CC BY
187
УДК 669.017:539.4:621
Е. А. ПРОКОФЬЕВ
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ СПЛАВОВ Ti-Ni, ПОЛУЧЕННЫХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ
Представлены результаты исследований микроструктуры и физико-механических свойства ультра-мелкозернистых (УМЗ) сплавов Ть№, полученных интенсивной пластической деформацией (ИПД). Интенсивная пластическая деформация кручением; равноканальное угловое прессование; высокая прочность; функциональные свойства
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы Ть№ выделяются среди материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) повышенной прочностью и пластичностью, хорошим комплексом эксплуатационных свойств: значительными долговечностью, коррозионной стойкостью, биосовместимостью и т. д. [1, 2,]. Все это открывает возможности
, , -
роко в медицине [3].
,
,-
,-
торыми обладают сплавы Ть№ в обычном крупнозернистом состоянии, является недостаточным. Вме-
-
- , -
-
ционно-термической обработки, позволяющие получать различные типы структур [4].
-
-вов открывает получение ультрамелкозернистой ( ) -ской деформации (ИПД) [5].
Из известных методов ИПД наиболее широко
-
тенсивная пластическая деформация кручением ()
( ). -
гом и позволяют осуществлять большие деформации (е > 6-8) без разрушения заготовок.
УМЗ материалы (нанокристаллические (НК) и
( )),
,-
,-
ностей (внутренними напряжениями, микроискаже-
,,
),
материалов [5, 6]. Через управление структурой УМЗ материалов удается достигать сочетания высокой прочности и пластичности [7], что открывает путь к
-
сокими усталостными характеристиками [8].
-
робно исследованы взаимосвязь УМЗ структуры с
-
таллах и однофазных сплавах на их основе [5, 6]. Ведутся исследования по применению ИПД для получения УМЗ структур в труднодеформируемых
,
актуальной задачей [9, 10], имеющей большое науч.
Известно, что сплавы Ti-Ni при достижении
-
[11-13], ,
под давлением (или ИПДК) [11]. Вместе с тем боль-
-
,
,
.
Весьма важной задачей является также изучение эволюции структуры сплавов Ti-Ni при РКУП, ее
,
-
механических свойств при переходе материала к .
В связи с этим целью настоящей работы явилось
-
,
,
-
циональными характеристиками сплавов Ti-Ni с .
1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
-
ны застехиометрические сплавы Ti49,8Ni502 и Ti494Ni506, что было обусловлено их температурами
,-пературе человеческого тела и дают возможность
.
-
ны два застехиометрических сплава: Ti49,8Ni502 и Ti49 4Ni50 6. Основной объем исследований проводился на сплаве Ti498Ni502, российского производства (НТЦ «МАТЭКС», Москва), а второй сплав Ti494Ni506, производства США («Intrinsic Devices»,
- ), -,-
,-
.
являются «медицинскими» и, несмотря на немного
разный номинальный состав, имеют близ кие температуры мартенситных превращений и близкое де-
-
турных областях. Для гомогенизации сплавов и фор,
также устранения термомеханической предыстории прутки (0 20 мм) подвергли нагреву в печи на воздухе, выдержке при 800оС в течение 1 ч и закалке в . , -ве исходной, размер зерна аустенитной фазы (В2) составлял 50 мкм.
ИПДК выполнялось при комнатной температуре и давлении 7,6 ГПа. Образцы перед деформацией имели размеры: диаметр - 10 мм, толщина 0,45 мм, число оборотов варьировалось от 0,5 до 10. Деформирование проводили на установке «СРУДЖ-60» в .
Для РКУП использовался гидравлический пресс
,-
.
цилиндрические заготовки с размерами 0 20*110 мм. Температура деформации, угол пере-
(
за один проход - £), количество проходов (общая наколенная деформация - eN) применительно к сплавам Ti-Ni определялись в ходе экспериментальных (-ны совместно с канд. техн. наук Г. И. Рабом, ИФПМ ). -
-( на 90° вокруг свой оси).
-
Ti-Ni -
дена на микроскопах JEM-100B и Philips CM-200.
-
-
метров не менее 150 зерен по светло- и тем но пол ь-.
-
-
-4 -
лучении CuKa.
-
нием плоских микрообразцов с рабочим сечением
Н
А
100 пт
0,25x1,0 мм и расчетной длиной 3 мм при комнатной температуре и скорости деформации 3х10"4 с"1. Испытания проводили на специализированной горизоьъ ,
УГАТУ. Характеристики прочности (фазовый и
дислокационный &т пределы текучести и предел прочности ав) и пластичности (относительное удлинение 5) определяли то диаграмме растяжения.
-
(-. . . -
, ( . )).
-
/ тах\
цию (£ ) определяли как максимальную £, ПРИ
которой ££=1 (с точностью 0,2%), где £ - наведен.
толщиной 0,6 мм изгиба и вокруг оправок различного заданного диаметра при температуре около 0°С, затем после упругой разгрузки находили £, после ,
.
,-
тем измеряли остаточную деформацию £ и вычисляли обратимую деформацию £=£-£
Максимальное реактивное напряжение (стгтах) определяли на образцах с размером рабочей части 0,6х0,8х20 мм, которые деформировали растяжением на разрывной машине при комнатной температуре до наведенной деформации £) 10% и затем нагревали до момента генерации максимального реактивного .
Измерения функциональных свойств проведены ( . ) . . . -.
2. ПОЛУЧЕНИЕ УМЗ СТРУКТУРЫ МЕТОДАМИ ИПД И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ В СПЛАВАХ Т1-№
--
фические исследования сплава Т149,4№50,6 после
-
( ) . ,
расположенном на середине радиуса образца после ИПДК (рис. 1,д), присутствуют одновременно
Рис. 1. Микроструктура с плава Ti49,4Ni50,6: а - после ИПДК (5 оборотов), б - после ИПДК (5 оборотов) и отжига 500°С, 1 ч
аморфные и нанокристаллические области в соотношении примерно 50:50%. Размер зерна в НК области составляет около 10 нм [14, 15]. В настоящее время все большее значение приобретают.
При этом аморфная фаза сохраняется в сплаве Т1494№506, подвергнутом ИПДК вплоть до температур отжига 200°С. При более высоких температурах отжига происходит нанокристаллизация аморфной фазы деформированного сплава После часового отжига при 500°С (рис. 1,6) структура является нанок-ристаллической со средним размером зерен 80 нм [16].
-
стные свойства (^ до 2500 МПа), но разрушались хрупко, с пластичностью близкой к нулю. Дополни-
200° , -
,
появление некоторой пластичности (~5%), а предел
(
2600 МПа) [17].
Наиболее важным параметром РКУП является температура деформирования. Для определения воз-
-
настках были проведены модельные испытания на осадку сплава Т1498№502 при разных температурах. Была установлена зависимость напряжений течения материала от температуры прессования. Исследова-
,
400...500°С наблюдается снижение напряжения те-
в
,-
плуатации экспериментальной оснастки. Повышение 500° -
( 550° ).
Вторым важным параметром РКУП является угол пересечения каналов оснастки. Установлено, 110°
цельных заготовок со значительной накопленной деформации.
Наиболее рациональным режимом является РКУП при 450°С, 8 проходов, так как позволяет ста-
-
-
механических свойств.
Эволюция структуры сплава Т1498№502 при
-
450°
стадий (рис. 2) [18]. После 1 прохода сдвиговая де-
-
-
ентировками и повышенной плотностью дислокаций. Вследствие фрагментации зерен размер структурных
0,6 . 4 -
,, образуется в основном равноосная субзеренная структура с малоугловыми границами и средним 0,46 .
8
0,28
Рис. 2. Микроструктура с плава Т1498№502 после РКУП при 450°С: а - 1 прохо д (£=0,8), б - 4 прохода (£=3,2), в - 8 прохода (£=6,4), г - 12 проходов (£=9,6)
Рис. 3. Зависимость размера зерна (1) и доли мелких зерен (2) сплава Т1498№502 от общей степени деформации РКУП
преимущественно большеугловыми граница-
ми (рис. 3, кривая 1).
12
структуре сплава растет доля зерен с размером <0,25мкм, (рис. 3, кривая 2). Предполагается, что
-
,
.
Резкое увеличение доли таких зерен (до 41%) на,-
.
Структура сплава после РКУП (450°С, 8 прохо-
)
500°С. Часовой отжиг при температуре 550°С приводит к увеличению размера зерен до 0,58 мкм и
-
.
600°С приводит к интенсивному росту зерна до 3,4 мкм и переход сплава в мелкозернистое состояние [18].
3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ УМЗ СПЛАВОВ Т1-М, ПОЛУЧЕННЫХ РКУП
С увеличением количества проходов заметно
()
сплава Т1498№502 (рис. 4). Наибольшее повышение
12
450° . ,
, 2,3
1360 МПа, а од - 1410 МПа, что выше на 32%. Относительное удлинение немного увеличивается после ,
почти до 20% после двенадцатого прохода [18].
С увеличением числа проходов вид кривых «растяжение-деформация» кардинально изменяется
(рис. 5). При этом ат возрастает сильнее, чем ав, и к 12
50 МПа.
8-
бого деформационного упрочнения; появляется, уча,
шейки. После 12 проходов (£N=9,6) кривая «напря-
- » -
,
,-
явлением участка локализации деформации перед .
Рис. 4. Зависимость механических свойств сплава Т1498№502 от общей степени деформации РКУП при 450°С: 1 - от, 2 - ов, 3 - 8
1400
1200
1000
800
600
400
200
12 проходов
8 проходов
4 прохода
^I проход
^ Исходное
/
20 40
Деформация, 1
60
Рис. 5. Инженерные кривые «напряжение»
^49,8^50,2 после РКУП при 450°С и разном количестве проходов
4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА УМЗ СПЛАВОВ Т1-М
,
,-
,
сплаве Т149,4№50,6, полученном ИПД, отсутствуют, что связано с отсутствием кристаллической фазы В2. После дополнительных отжигов в отдельных зернах размером более 20 нм появляется мартенситное превращение В2^К даже при наличии окружающей аморфной матрицы. Превращение Я^В19’ начинается в сплаве при размере зерна 50 нм и более, а температура превращения в В19’ повышается с ростом размера зерна от криогенных при зерне 50 нм, до комнатных в КЗ состоянии [19].
-
стью обратимая деформация (£■”“) сначала возрастает, достигая максимального значения 9% после 4 проходов (£=3,2), а затем несколько уменьшается 8-7,5%. , -
мальное увеличение £гтах составляет 50% (после 4 ),
(8-12 проходов) - 25-30% (рис. 6).
Максимальное реактивное напряжение огтас не,
достигая максимума после 12 проходов (£=9,6).
-
ставляет 1120 МПа, что более чем в два раза превышает уровень КЗ состояния [18, 20].
Отжиг сплава Т149,8№50,2 после РКУП при 450°С, 8 проходов при температурах 450-500°С приводит к высоким значениям £гтах, сопоставимым с получае-
-
шающим их. Так, после РКУП при 450°С, 8 проходов, и после дополнительного отжига при 450°С £гтас 8,2%, 500° - 9%.
-
жение огтас в сплаве Т1498№502 после РКУП при
Рис. 6. Зависимости максимальной полностью
обратимой деформации £гтсах (1) и максимального реактивного напряжения <ггтах (2) сплава Ті49>8№50>2 от общей степени деформации РКУП при450°С
450°С, 8 проходов и отжига существенно снижается по сравнению с РКУП: до 730 МПа и 550 МПа после отжига при 450 и 500°С соответственно [18].
-
ширению температурного интервала проявления .-пературы Лу с одной стороны, и повышением макси-
-
пряжения (М,°), вследствие увеличения предела те,.
практического использования результатом является обнаружение сверхупругости в РКУП сплаве при .
-
ском применении сплавов ТьМ продемонстрировано
-
,
,-
-
.-
,.
,
Ть№ обладает рядом преимуществ, повышающих их
:-
-
.
ВЫВОДЫ
1. -
чением под давлением при комнатной температуре в сплаве Т1494№506 формируется смешанная аморфно,
.
фаза термически стабильна при нагреве до 200°С. Дальнейшее повышение температуры приводит к
.-
тенситные превращения в аморфном сплаве после ;-гов восстанавливается превращение В2^К (при 20 нм), а К^В19’(щт 50 нм и более).
2. В процессе РКУП сплава Т1498№502 с первого до двенадцатого прохода происходит непрерывное
-
,-
вой, фрагментированной (после первого) к субзерен-( ) (
). -0,27-0,28 -
сле восьмого прохода по механизму динамической рекристаллизации с образованием мелких ( 0,25 ) .
3.
приводит к повышению прочностных характеристик сплавов Ть№: максимальные <г7=1360 МПа и
о/=1410 МПа при сохранении удовлетворительной пластичности (¿=23%) в сплаве Т1498№502 достига-12 450° .
4.
РКУП в сплаве Т149 8№50 2 изменяет функциональные :
деформация (£rmm:) увеличивается до значения 9,5%,
аг возрастает до 1120 МПа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Материалы с эффектом памяти формы: отрав. изд./под ред. В. А. Лихачева в 4 т. СПб.: НИИХ СПбГУ.
1998.
2. Shape Memory Materials. Ed. by K. Otsuka and
C. M. Wayman. Cambridge: Cambridge University Press.
1999. 284 p.
3. Гюнтер, В. Э. Эффекты памяти формы и их применение в медицине / В. Э. Гюнтер, В. И. Итин, Л. А. Монасевич. Новосибирск: Наука, 1992. 742 с.
4. Shape Memory Alloys: Fundamentals, Modeling and Applications / Ed. by: V. Brailovski, S. Prokoshkin, P. Terri-ault and F. Trochu. Montreal: École de technologie supérieure (ETS), Université du Québec, CANADA, 2003. 851 p.
5. , . . , -
/
P. 3. Валиев, И. В. Александров. М.: Логос. 2000. 272 с.
6. Valiev, R. Z. Bulk nanostuctured materials from severe plastic deformation / R. Z. Valiev, R. K. Islamgaliev, I. V. Alexandrov//Progr. Mat. Sci. 2000. 45 (2). P. 103-189.
7. , . .
деформации металлов / P. 3. Валиев, И. В. Александров // Доклады Академии наук. 2001. Т. 380. №1. С. 34-37.
8. Vinogradov, A. Cyclic response of ultrafine- grained copper at constant plastic strain amplitude / A. Vinogradov, Y. Kaneko, K. Kitagawa, S. Hashimoto, V. Stolyarov, R. Valiev // Scr. Material. 36. 11. 1997. P. 1345-1351.
9. Stolyarov, V. V. High coercive states in Pr-Fe-B-Cu alloy processed by equal channel angular pressing / V. V. Stolyarov, D. V. Gunderov, A. G. Popov, T. Z. Puz-anova, G. I. Raab, A.R. Yavari, R.Z. Valiev // JMMM. V. 242245 (2002). P. 1399-1401.
10. , . . -лового прессования для получения ультрамелкозернисгых материалов: автореф. дисс. канд. техн. наук / Г. И. Рааб.
, 2000. 23 c.
11. , . .
TiNi / . . -
янин, В. Г. Курдюмов, В. Б. Федоров // ФММ. 1986. Т. 62. 1. C. 133-137.
12. Koike, J. Crystal-to-amorphous transformation of TiNi induced by cold rolling / J. Koike, D.M. Parkin, M. Nas-tasi // J Mater. Res. 1990. 5. P. 1414.
13. Ewert, J. C. The role of the martensite transformation for the mechanical amorphisation of TiNi / J. C. Ewert, I. Bohm, R. Peter, F. Haider // Acta Mater. 1997. V. 45. P. 2197-2206.
14. , . . -
Ti-Ni -
/ . . , . . , . . -
// :
--ренции. Уфа: УГАТУ. 2001. С. 204-208.
15. Prokoshkin, S. D. Alloy composition, deformation temperature, pressure and post-deformation annealing effects in severely deformed Ti-Ni based shape memory alloys / S. D. Prokoshkin, I. Yu. Khmelevskaya, S. V. Dobatkin, I. B. Trubitsyna, E. V. Tatyanin, V. V. Stolyarov, E. A. Prokofiev // Acta Mater. 2005. V.53. P. 2703-2714.
16. , . . -,-
мации / В. В. Столяров, E. А. Прокофьев, А. В. Сергеева,
A. K. , . . //
:
XXXVIII семинара «Актуадьные проблемы прочности». СПб. 2001. С. 108-113.
17. Pushin, V. G. Features of structure and phase transformation in shape memory TiNi-based alloys after severe plastic deformation / V. G. Pushin, V. V. Stolyarov, R. Z. Valiev, N. I. Kourov, N. N. Kuranova, E. A. Prokofiev, L. I. Yurchenko // Annales de Chimie-Science des Materiaux. 2002. V. 27. N3. P. 77-88.
18. , . . , -
TiNi,
/.
B. Столяров, E. A. Прокофьев, С. Д. Прокошкин, С. В. До-баткин, И. Б. Трубицына, И. Ю. Хмелевская, В. Г. Путин, Р. 3. Валиев //ФММ. 2005. Т. 100. № 6. С. 91-102.
19. Pushin, V. G. etc. Nanostructures and phase transformations in TiNi shape memory alloys subjected to severe plastic deformation / V. G. Pushin, D. V. Gunderov, N. I. Kourov, L. I. Yurchenko, E. A. Prokofiev, V. V. Stolyarov, Y. T. Zhu, R. Z. Valiev // Ultrafine grained materials III / TMS, Charlotte: NC, USA. 2004. P. 481-486.
20. Khmelevskaya, I. Yu. Structure and functional properties of Ti-Ni-based shape memory alloys subjected to severe plastic deformation /1. Yu. Khmelevskaya, I. B. Trubitsyna, S.
D. Prokoshkin, S. V. Dobatkin, V. V. Stolyarov,
E. A. Prokofiev // Nanomaterials by severe plastic deformation / Proc. of conference "NANOSPD2". Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH and Co,KgaA. 2004. P. 170-176.
