Научная статья на тему 'Фазовые переходы в сплавах никелида титана с эффектом памяти формы'

Фазовые переходы в сплавах никелида титана с эффектом памяти формы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
808
460
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИСТЕРЕЗИС / МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ / ПАМЯТЬ ФОРМЫ / АУСТЕНИТ / HYSTERESIS / MARTENSITIC TRANSFORMATIONS / SHAPE MEMORY / AUSTENITE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Хусаинов М.А., Малухина О.А., Андреев В.А.

Проведен анализ физических и механических свойств сплавов TiNi с памятью формы по результатам экспериментальных исследований гистерезисов мартенситных превращений. Установлено, что сплав Ti-50,0ат.%Ni является наиболее предпочтительным для изготовления сферических сегментов с температурой взрывного восстановления формы T = 80-100°С.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Хусаинов М.А., Малухина О.А., Андреев В.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PHASE TRANSITIONS IN TITANIUM-NICKELIDE SHAPE MEMORY ALLOYS

The authors carried out the analysis of physical and mechanical propeties of TiNI shape memory allows based on some experimental investigations of hysteresises of martensitic transformations. It is established that equiatomic TiNi alloy is more appropriate for designing spherical segments with the temperature of explosive shape recovery T = 80-100°С.

Текст научной работы на тему «Фазовые переходы в сплавах никелида титана с эффектом памяти формы»

УДК 669.018.2

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СПЛАВАХ НИКЕЛИДА ТИТАНА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

М.А.Хусаинов, О.А.Малухина, В.А.Андреев

PHASE TRANSITIONS IN TITANIUM-NICKELIDE SHAPE MEMORY ALLOYS

M.A.Khusainov, O.A.Malukhina, V.A.Andreev

Политехнический институт НовГУ, Mikhail.Khusainov@novsu.ru

Проведен анализ физических и механических свойств сплавов TiNi с памятью формы по результатам экспериментальных исследований гистерезисов мартенситных превращений. Установлено, что сплав ^-50,0ат.%№ является наиболее предпочтительным для изготовления сферических сегментов с температурой взрывного восстановления формы T = 80-100°С.

Ключевые слова: гистерезис, мартенситные превращения, память формы, аустенит

The authors carried out the analysis of physical and mechanical propeties of TiNI shape memory allows based on some experimental investigations of hysteresises of martensitic transformations. It is established that equiatomic TiNi alloy is more appropriate for designing spherical segments with the temperature of explosive shape recovery T = 80-100°С. Keywords: hysteresis, martensitic transformations, shape memory, austenite

Известно, что сплавы, обладающие свойствами памяти формы, могут использоваться в качестве активных элементов при создании различного рода устройств и механизмов, функционирующих в температурно-силовых и деформационных режимах [1].

Данная работа посвящена исследованию функциональных свойств сферического сегмента из сплавов никелида титана.

Для изготовления сферических сегментов использовались сплавы никелида титана трех составов: эквиатомного Ть50,0 ат.%№, обогащенного никелем ТЦ50,35-50,4) ат.%№ и Ть49,5 ат.%№ с избытком титана, резко отличающегося по структуре и механическому поведению.

В,%_

JMf As ^s=53°C Mf=44°C Ag=80°C Af =99°C iT=41°C

у

Щ Af\ t 1

■ ■ 1 1

40 60 80 100 120 т°с

Рис.1. Термомеханический гистерезис и температуры МП сплава ^-50 ат.% № при о = 120 МПа после отжига 500°С 30 мин

На рис.1 приводится термомеханический гистерезис сплава Ть50 ат.%№, свидетельствующий о обратимости мартенситного превращения (МП).

Кривые дифференциальной сканирующей калориметрии, показанные на рисунке 2, свидетельствуют о снижении температур мартенситных превращений в среднем на 24°С от данных термомеханического гистерезиса. Такое различие с рисунком 1 связывается с зарождением и ростом мар-тенситных кристаллов при увеличении нагрузки [2].

-0-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1 Q

0 20 40 60 80 100 Т С

Рис.2. DSC кривые сплава TiNi эквиатомного состава после отжига 500°С 30 мин

Видно, что при охлаждении образца деформация эффекта памяти формы, инициируемая пластичностью прямого мартенситного превращения, начинает возрастать при температуре Ms и завер-

шается процесс при температуре Му. Обратное превращение, развивающееся на этапе нагрева от Му до Ау, приводит к восстановлению деформации. Итак, при охлаждении последовательность мар-тенситного превращения В2—В19', а при нагреве — В19'—^ В2. Неупругое поведение сплава Ть50,0 ат.%№ при мартенситном превращении В2^В19' характеризуется большой обратимой деформацией (6-8%) [3].

В сплавах с избыточной концентрацией никеля, по отношению к титану после отжига 500°С 30 мин происходит гомогенный распад с выделением когерентных частиц Т^№4 [4]. Выделения Т^№4 имеют линзовидную форму. Их длина, по данным, около 50 нм. Показано, что растущие выделения Т^№4 по мере увеличения в размерах до 150-300 нм теряют когерентность. Это обстоятельство способствует гетерогенному зарождению ромбоэдрической R-фазы мартенсита в процессе прямого мартенситного превращения (рис.3).

Рис.3. Термомеханический гистерезис мартенситного превращения сплава обогащенного никелем, после отжига 500°С 30 мин

Из рис.3 следует, что прямое мартенситное превращение в данном сплаве проходит в две стадии В2—R и R—B19'. Промежуточная R-фаза мартенсита зарождается при температуре, близкой к 300°С. Нами показано [5], что изотермический отжиг при температуре 500°С приводит к образованию R-мартенсита и одновременному выделению частиц, богатых никелем, в виде Т^№4. По данным работы [6], зародыши R-мартенсита и частицы Т^№4 возникают и растут согласовано. Доказательством наличия R-фазы в сегментах из сплава Ть50,4ат.%№ после отжига 500°С является дифрактограмма (рис.4), снятая на рентгеновском дифрактометре ДР0Н-2.0 в СоКа излучении.

Рис.4. Дифрактограмма сплава ^-50,4ат.%№ после отжига при 500°С 30 мин

Появление R-фазы фиксировалось по ушире-нию и расщеплению дифракционных отражений (110) В2-аустенита, в углах дифракции 2© = 49-50 градусов. Расщепление линии (110) В2-фазы свидетельствует о некотором количестве R-мартенсита в данном сплаве. Следовательно, реализуется мартен-ситный переход В2—R, в котором наблюдается полное восстановление формы. B2—R превращение под напряжением сопровождается макроскопической деформацией и явлением памяти формы. Второй переход R—B19' завершает мартенситное превращение. Таким образом, при наличии R-фазы мартенсита прямое МП происходит в две стадии: B2—R и R—19'.

Опыты по реализации эффекта памяти формы показали высокую обратимость деформации в сплавах Т№ с R-фазой.

Гистерезис МП сплава Т№ с избытком титана Ть49,5 ат.%№ отличается смещением петли к более высоким температурам мартенситных превращений (рис.5) и выделением мелкодисперсных частиц Т^№, близких к сферической форме с кубической гранецентрированной решеткой [7], имеющей ориентационную взаимосвязь с В2-фазой, когерентно связанную в поле действия деформации. Данное обстоятельство способствует упрочнению сплава.

Рис.5. Термомеханический гистерезис МП сплава ^-49,5ат.%№ после отжига при 500°С 30 мин

Идентифицировать фазу достаточно

сложно, поскольку кислородсодержащее соединение Тц№20 имеет одинаковый тип кристаллической структуры и близкий параметр [7]. Следует учесть, что образование Тц№20 возможно даже при незначительном содержании кислорода. Следовательно, загрязнение сплавов кислородом неизбежно вызывает выделения частиц Т^№, не испытывающих МП, ухудшает свойства памяти формы.

Механические свойства сплавов никелида титана после отжига 500°С 30 мин определялись на разрывной машине Р-0,5. Основные характеристики механических свойств — фазовый предел текучести (стф) и предел прочности (ств), а также температуры начала и окончания обратного мартенситного превращения (АЛ Ау) — приведены в таблице.

Механические свойства сплавов никелида титана (отжиг 500°С, 30 мин)

Состав сплава СТф, МПа СТв, МПа е,% Т-ры МП,°С %

As Af

Ть50,0ат.%№ 180 1200 50 80 99 5,5

Ть50,4ат.%№ 100 1100 60 39 46 5,6

Ть49,5ат.%№ 100 720 42 98 112 1,25

Выводы

Анализ физических и механических свойств сплавов никелида титана позволяет выбрать сорт сплава для конструктивных элементов исходя из указанных свойств. В частности, сплав эквиа-

томного состава является наиболее предпочтительным для изготовления сферических сегментов с температурой взрывного восстановления формы 80-100°С. Сплав, обогащенный никелем, мало уступает эквиатомному составу Т№, но имеет преимущества в расширении диапазона для температуры взрывного скачка путем изменения содержания никеля в сплаве Уровень силовых характеристик сферических сегментов из этих сплавов высокий и мало различается при составе Ti-(50,3—50,4) ат.%№ от сплава Т№ эквиатомного состава. Сплав TiNi с избытком титана отличается от рассмотренных низким показателем эффекта памяти формы и других механических свойств.

Лихачев В.А. и др. Материалы с эффектом памяти формы: Справочное издание. СПб, 1998. 267 с. Блантер Н.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали. М.: Металлургиздат, 1962. С.115-117.

Хачин В.Н. Мартенситная неупругость сплавов // Известия вузов. Физика. 1985. №5. С.70-71. Michuta J., Somsen Ch., Yamny A. et al. Elementary marten-sitic transformation processes in Ni-rich NiTi single crystals with Ni4Ti3 presipitates // Acta materialia. 2006. V.54. P.3525-3542.

Хусаинов М.А., Малухина О.А., Андреев В.А. Влияние импульсного нагрева на структуру и функциональные свойства никелида титана с эффектом памяти формы // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. №2(716). С.22-27.

Лотков А.И., Гришков В.И. Никелид титана, кристаллическая структура и фазовые превращения // Известия вузов. Физика. Т.5. 1985. С.83-85.

Журавлев В.Н., Пущин В.Г. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. Екатеринбург, 2000. С.12-15.

Хачин В.Н., Пущин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: структура и свойства. М.: Наука, 1992. С.18-20.

Зельдевич В.И., Хомская И.В., Фролова И.Ю., Сбитнева Г.А. О зарождении R-мартенсита в никелиде титана // Физика металлов и металловедение. 2001. Т.92. №5. С.71-76.

References

Likhachev V.A. i dr. Materialy s effektom pamiati formy. Spravochnoe izdanie [Shape memory materials. Reference work]. St. Petersburg, 1998. 267 p.

Blanter N.E. Fazovye prevrashcheniia pri termicheskoi obrabotke stali [Phase transformations in thermal treatment of steel]. Moscow, "Metallurgizdat", 1962, pp. 115117.

Khachin V.N. Martensitnaia neuprugost' splavov [Marten-sitic inelasticity of alloys]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika - Russian Physics Journal, 1985, no. 5, pp. 70-71.

Michuta J., Somsen Ch., Yamny A., Dlouhg A., Eggler G. Elementary martensitic transformation processes in Ni-rich NiTi single crystals with Ni4Ti3 presipitates. Acta materialia, 2006, vol. 54, iss. 13, pp. 3525-3542.

Khusainov M.A., Malukhina O.A., Andreev V.A. Vliianie impul'snogo nagreva na strukturu i funktsional'nye svoistva nikelida titana s effektom pamiati formy [Effect of pulsed heating on the structure and functional properties of shape-

2

3

4.

5

6

7.

8

9

2

3

4

5

memory titanium nickelide]. Metallovedenie i termicheskaia obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment, 2015, no. 2(716), pp. 22-27.

6. Lotkov A.I., Grishkov V.I. Nikelid titana, kristallicheskaia struktura i fazovye prevrashcheniia [Titanium nickelode, crystalline structure, and phase transitions]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika - Russian Physics Journal, 1985, vol. 5, pp. 83-85.

7. Zhuravlev V.N., Pushchin V.G. Splavy s termomekhani-cheskoi pamiat'iu i ikh primenenie v meditsine [Thermal

shape memory alloys and their application]. Ekaterinburg,

2000, pp. 12-15.

8. Khachin V.N., Pushchin V.G., Kondrat'ev V.V. Nikelid titana: struktura i svoistva [Tutanium nickelide: structure and properties]. Moscow, "Nauka" Publ., 1992, pp. 18-20.

9. Zel'dovich V.I., Khomskaia I.V., Frolova I.Iu., Sbitneva G.A. O zarozhdenii R-martensita v nikelide titana [Nucleation of the R martensite in titanium nickelide]. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography,

2001, vol. 92, no. 5, pp. 490-495.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.