора и легированных бором [4 — 6, 26 — 27] в отсутствии границ зерен на ранних стадиях старения подавляется образование хрупкой 0-фазы.
Во-вторых, так как в монокристаллах отсутствуют границы зерен, поэтому монокристаллы с бором дают уникальную возможность в чистом виде исследовать влияния бора, частиц у'- и 0-фазы при распределении их во всем объеме кристалла на развитие термоупругих у-а'-МП. В-третьих, использование монокристаллов разных ориентаций позволяет проверить теоретические расчеты значения величины деформации решетки е0 для у-а'-МП при деформации растяжением и сжатием.
Целью магистерской диссертации является исследование влияния ориентации кристалла, легирования бором и способа деформации растяжение/сжатие на развитие термоупругих у-а'-мартенситных превращений под нагрузкой, эффект памяти формы, сверхэластичность в монокристаллах сплавов Fe-28 Ni-17 Co-11,5 Al-2,5 Nb, Fe-28 Ni-17 Co-11,5 Al-2,5 Nb-0,05 B (ат. %).
Исходя из вышесказанного, в настоящей работе для достижения поставленной цели ставились следующие задачи исследования:
1. Исследование влияния ориентации кристалла на уровень критических напряжений в широком температурном интервале, эффект памяти формы, сверхэластичность, термический и механический гистерезисы при термоупругих мартенситных превращениях для монокристаллов сплава FeNiCoAlNb(B) при деформации растяжением.
2. Исследование влияния бора на процессы старения и развитие термоупругих у-а'-мартенситных превращений в [001]- и [011]-монокристаллах FeNiCoAlNb(B) при деформации растяжением.
3. Исследование влияния способа деформации (растяжение/сжатие) на уровень критических напряжений в широком температурном интервале, эффект памяти формы, сверхэластичность, термический и механический гистерезисы при термоупругих мартенситных превращениях для монокристаллов сплава FeNiCoAlNb(B).
Научная новизна работы: на монокристаллах сплава FeNiCoAlNb и FeNiCoAlNbB впервые:
- Показано, что в однофазном состоянии после закалки температурная зависимость критических скалывающих ткр (Т) и осевых напряжений о0д(Т) кристаллов FeNiCoAlNb(B), ориентированных вдоль [001] и [011]-направления, имеют вид характерный для ГЦК-сплавов, не испытывающих МП под нагрузкой, и в однофазном состоянии наблюдается отклонение от закона Боаса-Шмида, а именно наблюдается ориентационная зависимость ткр(Т) и о0,1(Т), и [001]-кристаллы FeNiCoAlNb(B) характеризуются более высокими напряжениями о0;1 и ткр, по сравнению с [011]-кристаллами FeNiCoAlNb(B).
- Установлено, что при деформации растяжением наблюдается ориентационная зависимость ЭПФ, СЭ температурного интервала СЭ, механического и термического гистерезисов. В [001]-кристаллах FeNiCoAlNb(B), состаренных 973 К, 5 ч, наблюдается совершенная петля СЭ с узким механическим гистерезисом, и максимальная величина СЭ составляет еСЭ = 4,5 - 5,0 %. В [011]-кристаллах FeNiCoAlNb максимальная величина СЭ еСЭ = (1,5 ± 0,2) %, а в [011]-кристаллах FeNiCoAlNbB СЭ нет.
- Показано, что при одном размере частиц у'-фазы в кристаллах FeNiCoAlNb(B) бор не оказывает влияние на величину а = do0,1/dT, температуру Md, величину ЭПФ и СЭ, но влияет на механический и термический гистерезисы.
- Установлено, что наблюдается зависимость от способа деформации растяжение/сжатие величины а = do0,1/dT, кривых о0,1(Т), температурного интервала образования мартенсита под нагрузкой, величины ЭПФ, СЭ, термического и механического гистерезиса. При растяжении в [001]-кристаллах, состаренных 973 К, 3 ч, максимальная величины СЭ еСЭ = (5,0 ± 0,2) %, что оказывается меньше теоретической деформации решетки е0 = 8,7 % для у-а'-МП. При сжатии максимальная обратимая деформация в [001]-кристаллах составляет £ЭПФ + еСЭ = (13,5 ± 0,2) %, что оказывается близким к теоретической величине деформации решетки £0 = 15,5 % для у-а'-МП.
Научно-практическая значимость работы. Обнаруженные в кристаллах FeNiCoAlNb(B) закономерности влияния ориентации кристалла, частиц у'-фазы, легирование бором концентрацией 0,05 %, способа деформации растяжение/сжатие на термоупругие у-а'-МП, критические напряжения высокотемпературной фазы, величины ЭПФ и СЭ, температурного интервала СЭ, механического и термического гистерезисов могут быть использованы для развития нового подхода к объяснению развития термоупругих МП в сплавах на основе железа, что может применяться также для анализа свойств текстурированных поликристаллов данного сплава.
Полученные экспериментальные данные, представленные в настоящей работе, могут быть применены при проектировании и разработке новых сплавов с заданными функциональными свойствами.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментально установленные закономерности влияния ориентации кристалла (на примере [001]- и [011]-ориентаций) в сплавах Fe-28 Ni-17 Co-11,5 Al-2,5 Nb(-0,05 B) (ат. %) на уровень критических напряжений высокотемпературной фазы, температурный интервал образования мартенсита под нагрузкой, величину а = do0,1/dT, которая определяется деформацией сдвойникованной структуры мартенсита sCVP. Выясненные закономерности увеличения механического гистерезиса в кристаллах [011]- ориентации, по сравнению с кристаллами [001]-ориентации, обусловленные влиянием деформации раздвойникованием £detw, при деформации растяжением.
2. Экспериментально обнаруженное влияние легирования бором концентрацией 0,05 ат. % на термоупругое у-а'-мартенситное превращение: замедление процессов старения, уменьшение температур мартенситных превращений и сдвиг кривых о0,1(Т) в область низких температур при деформации растяжением. При одном размере частиц у'-фазы в кристаллах FeNiCoAlNb и FeNiCoAlNbB экспериментально установленное отсутствие влияния бора на величину эффекта памяти формы, сверхэластичности и увеличение термического и механического гистерезисов, связанное с влиянием бора на сопротивление движения межфазных и двойниковых границ при мартенситном превращении под нагрузкой.
3. Экспериментально обнаруженные закономерности влияния способа деформации (растяжение/сжатие) в сплавах FeNiCoAlNb на величину а = do0j/dT, которая определяется деформацией сдвойникованной структуры мартенсита £CVP, эффекта памяти формы, сверхэластичности, термического и механического гистерезисов. Условия наблюдения (температура испытания 203 К, размер частиц у'-фазы 4 - 6 нм, sdetwФ 0, деформация сжатием) большой обратимой деформации £обр = (13,5 ± 0,2) % в монокристаллах сплава FeNiCoAlNb.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных и всероссийских конференциях: XIII-XIV Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2016-2017), V Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2016), LVIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Пермь, 2017), IV Mеждународной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2017), Двадцать четвертой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Томск, 2018), XVI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (Томск, 2018).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 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, 6 статей в сборниках трудов и материалов международных и всероссийских научных конференций.

Купить