CC BY
10ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 Серия: Физика Вып. 1 (19)
УДК 669.295.24; 669.788
Структура поверхности сплава Ті50№25Си25 до и после расстеклования
Л.В. Спивака, И.В. Лунегова, А.А.Сабирова, М.А. Куликоваь, А.В. Шеляковс
аПермский государственный национальный исследовательский университет,
614990, Пермь, ул. Букирева, 15
ь Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
614000, Пермь, Комсомольский пр., 29а
сМосковский инженерно-физический институт (Г осударственный университет), 115409, Москва, Каширское шоссе, 31
Впервые с помощью атомно-силового микроскопа исследована поверхность быстрозакаленных сплавов системы Ті№Си в аморфном и кристаллическом состояниях. Обнаружены нано-размерные кристаллы, ориентированные нормально к поверхности ленты как до, так и после кристаллизационной обработки. Высказано предположение, что наноразмерные кристаллические фазы в сплавах, находящихся в аморфном состоянии, являются “замороженными” центрами кристаллизации в процессах расстеклования.
Ключевые слова: кристаллический, аморфный, мартенсит, спектроскопия.
1. Введение
Появление новых методов исследования позволяет вернуться к рассмотрению тех вопросов, ответы на которые не удалось получить ранее. В частности, это относится к морфологии мартен-ситных кристаллов на поверхности быстрозакаленных сплавов на базе квазибинарной системы Т1№-Т1Си. Применение классических оптических методов и методов растровой электронной микроскопии оказались в этом случае малоинформативными, по-видимому, из-за относительно низкой разрешающей способности.
После охлаждения расплава со скоростью ~ 106 К/с достигается состояние, которое можно охарактеризовать как рентгеноаморфное. При нагреве сплава выше температуры расстеклования в процессе кристаллизации образуется (см. [1]) мелкокристаллическая структура (В2-фаза с ОЦК кристаллической решеткой), которая при охлаждении ниже температуры мартенситного превращения (70 °С < Т) претерпевает переходы В2 —>В19' или В2 —Я—В19' [2]. Как известно, характерной особенностью мартенситного превращения является возникновение на поверхности образца специфического рельефа. Изучение присущих такому рельефу особенностей и составило предмет настоящего
исследования.
2. Методика исследования
Сплав Т^0№25Си25 получали в виде ленты толщиной 40^60 мкм методами спиннингования расплава и планарного литья со скоростью охлаждения около 106 К/с. Рентгеноструктурные
исследования проведены на дифрактометрах ДРОН-3 и ДРОН-2 в медном излучении, аь с монохроматором. Рентгеноструктурным анализом установлено, что после охлаждения с такой скоростью сплавы находятся в аморфном состоянии.
Для исследования поверхности использовали атомно-силовой микроскоп Ntegra Prima. В работе реализован метод контактной топографии. Скорость сканирования зависела от рельефа поверхности и чувствительности кантиливера.
Исследование проводилось на гладкой, противоположной контактной, поверхности ленты.
3. Экспериментальные результаты и их обсуждение
Изучение сплава в исходном аморфном состоянии показало (см. рис. 1), что поверхность ленты имеет негомогенное строение с лакунами, обусловленными скорее всего выходом растворенных
© Спивак Л. В., Лунегов И. В., Сабиров А. А., Куликова М. А., Шеляков А. В., 2012
82
Структура поверхности сплава Ті50^і25Си25 до и после расстеклования
83
в жидком металле газов при сверхбыстром охлаждении расплава.
Характерный размер таких элементов лежит в пределах 10-20 нм по высоте и нескольких мкм в двух других измерениях. Наблюдаемая картина существенно изменяется при переходе к рассмотрению поверхности ленты сплава, находящемся в кристаллическом состоянии. Для нее характерна относительно однородно структурированная поверхность с простой 2Б-топологией.
Рис. 1. Строение поверхности АМС в исходном состоянии. ЗБ-представление
Картина существенно усложняется с переходом к 3Б-интерпретации результатов сканирования сплава в кристаллическом состоянии (рис. 2).
Рис. 2. Строение поверхности АМС 'после рекристаллизационного отжига. 3Б
—представление
Наблюдается “лес” ориентировочных к поверхности ленты игольчатых образований, которые можно трактовать как мартенситные кристаллы, возникшие при охлаждении В2-фазы ниже точки начала мартенситного превращения. Исследование выявило несколько морфологических типов таких образований. Первый из них, тонкоигольчатый, занимает подавляющую часть исследуемой поверхности. Второй, относительно немногочисленный тип кристаллов, имеет значительно большую толщину, чем первый. И наконец, третий морфологический тип имеет столбчатую морфологию и встречается избирательно на отдельных участках ленты.
Полученные результаты позволяют утверждать, что основное число возникающих в поверхностных объемах кристаллов ориентированы нормально к поверхности, что, по-видимому, является следствием наличия в закристаллизовавшемся сплаве некоторой выраженной кристаллогеометрической текстуры в ориентации кристаллитов.
пт
Рис. 3. Строение поверхности АМС 'после рекристаллизационного отжига. 3D-представление
Следует отметить, что ориентация мартенсит-ных кристаллов кристалллографически согласована с ориентацией исходной структуры В2-фазы.
32 ут
Рис. 4. Строение поверхности АМС в исходном состоянии. ЗБ- представление
Наличие нескольких морфологических типов структуры поверхности является, как мы полагаем, следствием сосуществования присущих данным сплавам мартенситных Я, В19, В19' фаз.
Можно высказать предположение, что наблюдаемые мартенситные кристаллы в силу своей ориентации не участвуют в термомеханических эффектах, типичных для сплавов с эффектом памяти формы [3, 4].
Более детальное исследование поверхности сплава, находящегося в аморфном состоянии, привело к обнаружению на поверхности ленты образований, похожих на отдельные элементы структуры поверхности такого же сплава, находящегося в кристаллическом состоянии (см. рис. 4, 5).
84
Л. В. Спивак, И. В. Лунегов, А. А. Сабиров, М. А. Куликова, А. В. Шеляков
nm
Рис. 5. Строение поверхности АМС в исходном состоянии. 3Б-представление
Их присутствие можно связать с предположением (см. [5]) о том, что в быстрозакаленном сплаве имеются "замороженные" центры кристаллизации. В этих участках при температуре ниже температуры мартенситного превращения происходит образование мартенситных кристаллов, выход которых на поверхность ленты зафиксирован в данных экспериментах.
4. Заключение
1. Показано, что после мартенситных превращений в прошедшем рекристаллизационную обработку сплаве Т150№25Си25 мартенситные кристаллы могут быть ориентированы нормально к поверхности ленты и имеют различную морфологию.
2. Гипотеза о наличии в быстрозакаленных сплавах “замороженных” центров кристаллизации находит определенное подтверждение в проведенных исследованиях.
3. Метод силовой атомной спектроскопии позволяет выявить не известные ранее особенности строения быстрозакаленных сплавов в аморфном и кристаллическом состояниях.
Список литературы
1. Rosner H., Schlossmacher P., Shelyakov A.V. et al. The influence of coherent TiCu plate-like precipitates on the thermoelastic martensitic transformation in melt-spun Ti50Ni25Cu25 shape memory alloys // Acta Mater. 2001. Vol. 49, P. 1541-1548.
2. Potapov P. L., Shelyakov A. V., Schryvers D. On the crystal structure of TiNi-Cu martensite //Scripta Materialia. 2001. Vol. 44, N 1. P. 1-7.
3. Лихачев В. А., Кузьмин С. Л., Каменцева З. П. Эффект памяти формы. Л.: ЛГУ, 1987. 216 с.
4. Кондратьев В. В., Муслов С. А., Пушин В. Г. и др. Структура и свойства В2-соединений титана. Предмартенситная устойчивость ОЦК (В2)-решетки // ФММ. 1988. Т. 66, № 2. С. 359-369.
5. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1987. 328 с.
Structure of Ti50Ni25Cu25 alloy surface before and after devitrification
L. V. Spivaka, I. V. Lunegova, A. A. Sabirova, M. A. Kulikovab, A. V Shelyakovc
a Perm State University, Bukirev St., 15, 614990, Perm
bPerm State Technical University, Komsomolsky Pr., 29, 614000, Perm
b Moscow Engineering Physics Institute (State University), Kashirskoe Shosse, 31, 115409, Moscow
The surface of quickly hardening TiNiCu alloy systems in amorphous and crystalline conditions by means of atomic-power microscope have been explored for the first time. The nano dimensional crystals orderly oriented to the surface of a tape were discovered both before, and after crystallization processing. In the amorphous condition the nano dimensional crystalline phase may be represented as "frozen" crystallization centers in further devitrification processes.
Keywords: amorphous, crystalline, martensite, ASTM spectroscopy.
