CC BY
47
УДК 669.24’1’871-539.371:548.55
ВЛИЯНИЕ СТАРЕНИЯ ПОД РАСТЯГИВАЮЩЕЙ НАГРУЗКОЙ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА [123]-МОНОКРИСТАЛЛОВ СПЛАВОВ Со35№35Л130
© Е.Ю. Панченко, Ю.И. Чумляков, А.С. Ефтифеева
Ключевые слова: монокристаллы; дисперсные частицы; сверхэластичность; двойной эффект памяти формы. Исследовано влияние дисперсных частиц размером 20-30 нм на развитие термоупругих Б2-Ь10 МП при охлаждении/нагреве и под нагрузкой. Впервые показано, что старение при 673 К, 0,5 ч под растягивающей нагрузкой [123]-монокристаллов Со35№35А130 создает условия для наблюдения двойного эффекта памяти формы и повышает циклическую стабильность сверхэластичности.
Эффективно управлять функциональными свойствами - эффектом памяти формы (ЭПФ), сверхэластичностью (СЭ) - в сплавах с термоупругими мартенсит-ными превращениями (МП) возможно за счет выделения дисперсных частиц при старении [1]. В работе [2] на монокристаллах нового ферромагнитного сплава Со№А1 показана возможность увеличения температурного интервала наблюдения СЭ, уменьшения величины механического гистерезиса Да за счет старения в свободном состоянии при 673 К, 0,5 ч, при котором выделяются нескольких типов дисперсных частиц: а-Со с ГЦК решеткой, в-Со с ГПУ решеткой и сверхструктура типа №2А1 размером до 20-30 нм. Использование монокристаллов Со№А1 для исследования позволяет, во-первых, избежать процессов преимущественного распределения по границам зерен дисперсных частиц и получить нанокомпозиты, в которых матрица испытывает В2-Ь10 МП, а однородно распределенные по объему наноразмерные частицы не испытывают МП. Во-вторых, предполагается, что старение под одноосной нагрузкой позволит эффективно управлять внутренними полями напряжений в материале за счет сокращения числа кристаллографических вариантов частиц в-Со, вытянутых вдоль —<111>д2, и создавать условия для наведения двойного ЭПФ (ДЭПФ), как это имеет место в сплавах К№ [1]. Целью настоящей работы является исследование влияния старения при 673 К, 0,5 ч в свободном состоянии и под нагрузкой на развитие Б2-Ь10 МП, циклическую стабильность СЭ и выяснение возможности наблюдения ДЭПФ в [123]-монокристаллах Со35№35А130 (ат. %).
Монокристаллы Со35№35А130 были выращены по методу Бриджмена в атмосфере инертного газа. Исходные образцы отжигали при 1613 К в течение 8,5 ч и закаливали в воду (I). Затем старили при 673 К, 0,5 ч в свободном состоянии (II) и под растягивающей нагрузкой 100 МПа (III). Температуры начала прямого М, и конца обратного Ау МП определяли по зависимости электросопротивления от температуры (табл. 1). Подробно методика эксперимента изложена в [2].
Экспериментально установлено, что старение при 673 К, 0,5 ч (II и III) снижает температуру МП М, относительно закаленного состояния (I) за счет изменения
химического состава матрицы при выделении богатых Со частиц, способствует увеличению сопротивления движению межфазных границ и дополнительному накоплению упругой энергии при развитии МП в присутствии наноразмерных частиц, не испытывающих МП [2]. В состаренных под нагрузкой кристаллах (III) В2-Ь10 МП имеют место при более высоких температурах по сравнению с кристаллами (II).
Таблица 1
Температуры Б2-Ь10 МП и функциональные свойства [123]-монокристаллов Со35№35А130
Термооб- работка М, (±2) К А/, (±2) К а“кр, (± 5), МПа Есэ, (±0,3) % бДЭПФ, (±0,3) %
Закалка (I) 255 275 —700 2,5 -
Старение (II) —150 - 1900 1,0 -
Старение под нагрузкой (III) 203 277 2500 1,7 1,3
Кривые а(е) при Т = 295 К для [123]-кристаллов во всех состояниях демонстрируют СЭ (рис. 1). Закаленные кристаллы (I) не обладают стабильной СЭ - критические напряжения образования мартенсита а^, величина механического гистерезиса Да, зависят от числа циклов «нагрузка-разгрузка». Так, |а,фА(1)| = = 115 МПа в первом цикле и уменьшается в седьмом цикле почти в 2 раза до |акрА(7)| = 65 МПа (рис. 1а). Развитие МП в цикле «нагрузка-разгрузка» в кристаллах (I) сопровождаются необратимой деформаций енеоб и образованием дислокаций в В2-фазе (рис. 2). В следующем цикле «нагрузка-разгрузка» образовавшиеся дефекты играют роль преимущественных мест зарождения кристаллов мартенсита, что приводит в последующих циклах к снижению |аАкр|, увеличению Да и появлению необратимой деформации до енеоб — 1 %.
В состаренных кристаллах критические напряжения для начала МП |акрА| при Т = 295 К повышаются по сравнению с (I) более чем в 4 раза до 420 МПа (кристалл II) и 480 МПа (кристалл III).
1755
|о|, МПа
Рис. 1. Кривые «напряжение - деформация» при Т = 295 К для [123]-кристаллов Со35№35А130 при деформации сжатием: а - в закаленном состоянии (I), б - в состаренном без нагрузки (II) и в - в состаренном под нагрузкой (III) состояниях
Рис. 2. Микроструктура закаленных [123]-кристаллов (I) после семи циклов «нагрузка-разгрузка» при Т = 295 К
Выделение дисперсных частиц размером 20-30 нм упрочняет В2-фазу, и развитие МП под нагрузкой не сопровождается образованием дислокаций, поэтому в кристаллах (II и III) |акрА| не зависит от числа циклов (рис. 1б, 1в). Величина обратимой деформации |есэ| в состаренных кристаллах уменьшается по сравнению с закаленным состоянием (I) (табл. 1) Минимальная величина СЭ |есэ| = 1,0 % и максимальный коэффициент деформационного упрочнения 0 при развитии МП имеет место в кристаллах (II). В состаренных под нагрузкой кристаллах (III) |есэ| = 1,7 %, 0 близок к нулю, и увеличение заданной деформации в цикле в этих кристаллах не сопровождается появлением необратимой деформации вплоть до достижения предела текучести мартенсита |акрМ| = 2500 МПа (рис. 1в).
Преимущественная ориентация частиц в-Со вдоль одного из направлений типа <111>В2 в состаренных кристаллах (III) приводит к тому, что в материале присутствуют дальнодействующие поля напряжений за счет суммирования локальных упругих напряжений, возникающие из-за различия параметров кристаллических решеток частицы и матрицы. Их действие подобно действию внешнего приложенного напряжения, что в соответствии с уравнением Клапейрона-Клаузиуса [1] приводит к увеличению температур Б2-Ь10 МП на АМ, — 50 К в состаренных под нагрузкой кристаллах (III) по сравнению с (II). Внутренние поля напряжений в кристаллах (III) создают условия для ориентированного роста мартенсита при охлаждении в свободном состоянии и реализации ДЭПФ с обратимой деформацией 8дЭПФ = 1,3 % (рис. 3). В закаленных кристаллах (I) и состаренных без нагрузки (II) дальнодействую-щие поля напряжений отсутствуют и ДЭПФ не наблюдается.
Рис. 3. ДЭПФ в [123]-кристаллах (III) при охлаждении/нагреве при минимальных постоянных напряжениях а ~ ~ 1 МПа, позволяющих контролировать изменение размера образца
Таким образом, впервые показано, что выделение наноразмерных частиц (d < 30 нм) при старении монокристаллов Co35Ni35Al30 под растягивающей нагрузкой вдоль [123] направления позволяет создать высокопрочные материалы с ДЭПФ 8дЭПФ = (1,3 ± 0,3) % и стабильной СЭ при Т = 295 К, которые выдерживают нагрузку до 2500 МПа без деградации СЭ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Otsuka К., Ren X. Physical metallurgy of Ti-Ni-based shape memory alloys // Progress in Materials Science. 2005. V. 50. P. 511-678.
2. Панченко Е.Ю., Чумляков W.H.,Maier H. и др. Влияние старения в свободном состоянии и под нагрузкой на функциональные свойства [011]-монокристаллов Co35Ni35Al30 // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. С. 19-27.
1756
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 12-08-00573-а), ФЦП (госконтракт № 16.740.11.0462).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Panchenko E.Y., Chumlyakov Y.I., Eftifeyeva A.S. INFLUENCE OF STRESS-ASSISTED AGING ON FUNCTIONAL PROPERTIES OF [123]-ORIENTED CoBsNiBsAlso SINGLE CRYSTALS
The effect of nano-size particles on the thermoelastic B2-L10 martensitic transformation at cooling/heating and under stress is investigated. It is shown that aging at 673 K, 0.5 h under tensile load of [123]-oriented Co35Ni35Al3o single crystals creates conditions for observing two-way shape memory effect and increases the cyclic stability of super-elasticity.
Key words: single crystals; dispersed particles; superelasticity; two-way shape memory effect.
УДК 627.762
КВАЛИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЬЦЕВЫХ ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ
© Д. А. Грибанов, С. А. Атрошенко
Ключевые слова: диаграмма разброса; корреляционный анализ; функция желательности; длительность импульса; размер зерна; количество вязкой составляющей в изломе.
Исследованы алюминиевые образцы в условиях магнитно-импульсного нагружения. Выполнена квалиметриче-ская оценка характеристик сопротивления разрушению материала, полученного по разным технологическим режимам, с использованием методики построения диаграммы разброса, корреляционного анализа и функции желательности.
Современные условия развития технологии машиностроения повышают требования к надежности и долговечности материалов элементов конструкций в виде труб, работающих в условиях возникновения динамических нагрузок. Отсюда возникают задачи определения и оценки истинных параметров разрушения, а также изучение закономерностей изменения физикомеханических свойств и структуры материалов в данных условиях. Возможным решением этих задач является проведение исследований кольцевых образцов металлических материалов в условиях высокоскоростного нагружения магнитно-импульсным методом. Это позволяет смоделировать дорогостоящие натурные испытания, что является актуальным. В то же время сложно оценить качество материала в этих условиях. Поэтому использование квалиметрических методов оценки материалов в условиях ударного нагружения может послужить заменой дорогостоящих испытаний изделий.
Методика магнитно-импульсного нагружения
кольцевых образцов подробно описана в работе [1].
Металлографические исследования. Исследование поверхностей разрушения алюминиевых образцов после испытаний осуществлялось на оптическом микроскопе Ахю-ОЪ8егуег-71-М. Количество вязкой составляющей в изломе (В, %) определялось по формуле, приведенной в ГОСТ 30456-97 [2]. Площадь хрупкой составляющей определялась измерением площади хрупкого излома по фотографии. Структура изучалась на поперечных шлифах после соответствующего хими-
ческого травления. Микротвердость замеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 20 г [3].
Методика квалиметрической оценки. Оценка качественных характеристик сопротивления разрушению алюминиевых кольцевых образцов, полученных по разным технологическим режимам, осуществлялась с использованием методики построения диаграммы разброса, корреляционного анализа и функции желательности.
Проведение корреляционного анализа по диаграмме разброса. Для оценки тесноты взаимосвязи между показателями качества, полученными после испытаний алюминиевых образцов по разным режимам высокоскоростного ударного нагружения (табл. 1), был применен корреляционный анализ [4].
Построено поле корреляции для пары данных «твердость по Виккерсу, HV (у) - размер зерна, Dз (х)», которое показало, что между показателями существует прямая отрицательная корреляция (с увеличением xi значения У1 имеют тенденцию к убыванию).
Поле корреляции для пары данных «твердость по Виккерсу, HV (у) - количество пор на площади 400 мкм2, п(х)», показало, что между показателями существует прямая положительная корреляция (с увеличением xi значения У1 имеют тенденцию к возрастанию).
Полученное значение коэффициента корреляции Пирсона после корректировки ввиду оценки корреляции по выборке малого объема ^ = 4 меньше 100) г = = -0,781 говорит о наличии высокой степени взаимосвязи между парой «твердость по Виккерсу, ^ - раз-
1757
