автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Фазовые превращения в сплавах на основе интерметаллидов NiAl и MnHi

ии

ТУШЛЗШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правм рукописи

скотнштл альгл нилшвнл

УДК 669.018.6

ОЛЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАК НА ОСНОВЕ ЕЯГГЕРШАШЩОВ 1ИЛ1 И 1?пШ

Рп?щюлмгозть ОБ, 16.01. - Мегаяло&эдеше и термическая

ойрзйотка металлов

А з и р е к г- . ^ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

>

Тула, 199?

Работа выполнена в Тульском государственном университете'

Научный руководитель. - доктор технических наук,

профессор Головин С. А.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

Удовенко В.А.

- кандидат технических наук, Наумов Г.И.

Ведущее предприятие - Конструкторское бюро приборостроения, г. Тула

Защита состоится " 23 " декабря 1997 г. в в 9 учебном корпусе ТулГУ, ауд. 101 на заседании диссертационного совета К.063.47.02 в Тульском государственном университете по адресу: 300600, г.Тула, пр. Ленина, 92. ~ ■ ' > С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТулГУ.

Автореферат разослан " 21 " ноября 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, __ Ог~~—"

кандидат технических наук, доцент Гончарен ко И. А.

- з -

1. ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ.

Актуальность темы. Изучение природы мартенситнсго превращения (МП) в металлах и сплавах связано о именем Г.В.Курдюмова, в трудах которого заложены основы современного понимания кристаллографии; металлографии, кинетики и термодинамики одного из наиболее распространенных фазовых превращений в твердых телах. В настоящее время актуальность проблемы и масштабы изучения мартенсипых превращений значительно возросли. Такой интерес к МП обусловлен возможностями совдепия материалов пегого ттокшгения о вацанными свойствами (термиуиьу-гость, сверхупругость, эффект -памяти формы.(ЭПФ), высокач дампирующая способность и т.д.), обеспечивавшими решение важных технических задач Новой и космической техники..

Сплавы памяти формы являются типичным образцом разработок направления: "новые материалы - новые применения". Экспериментальное- и теоретическое изучение ЭПФ нашло отражение в работах отечественных и зарубежных ученых (А.А.Ильина, .В.Л.Лихачева, Е.З.Винтайкинз, С.Вей-мана и др). ЭПФ, в''формировании" которого'основную роль играет тсрио-упругое МП, обнаружен у широкого круга сплавов, в частности, и сплава: систем П-Ш, Си-А'1, Си-Мл, Аи-С^, Си-гп-А1 и др. -Применяют сплавы памяти формы на основе интерметаллидов N1Т1, айп, СизА1, которые обладают высокими характеристиками формовосстановления.

Однако, диапазон рабочих температур, определяемый температурами МП, "большинства указанных сплавов памяти ограничен интервалом от -100 до 100 °С. В то же время для работы элементов современных конструкций требуются -более -высокие рабочие /температуры., ~Отчаоти гту проблему решает путем комплексного легирования. Однако, существенно повысить температуры МП в известных сплавах не удается.

-------- Поиск новых - перспективных материалевфрозмокен на основе., интерметаллидов МпШ и ША1. В интерметаллиде МпШ при температуре около 700 °С происходит аглотропическое превращение из 0-фа?ы со структурой Е2 в 8-фазу со структурой Ы0. С точки зрения кристаллогеЬметрми это превращение аналогично термоупругим мартенситным превращениям а изЕестяах сплавах памяти- формы на основе, интерметаллидов-Си2п, СизА1. Моноалюминид никеля имеет широкую область гомогенности: 45. . .64 ат.5Ш при 900 °С, причем ОЦК-структура В2 остается упорядоченной в пределах всей области гомогенности вплоть- до температуры плавления. Протекающее в интерметаллиде ША! МП является термоупру-

гим. Существенным недостатком сплавов на основе интерметаллидов NiAl и MnNi является высокая хрупкость. Проблема разработки новых технологичных компоешшй с ЭПФ весьма актуальна. . .

Диссертационная работа выполнена в Тульском государственном университете в соответствии о тематическим планом НИР, координируемым Министерством общего и профессионального образования РФ (тема N 06-95).

Цель работы. Изучение кинетики-и механизмов фазовых превращений в легированных сплавах на основе интерметаллидов NiAl и MnNi методом внутреннего трения и разработка на этой основе рекомендаций для создания технологичных сплавов памяти формы с расширенным диапазоном рабочих температур.

Автор защищает: '

- влияние легирования железом, марганцем, титаном, алюминием на характер и параметры аллотропического превращения в сплавах на основе интерметаллидов NiAl и MnNi; '

- влияние.легирования*на структуру и свойотва сплавов на,основе интерметаллидов NiAl и MnNi;

- метод регулирования температурного интервала мартенситного -превращения путем термической обработки в сплавах систем ÎAi-Ni-Ti и Mn-Ni-Al.

Научная новизна:

- обоснован метод внутреннего трения для изучения фазовых превращений в интерметаллидах NiAl и MnNi и сплавах на их основе; полу-ченц систематические данные о температурных спектрах внутреннего трения и модуля упругости в интервале температур -160...600 °С; в сплаве 64Ni36Al выделена температурно8ависимая составляющая Q-1t в диапазоне частот -1000 Гц;

-определена температурно-концентрационная область проявления термоупругого превращения в исследованных сплавах;

- в сплавах систем Ni-Al, Mn-Ni-Ti, Mn-Ni-Al установлены закономерности формирования двойниковой структуры в процессе превращения и ее характеристики (средняя ширина-двойника);

- в высоколегированных сплавах систем Mn-Ni-Ti и Mn-Ni-Al интервал МП зависит от скорости охлаждения при термической обработка; изменение режима 1 охлаждения при. термообработке может быть способом регулирования рабочих температур сплавов,

Практическая ценность работы. Определены характеристики, тип МП в легированных интерметаллидных сплавах, что может явиться основой для разработки новой группы технологичных материалов с памятью формы с расширенным диапазоном рабочих температур на основе интерметэлли-дов MiAl и MnHi. Для регулирования температурного интервала проявления ЭПФ предложены легирование и термическая обработка.

Общая методика исследований. Изучение влияния легирования, термической' обработки на тип фазового перехода, температурный спектр внутреннего трения и модуля упругости проводили на среднечастотной установке РЖГМУ-ТулПЙ зз диапазоне температур -150. . .600 °С. Мик-рсструктурные исследования выполняли на . оптических микроскопах МИМ-8М, "Neophot-21". Рентгеноструктурный анализ проводили с помощью дифрактометра, ДР0Н-2.0. Измерения твердости выполняли на твердомере ТК-2М, микротвердости - на приборе ПМТ-З. Статистическую обработку экспериментальных результатов выполняли в соответствии с ГОСТ 8.207-76.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на XXXI - XXXIII '(1995.- 1997) научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ, International Conference on Martensitic Transformation (IC0MAT-95; Lausanne, Swet-zerland), Международном семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж, 1995), IX Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явлбния в твердых телах" (Тула, 1997), II региональной научно-практической конференции "Повышение 'долговечности оборудования и восстановление деталей машин: опыт, проблемы, перспективы". (Новомосковск, 1997 г.).

Публикации*. По теме диссертации опубликовано Б печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения,_ четырех глав, заключения, списка литературы, двух приложений. Работа излажена на 130 страницах машинописного текста и содержит 55 рисунков, 14 таблиц и библиографию ий 126 наименований.

Работа выполнена при научной консультации к.т.н., доц. Марковой Г.В.

. 2. 'ОСНШНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной теш, сформулирована цель исследования, представлены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертации. Рассмотрены особенности МП вообще и термоупругого МП в частности. При изучении сплавов с термоупругим МП определены факторы, способствующие возникновению термоупругости. Это низкий объемный эффект при фазовом переходе, наличие упорядочения как в матричной, так и в мар-тенситной фазах, низкая симметрия мартенситной фазы по сравнению с исходной, малый гистерезис превращения,- высокая подвижность межфазных границ (№Г). Проанализированы причины возникновения ЗПФ, в формировании которого основную роль играет термоупругое МП. ОсновнЬы механизмом деформации сплавов с ЭПФ, находящихся полностью в мартен-ситном состоянии,-независимо от типа внутренних дефектов, является деформация ДЕСйникованием, которая может быть восстановлена в результате действия ЭПФ и обусловлена взаимодействием между двойниковыми доменами. '

Системы, в которых аллотропическое превращение происходит при высоких температурах и обладает перечисленными выше признаками, могут стать основой для создания новой группы сплавов с памятью формы, в которых температуры превращения было бы можно регулировать легированием шш термической обработкой. •В связи- с этим особое .внимание привлекают сплавы на основе }1Нтерметаллидов ША1 и Мп(И. - Исходная О-фаеа а тих интерметадлидов упорядочена по типу В2. МП, протекающее в сплавах Н1А1, является термоупругим, а в сплавах МпН1 - обладает прививками термоупругого.

'Анализ состояния вопроса показал, что недостаточно изучено влияние легирования на свойства сплавов на основе интерметаплидов [ИА1 и ).1пН1, отсутствуют результаты исследований параметров двойниковой структуры сплавов на основе интерматаллидов.

В литературе отсутствуют данные комплексного исследования особенностей поведения внутреннего трения (ВТ) и модуля упругости (МУ) при фаг-овш. превращении в сплавах'на основе интерметаплидов ША1 и МпШ.'й то «е вромя метод ВТ является высокоинформативным при изучении фааовнх перс-ходов. Анализ температурных зависимостей ВТ (ТЗВТ) и НУ .П'ЗМУ) макет дать информацию о типе и температурах фазового пе-

рехода, гистерезисе превращения. Используя метод ВТ, ¡/окно провести .анализ влияния различных факторов на фазовый перохот. Кроме того, применение метода ВТ дает возможность получить сведения о некоторых дополнительных характеристиках''сплавов (например, интервале элиНвар-цости).

На основании проведенного анализа состояния .вопроса определены основные задачи исследования:

,1. Обосновать, метод механической спектроскопии для ивучедия £а-зовых превращений в сплавах' на основе интерметаллидов М1А1 и Мп!11.

»2. Установить еаюзцомёрноохи'формйрав&шп упругих- и н^угручх аномалий в. области фазового перехода в сплавах На основе интерметап- ' ладов М1А1 и МгМ.

3. Исследовать влияние легирования на тип аллотропического превращения, его характеристики, параметры структуры, свойства сплавов на основе интерметаллидов П1Д1 и МпШ.

4. Определить влияние различных режимов охлаждения -при терми- . ческой обработке нз параметры фазового превращения, структуру спла- . бое на основе интермэталлида НИШ.

б. На основании полученных результатов разработать рекомендации по созданию технологичных сплавов с памятью формы с расширенным диапазоном рабочих температур.

Во второй главе обоснован выбор материалов, . описаны технология изготовления сплавов и методика экспериментов. Приведены составы исследованных сплавов систем Ш-Л1, !И-Л1-Ме(Ре, ■ Мп), Мп-'Н, Мп-М1-М®(Т1. А1) (таблица).

Химический: состав: сплавов

- в -

1 Образцы для измерении ВТ имели диаметр 6...8 мм и длину 150. ..ЕОО мм. Предварительно проводили термическую обработку по ре-.жимам: 1) сплавов систем Ni-Al, Ni-Al-Me(Fe,Mn) - вакалка от 1Е00 °С в масло; Е) сплавов систем Mn-Ni, Mn-Ni-Me(Ti,Al) - вакалка .от 900 °С в воду. При исследовании влияния условий охлаждения на структуру и свойства сплавов системы Mn-Ni-Me(Ti,Al) применяли охлаждение о печью и на воздухе. . . ^

Для решения поставленных задач использовали резонансный метод измерения ВТ и упругих свойств на установке РУВТМУ- ТулПИ в килогер-цевом диапазоне частот (f^0,6...1,2 КГц) при амплитуде деформаций •vlO-6. Измерения температурных зависимостей ВТ и МУ (Е) проводили в широком интервале температур (-1Б0...600 °С). Скорость нагрева и охлаждения в общем случае составила -.3 °С/мин. Расчет динамического модуля нормальной упругости проводили в соответствии с ГОСТ 2515В-82

-Дилатометрический анализ испольвовали для определения температур аллотропического превращения. Дилатометрические измерения производили на кварцевом индикаторном, дилатометре часового типа. Металлографические исследования выполняли на микроскопах МИМ-8М, "Neophot -21" при увеличении xlOO...х1250. Испольвуя металлографический ана-• лиз, определили количественные характеристик двойниковой структуры (среднюю ширину двойника). Полученные экспериментальные результаты обрабатывали на ЭВМ о помощью ШЩ "Statgraphics".. Измерения твердости сплавов выполняли, на твердомере ТК-ЕМ методов Роквелла при нагрузке 60 кг. Для определения склонности сплавов к микропластической деформации измеряли микротвердооть оцлавов на приборе ПМТ-3 при различной величине нагрузки на индентор. Для определения параметров решетки фаз проводили рентгеноструктурный анализ ца установке ДРОН-Е.О с использованием кобальтового Кя-излучения;

Статистическую обработку, результатов измерений выполняли в''соответствии с ГОСТ 8.207-76.

В третьей главе представлены экспериментальные данные о температурных спектрах ВТ и МУ сплавов систем Ni-Al'-и Ni-Al-Me(Fe,Mn). На ТЗВТ сплавов 63Ni37Al, 64Ni36Al, 60Ni20Al20Fe обнаружен максимум, сопровождающийся .ДЕ-эффектом на ТЗМУ. На примере сплавов 64Ni36Al и 60Ni20Al20Fe проанализировано влияние скорости изменения температуры (dT/dt) и времени изотермической выдержки на высоту максимума ВТ Ц-1тах- Здесь же приведены результаты исследования количественных

.характеристик двойниковой структуры М1-А1-сплавов (средней ширины • двойника Ъдв)" --------- ~ - ~ --■- - -------

Аналив ТЗВТ и ТЗМУ сплавов систем Ы1-А1 показал, что в каждом 'т рассмотренных сплавов имеет место.аномалия в поведении упругих и неупругих свойств (рис.1). Появление пика ВТ, сопровождающегося дефектом МУ при температурах превращения, является характерным признаком мзртенситных превращений, близких "к фазовому'переходу II рода. Обнаружение подобных признаков в исследованных сплавах системы Ы1-А1 позволяет считать, что наблюдаемые эффекты имеют термоупругую мар-тенситнуя природу. При незначительнее кам$й«ШШ соотага салопа температура аномалий меняется весьма существенно: с повышением епдериа-кия никеля всего-на 1 атЛ происходит сдвиг температуры пика ВТ и минимума МУ в область более высоких температур (от 30 до 190 °С). Соответственно, повышается температура начала МП Мн, что согласуется с литературными данными, полученными другими методами. При атом 'гистерезис превращения увеличивается (от 20 до 65 °С).

Па ТЗМУ всех изученных сплавов выше температуры превращения наблюдается Ьшрокая ' ЗДПНваркзя область (на 200. . .300 °0 выше- температуры Ак)> Б которой изменение МУ не превышает 2 %. Возникновение пологих участков на температурной зависимости упругих констант выше температуры МП в интерметаллиде с Е2 структурой связано с развитием структурной неустойчивости исходной фазы относительно сдвигов

тохпо>.

Комплексное исследование мартенситного пика ВТ 'в сплаве с 64 ат.% Ш показало, что- высота Ц-1та;<, а также площадь под кривой Ц_1(Т) (Зц, -мм2) зависят от.скорости ^вменения температуры с1ТЛк. Зависимость описывается линейным законом:

с!Т

. . . ОГ^ах 4 (£0 + 0,7- —-) -10"4,

.......дх ■

йт , • '

Бп = (205,7 + 20,4-. -) -1СГ\

' ¿X ' - ' -

Согласно модели Вед-Хаыбика, п;ис ВТ, формирующийся в интервале температур МП, является суперпозицией трех составляющих, ио которых лишь одна - температурнов{1бис1!мая компонента СГ3^ - зависит от скорости ивменения температуры. Две другие составляющие полного ВТ связаны недосредственно с фазовым превращением 'и с рассеянием

ш 10*

20 {О

1

(

/

1..

ч \ £ ? V* 1 ""V •4' р

V - ь

йЬ

-у ?

/2"

-•Л

, «¡Г? 1

№

200 № № №

т

00

• -то о щ т ш °с

РноЛ. ТЗВТ ц ТЗМУ оддавов 63АЙ37Ае(°) . 64ЛК36А6 , 65М35А& Ш1ЮАВ20Тв (♦).

1Г' №ц №

№

|70 ИБО

1— ■у/

■ ^ ,ГТ

/

5 1,6 0,5 Д8 1,2 Ьднм

а) 5)

Рис.2. Завдеюзооть Ег1п(^| сплавов систем №-АВ(а) и Ма-Ш -Ме(Т1 ,Ае} (й).

энергии в ДЕух сосуществующих фазах (СГ1^) - исходной и мартенсит- ной.---------- ------ --------------- — - '--------- ■ ------- ----------- - -

Полученные результаты показывают существование температурноза-висимой компоненты СГН в фазовом пике ВТ. Линейная зависимость предсказывается большинством моделей для компоненты полученной

при низкочастотных измерениях. Существование компоненты является нехарактерным для килогерцевого диапазона частот. Существующие модели связывают появление компоненты СГН с деформациями, возникающими при фазовом превращении "исходная фаза-мартенсит" под действием •¿•¿ыпсрахурц или »(¡шшшк ¡¡апрлдгкд??. . С5дару.™с:и:е {сс-шюиепти <}~Ч в килогерцевом диапазоне частот означает, что за премя высокочастотного нагружения '(-0,1 о) МЕГ успевает сместиться на значительное расстояние и количество мартенситной фазы возрастает. Наличие компоненты а сплаве свидетельствует о чрезвычайно высокой подвижности М$Г, что может быть обусловлено весьма малым значением критического напряжения сдвига, высокой ее. когерентностью, а также наличием последовательных ' промежуточных состояний при переходе исходная фа-

-зз*«2ртенсит......- - •

Существование температурнозависимой компоненты в сплаве

64Ш36А1 подтверждается также результатами изотермических измерений при температуре максимума ВТ. 0 течением времени величина Ц-1тах интенсивно уменьшается по следующему закону:

СГЧпах = 0,003 • ехр(-0,029 -1). "

Изменение МУ во времени .противополцладо изменению ВТ. Значение Е, напротив,- возрастает и описывается выражением:

Е = (168,7 +.8,6*1 п х) *103.

Постоянные времени релаксации для й-1 и Е практически одинаковы (Аг^Ае-? мин), что позволяет предположить единообразие действующ?« механизмов. Принимая во внимание, что температурнозависимая компонента ВТ Ч формируете^ вследствие деформаций, -.вызванных- напряжениями при МП, уменьшение Ч-1тах во времени объясняется релаксацией фазовых напряжений при остановке превращения. Релаксация напряжений приводит также и к повышению МУ. "

Проведенные- исследования показали, что Иi-Al-сплавы характеризуются двойниковым строением. В данной работе была определена количественная характеристика двойниковой структуры Е изученных сплавах системы Ni-Al - средняя ширина двойника (ЬЛЕ). Разница между полученными значениями Ндв оказалась в" основном значимой. С повышением содержания никеля от 63 до 66 ат.% Ьда увеличивается -от 1,46 до 1,61 1<(км. Еыла предпринято попытка установить взаимосвязь между средним значенной Ищ и величиной № при Ш (ркс.Е.а). В случае Ш, близкого к фаговому переходу ' 11 рода, в прэдуартенситном состоянии происходит 'размягчение?' МУ по мере. приближения к топке Мц и формирование ДЕ-зфф&кта. '"¡Размягчение" модуля облегчает процесс образования и последующего;роста ззродышз мартенсита. Принимая процесс двойиикова-Ш1Я в качестве механизма для снятия напряжений, образование . более тонких двойиикоз следует сгиидать в сплавах с более высоким уровнем внутренних напряяешш. В изученных сплэенх системы Ni-Al с увеличением содержания никеля модуль Е исходной фазы повышается, а аффект "размягченности" модуля уменьшается, т.е. . превращение исходная фа-ва-»мартенсит происходит с увеличением напряжений в матричной фазе по мере увеличения содержания никеля. Следовательно, образование более-тонких двойников следовало бы омйдать в сплавах с большим содержанием никеля. Одкаш, наблюдается обратная функциональная зависимость значения h-n «т состава. Такое особое поведение Ьдв монет быть обус- -ловлено промежуточными преврацещшми, протекающими в процессе фазового перехода. . '

При иооло.цовашш влияния легирования железом на. свойства сплавов системы (ii-Al было обнаружено, что легирование железом в количестве 4,ат.Х eû счет'Iii подавляет .МП. При комнатной температура сплав шасг? структуру несдвойникованиой р-фавы.

Иа.ТВсТ к Т2КУ сплава 6ÖHiß0AlE0Fo, легированного за счет Iii U Al, наблюдается ВТ и аномалия Шг в диапазоне температур

-Ю0...Б0°С (рис.1). Гистерезис'превращения-составил 4S Совокупность обнаруженных' признаков свидетельствует о протекании в спла- ' ье термоупругого МП. ' ' ' '

АНали-и зависимости фазового пика ВТ от dT/dt показал, что нц его высота Q_1nûx. ни площадь (Sq) под кривой Q_1(T) ре изменяются о увеличение« серости нагрева. Исследования поведения ВТ и МУ е изо-термичосга.ч условш»х показали, что уровень ВТ и вначение модуля Е а процесса выдержи при температуре практически не изменяются.

«

Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии тэмпературноза-висимой , компоненты СГН полного ВТ, что характерно для измерений в килогерцевом диапазоне частот. По-видимому, МЭГ в сплаве с 20 ат.% Ре менее подвижны, чем в сплаве 64М136А1.

Дюрометрические исследования показали, что сплав 60М120А120Ге кмеет самую низкую твердость (21 HRC). Для нелегированных М1-А1-сплавов твердость изменяется а пределах ЗЭ...Б5 Н!Ю. Низкую твердость сплава с 20 ат.%Ге можно объяснить тем, что структура сплава включает в себя эвтектику (у+г). Фазы, составляющие эвтектику, являются пластичными. С другой стороны, во всем исследованном* интервале температур МУ сплава с 20 ат. изменяется й пределах (142.. .158)-Ю3 МПа, что ниже, Чем значения модуля Е нелегированиых сплавов системы Мх-А1 [(160...210)-103 МПа] (рис.1). Следовательно, легирование Ы1-А1-сплавов железом приводит к понижению сил межатомного вваимодействия. Данное обстоятельство может являться одной из -причин повышения их пластичности.

Таким образом, легирование сплавов системы Ш-А1 железом за .счет N1 и А1 при содержании N1=60 ат.% является перспективным направлением, поскольку при этом повышается пластичность сплавов и сохраняются признаки термоупругого МП. Оптимизируя состав сплава, можно добиться реализации термоупругого МП и, соответственно, ЭПФ в необходимом интервале температур.

- Результаты исследований влияния легирования марганцем на свойс- 1 тва сплавов на основе интерметаллида М1А1 показали отсутствие аномалий в поведении МУ; во всем'интервале температур происходит плавное уменьшение значений модуля. Структура сплавов, легированных марганцем, характеризуется двойниковым строением, что может являться свидетельством протекания МП. Однако, "размягчения" модуля Е при атом не наблюдается. Следовательно, МП, если и происходит, то не является термоупругим. Кроме того' сплавы характеризуются"высокой твердостью' (64 НИС) и хрупкостью. Таким образом, легирование марганцем подавляет развитие термоупругого МП и, в свявй с этим, не перспективно для \ последующих исследований.

В четвертой главе изложены результаты исследований температурных спектров ВТ и МУ сплавов систем Мп-Ы!, Мп-Ш-Ме(П, А1), которые показали понижение температуры МП (Мн) с увеличением содержания легирующего элемента" (рис.3). Представлены'экспериментальные"данные о влиянии скорости изменения температуры и времени изотермической вы-

держки на высоту СГ^ах (на примере сплавов 50Мп40Ш0П и 50Мп401Ш0А1). Проанализировано влияние легирования титаном, алюминием на значение 1)дВ в сплавах. Изучено влияние режима охлаждения при термообработке на вид, характеристики МП легированного интерме-таллида МпШ.

Анализ ТЗВТ и ТЗМУ интерме.таллида МгШ покавал, что в изученном интервале температур никаких аномалий в поведении ВТ и МУ не наблюдается ни при нагреве, ни при охлаждении. Аллотропическое превращение в МгШ по литературным данным реализуется при температуре . -700 °С, что выходит из диапазона исследованных температур. Металлографический анализ показал, что структура сплава 'однофазна и представляет собой сдвойникованную В-фазу.

Анализ ТЗМУ сплав'ов 50Мп(50-Х)Н1ХТ1 показал, что с увеличением содержания титана зависимость Е(Т) видоизменяется: перегиб на кривой сменяется выраженным ДЕ-эффектом, наблюдаемым в увком температурном интервале (рис.4). Начиная с концентрации П=7,5£ на ТЗВТ формируется максимум ВТ. Анализ данных, полученных методами ВТ и дилатометрии, позволяет считать, что наблюдаемые эффекты обусловлены МП. Дополнительным свидетельством МП является двойниковая структура, наб-• людаемая в сплавах.

При температурах выше ДЕ-эффекта во всех исследованных сплавах имеет место широкая элинварная область. . '

Легирование титаном повышает стабильность высокотемпературной В-фазы, вследствие чего понижается температура МП. При атом гистерезис превращения понижается от 65 до 36 °С. Уменьшение гистерезиса и усиление "размягченности" МУ свидетельствуют о том, что превращение приобретает термоупругий характер. Признаки термоупругости появляются, -начиная с 230 °С в сплаве с концентрацией титана 7,5 ат.% и бо- • лее. ■ . ' ^ •

Аналогичные исследования были ' проведены * на сплавах 50Мп(Б0-Х)М1ХА1. Поведение ВТ и МУ сплавов, легированных алюминием, .подобно тому, что-наблюдали в сплавах, легированных титаном. Алюминий также, как и"титан, смещает температурный интервал упругих и. неупругих эффектов в область более низких температур.' Следовательно, алюминий понижает температуры МП) но более интенсивно, чем титан, В то же время небольшой гистерезис превращения; уменьшающийся с увеличением концентрации алюминия от 35 до 25 °С, аномалия МУ, сопровождающаяся пиком ВТ, свидетельствуют, что с увеличением содержания ■

500 500

m zoo 200 {OD О

Рис.3. Зависимость темраратурц начала iff! Мн сплавов (4ц-Ni -Me of оодержаная легирующего элемента (Á или Ai ) .

£

алюминия более 7,5 ат.% МП приобретает черты термоупругого. Признаки термоупругости появляются, начиная от 180 °С в сплавах с концентрацией алюминия■10 ат.X и более. ' •

Исследования влияния скорости изменения температуры и изотермической выдержки на высоту пика ВТ в сплавах с 10 ат.ХИ и 10 ат.%А1 показали, что с увеличением скорости нагрева ни Бысота Q-1rnax. ни площадь Sq под кривой Q-1(T) не изменяются.■ В процессе изотермической выдержки уровень ВТ и значение модуля Е также мало изменяются. Следовательно, теипературнозависимая компонента ВТ Q-1t отсутствует, . что вполне ■ закономерно, для килогерцевого диапазона'частот.

Таким образом, протекающее в сплавах систем Mn-Ni-Ti и Mn-Ni-Al превращение является ыартенситным. По мере увеличения содержания легирующего элемента hill приобретает черты термоупругого. При атом легирование титаном является более благоприятным,.поскольку термоупругий характер МП реализуется при более высоких температурах, чем в сплаЕах системы Mn-Ni-Al, что позволяет добиться проявления, ЭПФ в области температур на ~200 °С выше, чем в традиционных сплавах памяти форш.

Проведенный металлографический анализ показал, что структура исследованных'сплавов систе^ Mn-Ni-Ti и Mn-Ni-Al является двухфазной (в'+r) и 0'-фзза характеризуется двойниковым строением.■ В изученных сплавах сцекшш еначение средней ширины двойника. Было обнаружено, что с увеличением содержания легирующего элемента в составе сплава значение МУ исходной фазы понижается, аффект, "размягченности" модуля увеличивается. Следовательно, ' превращение исходная. фааа-»мартенсит происходит с понижением напряжений в матричной фзве по мере увеличения содержания легирующего элемента. Исследования, проведенные на сплавах трех составов, не позволили выявить однозначной зависимости средней ширины двойника от содержания легирующего злемента. Однако -значение Ьдв и сплаве хорошо коррелирует с минимальным значением МУ в .точке превращения Emm (рис.2,б).

Дюрсметрические исследования показали, что легирование как титаном, ток и алюминием понижает твердость-иктерметаллида MnNi. Поскольку большинство интерметзллидных сплавов памяти характеризуются высокой хрупкостью, понижение твердости является благоприятным для создания новых технологичных сплавов с ЗПФ.'

Пройденные металлографические исследования, анализ ТВВТ и ТЗМУ показали, что изменение режима охлаждения при термообработке не ока--

зывает существенного влияния на структуру, характер, температуры МП в сплавах с содержанием легирующего элемента ме?'ое 10 ат.%. В этих сплавах состав фавы, в которой реализуется МП, не изменяется в про-• цессв термообработки. В высоколегированных сплавах наблюдается изменение температур МП при различных режимах термообработки. Так, в сплаве с.12,5 ат.-Ш Мн повышается от -20 до 72 °С с понижением скорости охлаждения от 400 до 0,014 °С/с, что связано с изменением состава фазы, испытывающей превращение, вследствие выделения третьей фазы при медленном охлаждении. По полученной зависимости температуры Мц от содержания титана определили степень обеднения матрицы титаном с понижением скорости охлаждения: после охлаждения на воздухе - на -1 при равновесном охлаждении о печью - на %. Металлографический анализ показал, что по мере уменьшения скорости охлаждения в 9-фазе выделяется вторичная фаза, предположительно й-П.

Таким образом, изменяя режим термической обработки, можночвлиять на структуру, состзв фазы, в которой протекает превращение, и, следователь норегулировать температурный интервал МП.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен и обоснован метод изучения кинетики фазовых превращений интерметаллидных сплавов Н1А1 и МгШ на основе анализа температурных (-150...600 °С) спектров модуля упругости и внутреннего трения. Признаками термоуйругого мартенситного превращения является формирование ДЕ-эффекта на температурной зависимости модуля упругости, сопровождающегося фазовым максимумом внутреннего трения в области температур превращения. По характеру изменения параметров упругих и неупругих свойств в области температур фазового перехода выделены две группы сплавов: -1) не-проявляющие признаков .-термоупругого - - мартенситного превращения и 2) обладающие признаками термоупругого мартенситного превращения.

2. В сплавах системы 1И-А1 с содержанием никеля'83 :т 64 ат.* в интервале температур -100...160 °С обнаружены максимумы внутреннего. трения и аномальное падение модуля Юнга,- что свидетельствует о протекании термоупругого мар.тенситного превращения. В сплаве с 65 ат.ХМЛ.признаки термоупругого.мартенситного превращения отсутствуют, .

.3. В сплаве 64М136А1 реализуется многоступенчатое мартенситноп превращение путем образования последовательных промежуточных струк-

- 10Г -

тур сдвига. Образующиеся межфазные границы "мартенсит-мартенсит" ка- ■ растеризуются высокой подвижностью, что приводит к формированию тем-• пературнозависимой компоненты СГ^Ч фазового пика внутреннего трения.

4. Определено, влияние легирования железом.(4,2, 5, 20 ат.Х) или марганцем (5, 15 атД) на температурные зависимости внутреннего тре-дия и модуля упругости, структуру сплавов системы Н1-А1. Введение 20 ат.% Ре при содержании (Л=60 ат.% изменяет температурный интервал проявления мартеиситного превращения при сохранении его термоупругого характера. Легирование марганцем или малым количеством железа подавляет развитие термоупругого мартенситного превращения и, в связи с зим, не перспективно для разработок сплавов с памятью формы.

5. Легирование интерметаллида МгШ титаном или алюминием повы-'шает стабильность матричной р-фазы и приводит к понижению температуры начала мартенситного превращения от 500 °С для сплава 50Мп45М15А1 до -80 °С для сплава с 12,Ъ7Л\-, при этом мартенситное превращение приобретает черты термоупругого., Признаки термоупругости обнаруживаются, начиная с '7,5Ш (Мн= 230 °С) в системе МгН-И-П и с 10%А1

(Мн=180 °С) в системе Мп-Мд.-А1, и усиливаются с увеличением содержа-#

ния легирующего элемента. В сплавах системы Мп-Их-П •термоупругие эффекты более интенсивны.

6. Определены количественные характеристики двойниковой структуры (средняя ширина двойника - Ьд?). С сплавах систем Мп-Мз.-П и Мп-Ш-А1 значение средней пшрины двойника определяется уровнем внутренних напряжений при фазовом превращении и коррелирует с минимальным значением модуля Юнга Етт в интервале температур мартенситного превращения. Наименьшему значению Ешп соответствует наибольшее вна-

' чекие средней ширины двойника. В сплавах системы Ш-А1 наблюдается иная функциональная зависимость величины средней ширины ДЕОйника от значения Етт, так как Ьдв формируется в результате последовательных промежуточных превращений.

7. В сплавах систем Мп-М1-Ме(П,А1) определено влияние режима охлаждения от 900 °С . (Уохл=0,014...400 °С/с) на характеристики мартенситного превращения, структуру.

В высоколегированных сплагах систем Мп-Щ-Ме(Т1,А1) с понижением скорости охлаждения изменяется фазовый состав сплава и, вследствие -этого, температурный интервал проявления термоупругого мартенситного превращения, например, в сплаве с 12,5 % И температура начала мартенситного превращения Мн повышается от -20 до 72 °С, в

сплаве с 10% Al Мн понижается от 180 до 125 °С, Меняя режим охлаждения , можно регулировать температурный интерЕач развития"термоупругого мартенситного превращения и сопровождающего его эффекта памяти формы.

8. Легирование марганцем существенно повышает твердость интер-металлида HiAl (до 64■HR0). Введение железа за счет никеля и алюминия способствует значительному понижению твердости сплапа ( до 21 HR0). Легирование как титаном, так и алюминием интерметаилида biiHl поникает твердость сплавов. Наиболее аффективно легирование алюминием.

9. Рекомендации по выбору составов и режимов термической обработки сплавов систем Ni-Al-Ms(Fe,Mn), Mn-Ni-Me(Ti,Al) для получения технологичных сплавов о аффектом памяти формы при повышенных температурах использованы ЦНШЧМ им.Й.П.Бардина и подтверждены заключением о полевности (заключение ИГО ЦНШЧМ им.И.П.Бардина от 23.10.97г.).

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Markova G., Golovin S., Levin D., Skotnikova 0. Martensi Lio transformation in 0-NiAl alloys with Fe and Mn. //Abstract International .Conference on Martensitic.Transformat ion (IOOMAT-95). Laüñ¿n-ne, Swetzerland. - 1995. - P.102.

2. Маркова Г.В., Скотникова О.И., Головин С.А. Внутреннее трэ-.ние, связанное с мартенситным превращением, в сплавах систзмн

Ni-Al-Me. //Тез. докл. Международного семинара. Воронеж. - 1995. -0. 46.

3. Маркова Г.В., Головин С.А., Скотникова О.И. Внутреннее трение, связанное с мартенситным превращением, в сплавах систем Ni-Al-Me. //Известия РАН. Сер. физическая. - 1996. - Т.60, ¡¡о. -С. 164-158.

4. Маркова Г.В., Скотникова О.И., Головин С.А. Неупругие эффекты, связанные с мартенситным превращением, в сплавах системы Мп-Ш-Ме. //Тез, докл. Международной конференции. Тула. - 1997. -С. 99 - 100.

5. Маркова Г.В., Скотникова О.И. Перспективы разработки новых сплавов с памятью формы о расширенным диапазоном рабочих .температур. //Тез. докл. региональной науч.-практич. конференции. Новомосковск, 1997. - С. 35.