Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ МЕДЬЮ И ЖЕЛЕЗОМ НА ТЕРМОУПРУГИЕ МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ НИКЕЛИДА ТИТАНА С ЭФФЕКТАМИ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Куранова Н.Н. 1 Окулов А.В. 1 Пушин А.В. 1 Пушин В.Г. 1, 2 Уксусников А.Н. 1
1 ФГБУН «Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук»
2 ФГАОУ ВПО я «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
В данной работе были изучены фазовые превращения, структура и свойства сплавов Ti-Ni, Ti-Ni-Fe, Ti-Ni-Cu. Исследования проводили методами измерений электросопротивления, упругих модулей, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, дифракции электронов и рентгеновских лучей. Обнаружено, что температуры мартенситного превращения легированных сплавов могут стать значительно ниже температурного интервала превращения в бинарных сплавах Ti50Ni50 и зависят от избыточного содержания по никелю относительно стехиометрического состава, концентрации железа или меди, замещающих никель. В тройных сплавах, легированных железом, термоупругое мартенситное превращение происходит ступенчато по схеме B2-R-B19’ или B2-R, а в легированных медью и железом по схеме B2-B19-B19’. Установлено, что B19 и B19’-мартенситы имеют преимущественную морфологию в виде иерархии пакетов попарно двойникованных тонких когерентных пластин нано- и субмикрокристаллических кристаллов с плоскими границами габитусов по (111) или (011)B19(B19’), тогда как R-мартенсит имеет плоскости двойникования по (101) и (100)R.
Мартенситные превращения
микроструктура
легирование
эффект памяти формы
физико-механические свойства
1. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. – Ленинград: ЛГУ, 1987. – 218 c.
2. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю., и др. Сплавы с эффектом памяти формы. – М.: Металлургия, 1990. – 224 с.
3. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. – Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 368 с.
4. Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Валиев Р.З. и др. Сплавы никелида титана с памятью формы. Ч. I. Структура, фазовые превращения и свойства. – Екатеринбург: УрО РАН, 2006. – 440 с.
5. Пушин В.Г., Коуров Н.И., Куранова Н.Н., Пушин А.В., Уксусников А.Н. Особенности структуры и фазовых превращений в тройных сплавах на основе TiNiFe, подвергнутых пластической деформации кручением под высоким давлением и термообработке // ФММ. – 2014. – Т. 115. № 4. – С. 391–405.
6. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: Структура и свойства. – М.: Наука, 1992. – 160 с.
7. Pushin V.G. Alloys with a Termomechanical Memory: structure, properties and application // PhMM. 2000. V. 90, Suppl. 1. P. 568–595.

Известно, что легирование третьими компонентами сплавов никелида титана путем замещения атомов никеля или титана, как правило, приводит к резкому снижению критических температур термоупругих мартенситных превращений (ТМП) и даже их полному подавлению и только небольшое количество химических элементов, образуя твердые растворы на основе В2-сверхструктуры, в частности медь, цирконий, палладий, гафний, платина, золото, оказывают противоположное действие на стабильность В2-аустенита данных сплавов [1–7]. Чрезвычайно перспективными в качестве промышленных материалов являются трехкомпонентные сплавы Ti-Ni-Cu [2, 3]. В них даже при концентрации меди до 25–35 ат. % имеют место ТМП и в достаточно заметной степени проявляются эффекты памяти формы (ЭПФ). Имеется ряд преимуществ данных сплавов на основе Ti-Ni-Cu: относительно слабая зависимость от содержания меди температур ТМП и ЭПФ; небольшая разность температур начала и конца прямого и обратного ТМП. Легирование Fe, Co или Mn, напротив, приводит к снижению критических температур и смене последовательности ТМП. Однако, комплексное легирование сплавов никелида титана химическими элементами, слабо или сильно влияющими на критические температуры, практически не изучено. В настоящей работе проведено сравнительное исследование влияния комплексного легирования медью и железом на устойчивость В2-аустенита и ТМП, а также физические свойства сплавов никелида титана.

Цель исследования

Комплексное изучение структуры, фазовых превращений и физических свойств сплавов на основе никелида титана, бинарных и тройных, легированных Cu и Fe.

Материалы и методы исследования

Сплавы прецизионного состава выплавляли методом электродуговой плавки в атмосфере очищенного аргона (таблица). Для гомогенизации их подвергали многократным переплавам (не менее трех раз) с последующим длительным отжигом в вакууме при температуре 1173 К. Исходными компонентами для изучаемых материалов служили высокочистые металлы (чистотой 99,98–99,99 %). Исследовали моно- и поликристаллические образцы (последние после закалки в воду). Рентгеноструктурный фазовый анализ (РСФА) проводили в медном излучении Cu Ka, монохроматизированном графитовым монокристаллом в УрФУ и ИФМ УрО РАН. Электросопротивление r(T) сплава измеряли потенциометрическим методом по схеме двойного моста в интервале температур от 100 до 1170 К. Электронно-микроскопические исследования на просвет в режимах светлого и темного полей выполняли на просвечивающих электронных микроскопах JEM-200CX и CM-30. Для идентификации фаз применяли метод микродифракции от выбранного участка. Аттестацию их химического состава и структуру массивных образцов, изучали на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200 Pegasus, оборудованном системой EDS. Применяли оборудование отдела электронной микроскопии ЦКП «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» ИФМ УрО РАН.

Результаты исследования и их обсуждение

Аттестацию химического состава всех изучаемых сплавов выполняли, используя рентгеновский энергодисперсионный спектрометр фирмы EDAX, которым оснащен СЭМ Quanta Pegasus. Была поставлена задача получить для исследования сплавы, максимально близкие к стехиометрии (таблица).

РСФА показал, что при комнатной температуре все сплавы находятся преимущественно в B2 аустенитном состоянии. По низкотемператуным рентгенодифрактометрическим данным был установлен фазовый состав и измерены параметры B2-аустенита и мартенсита сплавов.

kuranov1.tif

Рис. 1. Температурные зависимости электросопротивления сплавов Ti49Ni51 (кривая 1), Ti49,5Ni50,5 (кривая 2), Ti50Ni49Fe1 (кривая 3), Ti50Ni47Fe3 (кривая 4), Ti50Ni40Cu10 (кривая 5), Ti50Ni38Cu10 Fe2 (кривая 6)

Критические температуры ТМП в сплавах никелида титана

Сплав

Последовательность ТМП

Ms, K

Mf, K

M’s, K

M’f, K

As, K

Af, K

A’s, K

A’f, K

Ti49Ni51

B2-B19’-B2

195

150

210

220

Ti49,5Ni50,5

B2-R-B19’-B2

300

270

270

210

320

325

Ti50Ni49Fe1

B2-R-B19’-B2

310

290

280

245

260

320

Ti50Ni47Fe3

B2-R-B19’-R-B2

270

250

150

120

190

215

255

280

Ti50Ni40Cu10

B2-B19-B19’-B19-B2

330

300

230

150

185

235

310

345

Ti50Ni38Cu10Fe2

B2-B19-B19’-B19-B2

250

230

150

105

120

175

250

270

 

kuranov2.tif

Рис. 2. Температурные зависимости модулей упругости (в ГПа)

Как правило, в сплавах никелида титана для измерений критических температур начала (Ms, As) и конца (Mf, Af) прямого (Ms, Mf) и обратного (As, Af) ТМП наиболее часто используют температурные измерения электросопротивления r(T) [1–6]. Нами были выполнены измерения кривых r(T) в термоциклах «охлаждение – нагрев – охлаждение» для всех изучаемых сплавов, на которых отчетливо идентифицируются температурные «петли» r(T), соответствующие температурным гистерезисам ТМП (рис. 1). Критические температуры ТМП были определены по r(T) методом двух касательных. Они приведены в таблице.

Анализ показал, что по мере обогащения никелем относительно стехиометрического состава или легирования железом (1 и 3 ат. %), медью (10 ат. %) или медью (10 ат. %) и железом (2 at. %) все температуры ТМП снижаются в разной степени в зависимости от содержания легирующих добавок. При этом усложняется и последовательность ТМП: легирование железом вызывает образование промежуточного R-мартенсита, а легирование медью, напротив, промежуточного В19-мартенсита. Интересно, что дополнительное легирование железом в сплаве с медью, не изменив последовательности ТМП, привело лишь к пропорциональному снижению критических температур.

Измерение упругих констант на монокристаллах показало, что все изученные сплавы на основе никелида титана испытывают ярко выраженное предмартенситное квазиизотропное размягчение кристаллической решетки В2-аустенита, при котором все независимые модули C11, C44 и С’=(С11-С12)/2 испытывают практически одинаковое уменьшение при приближении к межкритическому интервалу температур ТМП (рис. 2) [3, 4].

Электронномикроскопическое изучение микроструктуры исследуемых квазибинарных сплавов показало следующее. В сплавах формируется преимущественно пакетная морфология попарно двойникованных мартенситных кристаллов (рис. 3–5). При этом общим для мартенситов R, B19 и B19’ является наличие тонких вторичных двойников I типа по различным системам сдвига, практически параллельным системе мягкого сдвига {011}<01kur02.wmf’ в В2-аустените, индивидуальным для каждого мартенсита (для R – по плоскостям {101} и {100}, для B19 и B19 по (111) или (011)). Особенность внутренней структуры кристаллов B19’ заключается в присутствии тонких вторичных составных нанодвойников и дефектов упаковки по (001)B19’ (рис. 3 и 5).

kuranov3a.tif kuranov3b.tif

Рис. 3. Электронномикроскопические изображения B19’-мартенсита сплава Ti50Ni50

 

kuranov4a.tif kuranov4b.tif

Рис. 4. Электронномикроскопические изображения R-мартенсита сплава Ti50Ni47Fe3

kuranov5a.tif kuranov5b.tif

kuranov5c.tif kuranov5d.tif

Рис. 5. Электронномикроскопические изображения мартенсита сплавов Ti50Ni40Cu10 (а, б) и Ti50Ni38Cu10Fe2 (в, г); B19 (а-в) и B19’(г)

При этом на электронограммах им отвечают острые тяжи по направлениям обратной решетки по [001]B19’. Нанодвойники типа (001)B19’, расположенные под углом к границам двойников в пакетах, выявляются, например, и на темнопольном изображении рис. 5 г. Необычной характерной особенностью внутренней структуры кристаллов R и B19 мартенсита является наличие антифазных доменов, визуализируемых на темнопольных электронномикроскопических изображениях по их границам (АФГ), см. рис. 4, б, 5, в. Очевидно, что столь высокая дефектность образующейся при ТМП тонкой структуры обусловливает возрастание электросопротивление в межкритическом интервале температур.

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований были измерены критические температуры ТМП в исследованных сплавах. Установлены особенности и различия пакетной микроструктуры попарно-двойникованных кристаллов мартенсита, системы двойникующего сдвига в которых наследуются от систем мягкого сдвига {011}<01kur03.wmf’ в В2-аустените. Измерены упругие модули. Установлена природа возрастания электросопротивления в сплавах никелида титана в межкритическом интервале температур.

Исследования выполнены по госзаданию ИФМ УрО РАН «Структура» при частичном финансировании за счет гранта №15-15-2-16 «Арктика».


Библиографическая ссылка

Куранова Н.Н., Окулов А.В., Пушин А.В., Пушин В.Г., Пушин В.Г., Уксусников А.Н. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ МЕДЬЮ И ЖЕЛЕЗОМ НА ТЕРМОУПРУГИЕ МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ НИКЕЛИДА ТИТАНА С ЭФФЕКТАМИ ПАМЯТИ ФОРМЫ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-3. – С. 422-426;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=7946 (дата обращения: 23.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252