На правах рукописи

КУРАНОВА Наталия Николаевна СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА, ПОДВЕРГНУТЫХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ 01.04.07 Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 2010

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов УрО РАН

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Пушин Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Кащенко Михаил Петрович доктор технических наук, профессор Сагарадзе Виктор Владимирович

Ведущая организация: ГОУ ВПО Уральский государственный университет им. А.М. Горького

Защита состоится 19 марта 2010 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 004.003.01 при Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620990, г. Екатеринбург, ГСП170, ул. С.Ковалевской, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

Автореферат разослан У Ф 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук Лошкарева Н.Н.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание новых материалов и технологий их производства всегда являлось одной из ключевых научных и прикладных задач, ориентированных на развитие современной техники и технологии.

Как известно, подавляющее большинство металлических и неметаллических материалов, предназначенных для различных сфер деятельности человека, используется в качестве конструкционных.

Другую важную общность материалов, назначение и применение которых в основном определяется их особыми и подчас уникальными физико-техническими характеристиками, составляют так называемые функциональные материалы для техники, медицины, иных отраслей использования. Наиболее ярким представителем одновременно функциональных и конструкционных материалов являются металлические сплавы с термоупругими мартенситными превращениями (ТМП) и обусловленными ими эффектами памяти формы (ЭПФ) [1*, 2*].

Главное место в этом классе материалов занимают сплавы на основе никелида титана, которые характеризуются комплексом чрезвычайно важных характеристик: самые высокие прочностные и пластические свойства, уникальные по величине эффекты термомеханической памяти (одно- и многократно обратимой памяти формы, сверхупругости) высокие термомеханическая, механотермическая и термоциклическая надежность и долговечность, свариваемость, жаропрочность, коррозионная стойкость, биологическая совместимость и ряд других. При этом принципиально важны простота их химического состава и технологичность как металлургического процесса, так и последующих производственных переделов (в том числе обрабатываемость с целью получения проволоки, ленты, листа, сложных профилей и, что особенно важно, тренировки на эффекты памяти формы).

Эти обстоятельства делают незаменимыми сплавы никелида титана и обусловливают в настоящее время и в будущем их широкое, а в ряде случаев, например, в медицине, электротехнике и электронике, в авиации и космонавтике, на транспорте и в бытовой технике исключительное практическое применение в качестве функционального материала нового поколения.

В последние годы в физическом материаловедении сформировалось новое научное направление, в котором получение объемных наноструктурных конструкционных и функциональных материалов, в том числе и сплавов с памятью формы, обеспечивается методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Известно, что с помощью методов ИПД можно получить нано- и субмикрокристаллические материалы с особыми механическими характеристиками, которые существенно отличаются от свойств, присущих обычным поликристаллическим материалам. Способом, позволяющим достигать наиболее высоких степеней деформации в лабораторных условиях на экспериментальных образцах различных металлов и сплавов, и в том числе сплавов никелида титана (при сохранении их цельности), является интенсивная пластическая деформация сдвигом кручением под высоким давлением (ИПДК).

Цель работы Целью настоящей работы является комплексное систематическое исследование основных структурно-морфологических особенностей, закономерностей структурных и фазовых превращений и формирования свойств сплавов на основе никелида титана, подвергнутых интенсивной пластической деформации, в сравнении с обычными литыми или недеформированными поликристаллическими сплавами.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие конкретные задачи:

1. Исследование микроструктуры, фазового состава и свойств сплавов на основе никелида титана в исходном состоянии с помощью методов рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии высокого разрешения, измерений физико-механических свойств.

2. Изучение эволюции и механизмов формирования микроструктуры при интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением и последующих термообработках на образцах сплавов различных составов (бинарных и тройных) и стабильности В2аустенита по отношению к фазовым превращениям с помощью просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, оптической металлографии.

3. Изучение физико-механических свойств сплавов и определение их зависимости от особенностей микроструктуры, химического и фазового состава и параметров внешних воздействий при интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением и последующем отжиге.

Новые научные результаты, выносимые на защиту Проведено комплексное систематическое исследование микроструктуры и свойств сплавов на основе никелида титана после ИПДК под высоким давлением. Определена эволюция структурных и фазовых состояний в зависимости от степени деформации.

1. Обнаружено, что холодная ИПД сдвигом при кручении на 5-оборотов под высоким давлением обеспечивает аморфизацию метастабильных по отношению к мартенситным переходам сплавов на основе никелида титана, находящихся как в аустенитном, так и в мартенситном состояниях. Сплавы с В2-аустенитом, стабильным по отношению к деформационно-индуцируемым мартенситным превращениям, при интенсивной пластической деформации практически не аморфизируются. Выявлены этапы изменения микроструктуры и фазового состава сплава в зависимости от степени (числа оборотов) ИПДК.

2. На примере аморфного после быстрой закалки из расплава (БЗР) сплава Ti50Ni25Cu25 показано, что ИПД сдвигом кручением, напротив, приводит к появлению в аморфной матрице уже при комнатной температуре большого количества чрезвычайно дисперсных нанокристаллов размером 2-3 нм. В результате после ИПДК на 5-оборотов в обоих случаях (как в исходном поликристаллическом, так и в аморфных после БЗР сплавах) преобладающая по объему сплавов аморфная матрица содержит равномерно распределенные с высокой плотностью нанокристаллиты с размером менее 3-5 нм. Именно этим объясняется обнаруженный эффект уменьшения температуры расстекловывания ИПДК-сплавов на основе никелида титана при нагреве (на 200-300 К) по сравнению со сплавами в аморфном состоянии, полученными БЗР.

3. Установлено, что низкотемпературные отжиги сплавов, аморфизированных после ИПДК, приводят к формированию однородной нанокристаллической структуры. Выявлена роль процессов первичной нанокристаллизации при ИПД, расслоения химического состава и образования высокодисперсных частиц фаз старения, сдерживающих рост нанозерен за счет барьерного эффекта.

4. При прямых наблюдениях термоупругих мартенситных превращений ИПДК-сплавов обнаружена их важная и уникальная особенность: зарождение и рост мартенситных кристаллов по механизму "мононанокристалл аустенита - мононанокристалл мартенсита" без внутреннего двойникования с инвариантной решеткой в нанокристаллических зернах, а затем в субмикрокристаллических зернах - однопакетного мартенсита.

5. Установлено, что низкотемпературный отжиг на нанокристаллическое состояние сплавов, подвергнутых ИПДК, приводит за счет размерного эффекта к снижению температур термоупругих мартенситных превращений B2B19' и B2B19 или B2R (вплоть до полного их исчезновения при критических размерах нанозерен менее 50 и 20 нм, соответственно). В результате сплавы при низких температурах остаются В2-аустенитными или R-мартенситными. Столь малая величина критических размеров зерен дает уникальную возможность обеспечить высокопрочное нанокристаллическое состояние в сплавах никелида титана при сохранении ТМП и связанных с ними эффектов памяти формы в случае, если размеры нанозерен будут превышать данные критические размеры.

6. Выявленные особенности влияния варьирования деформационно-температурных параметров ИПД и отжига позволяют регулировать структурное состояние и физико-механические характеристики сплавов, требуемые при их различных применениях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований структуры сплавов на основе никелида титана с термомеханическими эффектами памяти формы, подвергнутых интенсивной пластической деформации сдвигом кручением под высоким давлением. Обнаружение эффекта аморфизации метастабильных аустенитных и мартенситных ИПДКсплавов.

2. Установление природы и механизмов образования нанокристаллического состояния и его эволюции в исследованных сплавах в зависимости от параметров ИПДК и последующей термообработки. Определение влияния параметров термической обработки на структуру сплавов на основе никелида титана, подвергнутых ИПДК под высоким давлением.

3. Обнаружение влияния нанокристаллических частиц фаз старения на формирование однородного нанокристаллического состояния в сплавах никелида титана после ИПДК и отжига.

4. Обнаружение размерного эффекта в нанокристаллических сплавах на основе никелида титана. Определение температур мартенситных превращений в зависимости от размеров зерен и построение соответствующих диаграмм.

5. Обнаружение высоких механических свойств нанокристаллических сплавов никелида титана, подвергнутых ИПДК и отжигу.

6. Обнаружение бароупругого эффекта памяти формы в сплавах никелида титана при изучении влияния гидростатического давления на их фазовое и структурное состояние.

Научная и практическая значимость работы Полученные в работе результаты вносят вклад в формирование новых представлений о возможностях, способах и условиях получения высокопрочного нанокристаллического состояния в сплавах с ЭПФ на основе никелида титана при интенсивной пластической деформации и последующих термических обработках, уровнях рекордных и благоприятных физико-механических характеристик. Предложены составы сплавов на основе никелида титана в качестве перспективных для создания высокопрочных объемных материалов с ЭПФ.

Экспериментально установлены принципы и основные способы их получения. Для ряда изученных сплавов построены диаграммы зависимостей критических точек термоупругих мартенситных превращений от размера зерна.

Комплексные исследования, участником которых являлся соискатель, и основные результаты которых представлены в диссертационной работе, выполнялись в соответствии с плановыми темами ИФМ УрО РАН (1996-2000, "Структура", №г.р.01.960003506;

2001-2005, "Медицина", №г.р.01.200103139; 2006-2010, "Структура", №г.р.01.2.006 13392) и в рамках выполнения государственных контрактов №02.513.11.3053 (2007 г.) и №02.513.11.3197 (2007-2008 г.г.) по ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", а также по проектам INTAS №№99-01741 (1999-2000 г.г.), 01-0320 (2001-г.г.), МНТ - № 2398 (2002-2004 г.г.), 3208 (2005-2007 г.г.), РФФИ №№ 0202-16420 (2002-2004 г.г.), 04-03-96005 (2004-2006 г.г.), 05-02-16728 (20052007 г.г.), 07-03-96062 (2007-2009 г.г.), 08-02-00844 (2008-2010 г.г.), региональной научно-технической программы "Урал" (1999-2001 г.г.), программы комплексных интеграционных проектов ученых СО и УрО РАН (2001-2009 г.г.), молодежного проекта УрО РАН №51 (2009 г.).

Достоверность Достоверность и обоснованность представленных в диссертации результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием комплекса современных методов оптической металлографии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа, микрорентгеноспектрального анализа, дифферециально-термический анализ, измерения механических, электрических и магнитных свойств, анализом большого числа полученных данных и их сопоставлением с известными в научной литературе представлениями и результатами.

ичный вклад Вошедшие в диссертацию результаты получены автором под научным руководством д.ф.-м.н. В.Г. Пушина, а также совместно с д.ф.м.н. Р.З. Валиевым. Автором подготовлены образцы для структурных исследований и измерений электрических, тепловых, магнитных и механических характеристик, выполнены все структурные исследования методами рентгенодифрактометрического анализа, просвечивающей и растровой электронной микроскопии и проанализированы полученные результаты. Измерения электросопротивления проведены в лаборатории низких температур ИФМ УрО РАН совместно с д.ф.-м.н. Н.И. Коуровым, магнитной восприимчивости - в отделе магнитных измерений ИФМ УрО РАН совместно с к.ф.-м.н. А.В. Королевым. Диаграммы растяжения и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) были получены в Институте физики перспективных материалов УГАТУ (г. Уфа). Образцы подвергали интенсивной пластической деформации кручением, в основном, в ИФПМ УГАТУ (г. Уфа).

Автор принимал участие в постановке задач, в обсуждении и интерпретации всех полученных результатов, формулировании основных положений, выводов и рекомендаций, а также написании статей.