Влияние числа вариантов дисперсных частиц на сверхэластичность в монокристаллах сплава CoNiGa при деформации сжатием

Кретинина Ирина Владимировна; Киреева Ирина Васильевна; Чумляков Юрий Иванович; Понс Джаума; Пикорнелл Каталина; Сезари Эдуард

УДК 669.539.371:548.55

ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА ВАРИАНТОВ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ НА СВЕРХЭЛАСТИЧНОСТЬ В МОНОКРИСТАЛЛАХ СПЛАВА Со]ЧЮа ПРИ ДЕФОРМАЦИИ СЖАТИЕМ

Ключевые слова: монокристаллы; эффект памяти формы; сверхэластичность; частицы у'-фазы.

На монокристаллах [123] сплава Со49№21Оа30 (ат. %) исследовано влияние числа вариантов дисперсных частиц у'-фазы на развитие под нагрузкой термоупругого Б2-Ь10 мартенситного превращения (МП), величину сверхэластичности (СЭ), температурный интервал СЭ при деформации сжатием. Показано, что выделение дисперсных частиц у'-фазы приводит к увеличению температурного интервала СЭ в 2 раза по сравнению с однофазными кристаллами. Установлено влияние числа вариантов частиц на развитие Б2-Ь10 МП под нагрузкой и величину механического гистерезиса До.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния числа вариантов наноразмерных частиц у'-фазы неравноосной формы на развитие B2-L10 - МП под нагрузкой, на величину CЭ и температурный интервал CЭ при деформации сжатием в монокристаллах [123] сплава (ат. %). Нанораз-

мерные частицы у'-фазы неравноосной формы в монокристаллах сплава выделяются при старе-

нии при Т = 623 К, 3 ч и имеют длину 10-25 нм [1]. Плоскость габитуса частиц у'-фазы параллельна плоскости (111) В2-фазы, и, следовательно, старение под сжимающей нагрузкой в монокристаллах [123] приводит к образованию одного варианта частиц [2].

Монокристаллы сплава (ат. %) выра-

щивали методом Бриджмена в атмосфере инертного газа. Образцы для сжатия имели размеры 3x3x6 мм. Для получения однофазной структуры образцы отжигали в инертном газе при Т = 1433 К, 30 мин. с последующей быстрой закалкой в воду. После закалки при Т = 300 К монокристаллы находились в однофазном состоянии и имели В2-структуру. дарение в свободном состоянии и под сжимающей нагрузкой ст = 150 МПа при Т = 623 К, 3 ч проводили в камере испытательной машины Zwick-Z100. Cтруктурa мартенсита исследовалась на просвечивающем электронном микроскопе Jeol 2011 с ускоряющим напряжением 200 kV.

На рис. 1 представлены кривые CЭ для монокристаллов [123] в однофазном состоянии. Видно, что однофазные монокристаллы демонстрируют эффект CЭ в температурном интервале ATra = 173 К, который связан с развитием под нагрузкой обратимых B2-L10 -МП. Монокристаллы [123] ориентированы для развития под нагрузкой одного варианта мартенсита с максимальным фактором Шмида, и, как видно из рис. 1, B2-L10 - МП под нагрузкой во всем исследованном температурном интервале развивается с в = da/ds, близким к нулю с характерными динамическими особенностями на кривых течения и неизменной от температуры величиной механического гистерезиса Act, который определяется по высоте на середине петли CЭ. Величина CЭ sra при Т = 316 К равна 2,3 %, оказывает-

ся близкой к теоретически рассчитанной величине деформации решетки 80 = 2,5 % при Б2-Ы0 - МП [3] и с ростом температуры практически остается неизменной.

Выделение одного и четырех вариантов нанораз-мерных неравноосных дисперсных частиц у'-фазы при старении при Т = 623 К, 3 ч приводит к развитию СЭ в широком температурном интервале ДТСЭ = 327 К, который почти в 2 раза превышает ДТСЭ в однофазном состоянии (рис. 2). Максимальная температура в случае одного и четырех вариантов частиц, при которой наблюдается СЭ, равна 623 К. Такой широкий температурный интервал СЭ и развитие СЭ при температуре выше 373 К наблюдаются впервые в сплавах, проявляющих сверхэластичное поведение [1, 4]. Следовательно, выделение наноразмерных частиц у'-фазы создает условия для развития высокотемпературной СЭ в монокристаллах [123] сплава Со49№21Оа30 с одностадийным Б2-Ы0 - МП. Наноразмероные частицы у'-фазы повышают уровень напряжений высокотемпературной В2-фазы и подавляют развитие локального пластического течения в высокотемпературной фазе при развитии МП под нагрузкой при высоких температурах. В однофазном состоянии, где уровень напряжений высокотемпературной фазы ниже, МП под нагрузкой при высоких температурах протекает одновременно с локальным пластическим течением, которое определяет температуру конца МП под нагрузкой Т = 473 К.

Рис. 1. Кривые сверхэластичности при деформации сжатием в монокристаллах [123] сплава Со49№21Оа30 в однофазном состоянии

2057

Рис. 2. Кривые сверхэластичности при деформации сжатием в монокристаллах [123] сплава Co49Ni21Ga30, состаренных при Т = 623 К, 3 ч

Анализ кривых СЭ на рис. 2 показывает, что развитие B2-L10 - МП под нагрузкой и величина Аст зависят от количества вариантов частиц. В случае одного варианта частиц МП под нагрузкой протекает без упрочнения с низкими значениями 0 в отличие от четырех вариантов частиц, где МП под нагрузкой развивается с высоким 0. Величина механического гистерезиса Аст с ростом температуры меняется немонотонно, и в случае одного варианта частиц Аст оказывается меньше, чем при четырех (рис. 2). Видно, что выделение одного и четырех вариантов частиц у'-фазы приводит к уменьшению величины СЭ до 2 % при Т = 296 К по сравнению с однофазными кристаллами, которая с ростом температуры испытания уменьшается до 1,5 % при Т = 623 К.

Зависимость от количества вариантов частиц развития МП под нагрузкой и величины Аст связано с влиянием частиц на тонкую структуру L10-мартенсита. Электронно-микроскопически установлено, что в случае четырех вариантов частиц толщина двойников t L1 о-мартенсита становится равной 3-4 нм, что меньше размера самих частиц d > t (рис. 3а). При этом сами частицы под нагрузкой могут локально генерировать свой вариант мартенсита с высокой плотностью нанодвойников, не совпадающий с вариантом мартенсита под нагрузкой с максимальным фактором Шмида [5], и создавать сопротивление его движению. В результате взаимодействия вариантов мартенсита (локального у частиц и мартенсита с максимальным фактором Шмида под нагрузкой) МП под нагрузкой в случае четырех вариантов частиц развивается с высоким 0 и характеризуется большой величиной Аст. В случае одного варианта частиц толщина двойников t = 8-12 нм оказывается больше, чем в случае четырех вариантов частиц (рис. 3б). Частицы одного варианта за счет ориентированных внутренних полей напряжений генерируют один вариант мартенсита, который, по-видимому, совпадает с образованным под нагрузкой вариантом мартенсита с максимальным фактором Шмида. В результате МП под нагрузкой в случае одного варианта частиц развивается с низким 0 и характеризуется меньшими значениями величины Аст по сравнению с четырьмя вариантами частиц (рис. 2).

Итак, на монокристаллах [123] сплава Co49Ni21Ga30 (ат. %) при деформации сжатием установлено, что выделение одного и четырех вариантов наноразмерных неравноосных частиц у'-фазы приводит к упрочнению высокотемпературной фазы, к развитию СЭ в широком температурном интервале, к зависимости от числа ва-

риантов частиц развитие МП под нагрузкой и величины механического гистерезиса Аст.

Рис. 3. In situ электронно-микроскопическое наблюдение двойников в [123] монокристаллах сплава Со49М2^а30, состаренных при Т = 623 К, 3 ч: а) в свободном состоянии; б) под напряжением 150 МПа

ЛИТЕРАТУРА

1. Kireeva I. V., Pons J., Picornell C., et al. Influence of y' nanometric particles on martensitic transformation and twinning structure of L1 martensite in Co-Ni-Ga ferromagnetic shape memory single crystals // Intermetallics. 2013. V. 35. P. 60-66.

2. Чумляков Ю.И., Панченко Е.Ю., Киреева И.В. и др. Зависимость

эффектов памяти формы и сверхэластичности от числа ватиантов

дисперсных частиц в монокристаллах никелида титана // ДАН. 2002. Т. 385. № 2. С. 181-185.

3. Dadda J., Maier H.J., Niklasch D., et al. Pseudoelasticity and cyclic

stability in C049Ni21Ga30 shape memory alloy single crystals at ambient

temperature // Physical metallurgy and Materials Science. 2008. V. 39. № 9. P. 2026-2039.

4. Otsuka K., Wayman C. V. Shape mamory materials. Cambridge University Press, 1998. 284 p.

5. Чумляков Ю.И., Киреева И.В., Панченко Е.Ю. и др. Термоупругие мартенситные превращения в монокристаллах, содержащих дисперсные частицы // Изв. вузов. Физика. 2011. № 8. С. 96-108.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы (госконтракт № 16.740.11.0462).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kretinina I.V., Kireeva I.V., Chumlyakov Y.I., Pons J., Picornell C., Cesari E. INFLUENCE OF VARIANT NUMBER OF DISPERSE PARTICLES ON SUPER-ELASTICITY IN SINGLE CRYSTALS OF CoNiGa ALLOY AT DEFORMATION BY COMPRESSION

On single crystals [123] alloys ^«М^ам (а! %) the influence of variants number of disperse y'-phases particles on devel-

2058

opment under loading thermoelastic B2-L10 martensitic transformations (MT), value of super-elasticity (SE), temperature interval SE is investigated at deformation by compression. It is shown, that precipitation of disperse y'-phases particles leads to increase in temperature interval SE in 2 times in comparison with mono-phase

crystals. Influence of variants number of particles on development B2-L10 MT under loading and on size of a mechanical hysteresis Ac is established.

Key words: single crystals; shape memory effect; superelasticity; y'-phase particles.

УДК 53.091

ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

Ключевые слова: материалы с памятью формы; мартенсит; импланты.

Приведен краткий обзор литературных данных по получению и применению МПФ в стоматологии и черепнолицевой хирургии. Показаны преимущества и уникальность этих сплавов.

Материалы с памятью формы (МПФ) были открыты в конце 60-х гг. ХХ в. В настоящее время для МПФ определенны функциональные свойства: одно- и двухсторонний эффект памяти, псевдо- или суперэластичность, высокая заглушающая способность и т. д. [1].

МПФ уже нашли широкое применение в медицине в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности [2]. Кроме сплавов на основе №-Ті мартенситные превращения существуют, например, в таких системах, как К-Ті, РЮа, К-А1.

Механизм реализации эффекта памяти формы. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (рис. 1).

При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры - мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.

При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, т. е. сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.

Никелид титана - это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас. % №. Температура плавления 12401310 °С, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура ни-

келида титана - стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа С8С1 - при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.

Суть эффекта памяти формы

Исходное состояние

Термоупругий

Деформация

исходного

состояния

Рис. 1. Реализация эффекта памяти формы

Никелид титана обладает:

- превосходной коррозионной стойкостью;

- высокой прочностью;

- хорошими характеристиками формозапоминания. Деформация до 8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа. Хорошая совместимость с живыми организмами. Высокая демпфирующая способность материала.

Недостатки:

2059

INFLUENCE OF VARIANT NUMBER OF DISPERSE PARTICLES ON SUPER-ELASTICITY IN SINGLE CRYSTALS OF CoNiGa ALLOY AT DEFORMATION BY COMPRESSION

Текст научной работы на тему «Влияние числа вариантов дисперсных частиц на сверхэластичность в монокристаллах сплава CoNiGa при деформации сжатием»