Влияние интенсивной пластической деформации на формирование структуры и мартенситные превращения в никелиде титана Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 12-03-00098 и № 12-08-91331 ННИО).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kretinina I.V., Keynih K.S., Kireeva I.V., Chumlyakov Y.I. ORIENTATION DEPENDENCE OF SHAPE MEMORY EFFECT AND SUPER-ELASTICITY IN FeNiCoAlTa ALLOY SINGLE CRYSTALS

Thermoelastic y-a'-martensitic transformations (MT) at cooling/heating and under loading in single crystals [001], [123] alloys Fe4iNi28Coi7Alii.5Ta2.5 (aT. %), ageing at temperature 973 K within 7 hours are investigated. It is shown, that at deformation by tension value of shape memory effect (SME), super-elasticity (SE), temperature interval SE ATSE and size of a mechanical hysteresis Ao depend on crystal axis orientation: in single crystals [001] the maximum value SME and SE is equal 4.5 %, ATSE = = 170 K and the minimum size Ao =120 MPa, and in single crystals [123] value SME and SE are equal 2.2 %, ATSE = 76 K and Ao = 180 MPa.

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

УДК 669.017:539.4:621

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В НИКЕЛИДЕ ТИТАНА

© Т.Ю. Малеткина, Е.Ф. Дударев

Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация; никелид титана; нанокристаллическая структура. Представлены экспериментальные данные о формировании наноструктуры в крупнозернистом и субмикрокри-сталлическом никелиде титана при глубокой пластической деформации в предмартенситном состоянии.

Известно, что физико-механические свойства металлов и сплавов являются структурно-чувствительными, что позволяет для их совершенствования использовать различные направленные воздействия, приводящие к такому энергонасыщению, которое изменяет на разных уровнях структуру материала (фазовую, дефектную, зерненную). При исследовании эволюции структуры и свойств при таких воздействиях было установлено, что высоко энергетическое воздействие в металлах и сплавах приводит к новым метастабильным состояниям, которые характеризуются повышением плотности внутренних дефектов, высоким уровнем внутренних напряжений, формированием субмикрок-ристаллической (с размером зерен с1 в среднем 200500 нм), нанокристаллической (<! < 100 нм), а в некоторых случаях и аморфной структур [1, 2].

Проведенные в последние годы исследования по созданию наноструктуры в сплавах на основе никелида титана методами интенсивной пластической деформации свидетельствуют о перспективности этого направления для расширения возможностей и областей применения данных сплавов.

Среди разработанных методов интенсивной пластической деформации для формирования ультамелко-зернистой структуры в никелиде титана наиболее широко применяется равноканальное угловое прессование, которое, однако, позволяет получить в сплавах на основе Т№ лишь субмикрокристаллическую структуру (СМК) [3]. Получение наноструктуры может быть достигнуто дополнительным деформированием сплавов с СМК структурой, например, прокаткой.

С учетом вышесказанного в настоящей работе проведено сопоставительное исследование влияния де-

формации прокаткой в предмартенситном состоянии на структуру и свойства крупнозернистого и субмикрок-ристаллического сплава Ті49 4№50 6. Структурно-фазовое состояние исследовали методами рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии и резистометрии.

Субмикрокристаллическая структура была сформирована методом равноканального углового прессования [3]. Для формирования наноструктуры плоские образцы с крупнопнозернистой (со средним размером зерна 3 ~ 24 мкм) и субмикрокристаллической (С ~ 280 нм) структурами в предмартенситном состоянии прокатывали в гладких валках в одном направлении со степенью деформации за один проход 4-5 % до достижения суммарной степени деформации 20, 40, 60 и 80 %.

Анализ микроструктуры после различных степеней прокатки показал, что наиболее интенсивно измельчение зеренной структуры происходит при степенях деформации до 40 % (рис. 1, кривая 1). А при деформации 80 % в исследуемом сплаве средний размер нанозерен 44 нм в исходной крупнозернистой структуре и 37 нм - в исходной субмикрокристаллической структуре. Электросопротивление непрерывно возрастает с ростом степени деформации, и зависимость электросопротивления от степени деформации близка к линейной (рис. 1, кривая 2). Наличие гало на микродифрак-ционных картинах и размытых ренгеновских пиков на дифрактограммах, расширение температурных интервалов мартенситных превращений, наблюдаемых на температурных зависимостях электросопротивления, как в сплаве с исходной структурой, так и со структурой СМК свидетельствует о постепенном разрушении дальнего порядка при накоплении суммарной пласти-

2049

ческой деформации в процессе прокатки и аморфиза-ции структуры.

Наряду с уменьшением размера зерна с ростом степени деформации повышается и степень несовершенства структуры, формируется кристаллографическая текстура прокатки и изменяется фазовый состав сплава. Анализ дифрактограмм показал, что при деформации до 40 % структура становится двухфазной (В2 + В19’) и объемная доля мартенсита В19’ растет, а при более высоких степенях деформации значительно уменьшается. При этом двухфазная структура сохраняется при прокатке вплоть до 80 %.

Уширение линий, снижение их интенсивности свидетельствует о повышении несовершенства структуры и высокой ее дисперсности. По уширению линий были рассчитаны микронапряжения II рода Ай/й, возникшие при деформировании материала, и определены области когерентного рассеяния ВОКР, построена деформационная зависимость их изменения при прокатке (рис. 2).

Рис. 1. Зависимость среднего размера зерен й (кривая 1) и величины р20/р650 (кривая 2) от степени деформации сплава Ти9-4№50-6 при исходной субмикрокристаллической структуре (р20/р650 - удельное электросопротивление при 20 и 650 °С, соответственно)

Do

Ad/d* 10

,-з

Рис. 2. Зависимость величины микронапряжений (1, 2) и величины областей когерентного рассеяния (3, 4) от величины деформации прокаткой сплава Ті49-4№50-6 в крупнозернистом (1, 3) и в субмикрокристаллическом (2, 4) состояниях

Наиболее интенсивное изменение указанных характеристик происходит, как видно из рис. 2, при прокатке до 20 % и связано с возрастающим вкладом пластической деформации и измельчением структуры.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о взаимосвязи между развитием аморфиза-ции и уменьшением объемной доли мартенсита B19 при деформации, превышающей 40 %. По-видимому, это связано с тем, что при пластической деформации в первую очередь аморфизуются нанозерна с мартенсит-ной или двухфазной (В2 + B19) структурами. В пользу этого свидетельствуют данные [1, 4], согласно которым в никелиде титана аморфизация наиболее интенсивно протекает при пластической деформации в мартенсит-ном состоянии.

Согласно полученным экспериментальным данным, в сплаве Ti494Ni50 6, в двух исходных состояниях имеющем В2-структуру перед началом деформирования, в процессе прокатки происходит неполное превращение В2 ^ R ^ B19’, инициированное деформацией. При этом с увеличением степени деформации наблюдается расширение температурного интервала прямого мартенситного превращения в основном за счет снижения температуры Mf, монотонное повышение уровня электросопротивления и уменьшение размера зерна. Установлено, что размер исходной зерен-ной структуры не влияет на температурную зависимость электросопротивления

Микроструктуры сплава после прокатки отличает высокая степень дисперсности и высокий уровень микронапряжений, которые формируются преимущественно до 20 % деформации.

Таким образом, пластическая деформация многократной прокаткой при комнатной температуре позволяет сформировать нанокристаллическую структуру с признаками начала аморфизации как из субмикрокри-сталлического, так и из крупнозернистого исходного состояния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: НКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.

2. Носкова Н.И., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нанок-ристаллические металлы и сплавы. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 273 с.

3. Скосырский А.Б., Дударев Е.Ф., Малеткина Т.Ю. и др. Влияние зеренной структуры на развитие мартенситных превращений в наноструктурном никелиде титана // Изв. вузов. Физика. 2009. № 5. С. 72-77.

4. Зельдович В.И., Фролова Н.Ю., Пилюгин В.П. и др. Формирование аморфной структуры в никелиде титана при пластической деформации // ФММ. 2005. Т. 99. № 4. С. 90-100.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Maletkina T.Y., Dudarev E.F. EFFECT OF SEVERE PLASTIC DEFORMATION ON STRUCTURE FORMATION AND MARTENSITE TRANSFORMATIONS IN NICKEL TITANIUM The experimental data on nanostructure formation in a coarse-grained and submicrocrystalline TiNi at a severe plastic deformation in the pre-martensitic state and subsequent annealing are presented.

Key words: severe plastic deformation; nickel titanium; nanocrystalline structure.

2050