автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Структура и свойства конструкционных сплавов на основе TiNi, подвергнутых прокатке с импульсным током

На правах рукописи

ПОТАПОВА АННА АЛЕКСАНДРОВНА

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПОДВЕРГНУТЫХ ПРОКАТКЕ С ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ

Специальность: 05.16.09-Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 г МАЙ 2014

МОСКВА-2014

005548771

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Столяров Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: Прокошкин Сергей Дмитриевич

доктор физико-математических наук, профессор Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", кафедра пластической деформации специальных сплавов, главный научный сотрудник

Колотушкин Владимир Павлович доктор технических наук

Открытое акционерное общество «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика A.A. Бочвара», отдел организации работ по нанотехнологиям и нано-материалам, главный научный сотрудник

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского»

Защита состоится 2014 года в _ часов на заседании диссер-

тационного совета Д 212.129.01 при ФГБОУ ВПО «МГИУ» по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1804.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГИУ» и на сайте сЬе.тъ)ч.г\л/$с*<псе./а45&а.с-Ь./0=66

Автореферат разослан «_»_ 2014 года

Учёный секретарь -j/

диссертационного совета Д 212.129.01 П&а^^*

Н.С. Вольская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном машиностроении, технике и науке одной из основных задач является разработка функциональных материалов с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств. В последние два десятилетия активно развивается научное направление по получению объемного наноструктурного состояния в металлах и сплавах. Наноструктурные материалы, как правило, по многим показателям превосходят свойства крупнозернистных аналогов. В настоящее время основным направлением получения объемных наноструктурных (НС) и ультрамелкозернистных (УМЗ) состояний являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД). Среди различных функциональных материалов особого внимания заслуживают сплавы с термоупругими мартенситными превращениями, обладающие эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхупругости (СУ). Из большого класса сплавов с памятью формы широко применяемыми являются бинарные сплавы на основе интерметаллида ТлЫк Такие сплавы находят применение в машиностроении в качестве термомеханических муфт, термоактиваторов, термодатчиков, болтов и заклепок для создания неразъемных соединений благодаря замечательному комплексу их физико-механических свойств: высокой прочности и пластичности, сопротивлению усталостному разрушению, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах.

Поскольку функциональные свойства сплавов на основе 'ПН1 являются структурночувствительными, они могут быть улучшены путем термомеханической обработки. Однако эти сплавы относятся к разряду труднодеформируемых, а их обработка методами ИПД часто проводится при повышенных температурах. Кроме того, ряд методов ИПД носит исследовательский характер, поскольку используемые при этом образцы ограничены в размерах. Таким образом, получение УМЗ и НС состояний в длинномерных полуфабрикатах из труднодеформируемых сплавов на основе Т1№ является в настоящее время актуальным и практически значимым.

С целью повышения деформационной способности сплавов на основе Т1№ и формирования в них УМЗ и НС состояний в настоящей работе предложено применить к ним деформационную обработку прокаткой с одновременным наложением импульсного тока. Предполагается, что такая обработка позволит получить не только заданные структурные состояния, но и существенно улучшить комплекс функциональных свойств исследуемых материалов.

Целью работы являлось исследование закономерностей формирования структуры и функциональных свойств конструкционных сплавов на основе Т1№ в процессе деформирования прокаткой с импульсным током.

Задачи исследования:

1. Определить влияние импульсного тока на деформационную способность сплавов на основе Т1№ при прокатке.

2. Изучить закономерности формирования микроструктуры и эволюцию фазового состава в сплавах на основе Т1№ в процессе прокатки с током и отжига.

3. Исследовать особенности проявления мартенситных превращений сплавов на основе TiNi в зависимости от фазового состава, режимов деформации при прокатке с током и отжига.

4. Исследовать влияние структурных состояний, полученных при прокатке с током, на характеристики памяти формы и сверхупругости сплавов на основе TiNi.

Научная новизна

Впервые показано, что деформация прокаткой с импульсным током способствует повышению деформируемости труднообрабатываемых сплавов на основе TiNi; установлено, что прокатка с током является эффективным методом управления структурой сплавов на основе TiNi, способствует получению нанострук-турного состояния, повышая при этом функциональные характеристики таких материалов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Сплав Ti50,oNi5o,o с исходной В19' мартенситной структурой обладает большей деформируемостью, чем сплав Ti49i2Nijoi8 с исходной В2 аустенитной структурой.

2. Большие деформации (е>1) достигаемые благодаря применению импульсного тока в процессе прокатки, а также последующий отжиг при 450-500 °С в течение 1 часа приводят к формированию УМЗ и НС состояний в сплавах на основе TiNi.

3. Прокатка с током способствует улучшению характеристик памяти формы при нагреве: коэффициент восстановления деформации может быть повышен до 80-98% в зависимости от состава сплава.

4. В сплаве Tiso.oNiso,о возможно проявление сверхупругого поведения после предварительной прокатки с током.

Практическая значимость

На основании полученных результатов по многократному повышению деформационной способности при прокатке с импульсным током, была разработана технологическая схема получения полуфабрикатов сплавов на основе TiNi, использованная в ООО «Промышленный центр МАТЭК-СПФ».

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены на конференциях «Бернштейнов-ские чтения по термомеханической обработке металлических материалов», Москва, 2009 и 2011; конференциях МИКМУС- 2009 и 2013, Москва; международной конференции «Fundamental and Applied Aspects of External Fields Action on Materials», Китай, 2010; конференциях XIX и XX «Петербургские чтения по проблемам прочности», Санкт-Петербург, 2010 и 2012; конференции НАНО-2011, Москва; молодежной конференции «Физика-химия и технология неорганических материалов», Москва, 2011; 51-й международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; конференции «XXXVII Гагаринские чтения», Москва, 2011; международных конференциях SMST-2011, Китай и SMST-2013, Чешская республика; международной конференции 9 th European symposium on martensitic transformations, 2012, Санкт-Петербург.

Публикации

По материалам диссертации автором опубликовано 12 научных работ, в том числе 6 статей в журналах из перечня ВАК и 3 статьи в журналах, цитируемых в международных базах Web of Science и Scopus.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, 6 глав и общих выводов; изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 15 таблиц и 77 рисунков; список литературы содержит 131 источник.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цели, задачи, научная новизна диссертационного исследования, положения, выносимые на защиту, приведено описание структуры диссертации.

В первой главе приведен обзор литературных данных, посвященный структурным особенностям сплавов на основе TiNi, а также влиянию на структуру и функциональные свойства таких сплавов различных видов термомеханической обработки, включая методы ИПД. Также приведено описание метода электропластической деформации и физических основ электропластического эффекта.

Во второй главе приводится описание материалов и методик исследования. Объектами исследования были выбраны сплавы TÍ49.2NÍ50.8 и Tiso.oNijo.O) имеющие в исходном состоянии при комнатной температуре структуру В2-аустенита и В19'-мартенсита и размеры зерен 50-80 мкм. Сплавы были изготовлены в ООО «Промышленный центр МАТЭК-СПФ» и поставлены в виде горячекатаных прутков длиной 135 мм и диаметром 06,1мм.

Исходные прутки подвергались прокатке в калибрах с одновременным воздействием импульсного тока. Прокатка проводилась при комнатной температуре со скоростью 5 см/сек в пошаговом режиме при регулируемом разовом обжатии по диаметру не более чем 25 мкм. Прокатка велась в режиме постоянной плотности тока (j~ 100 А/мм2) с частотой импульса v = 1000 Гц и длительностью импульса т=100 мкс. Истинную деформацию с при прокатке вычисляли по изменению площади поперечного сечения образца: е = In S02/SK2 (S0 - исходная площадь сечения прутка до деформации, SK - после прокатки с током).

Анализ структуры выполнялся с помощью оптического и просвечивающего микроскопов Axovert 40 МАТ и JEM - 100 В. Рентгеноструктурный анализ проводился для исследования эволюции фазового состава сплавов TÍ492NÍ50 S и TÍ5o,oNi5o,o на дифрактометре ARL X'TRA. Последовательность и температуры мартенситных превращений (МП) исследовали методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на приборе METTLER TOLEGO DSC822. Механические свойства определялись при растяжении на испытательной машине Ин-строн (модель 3369), а также с помощью измерения микротвердости на приборе ПМТ-3. Функциональные свойства определялись методом трехточечного изгиба при нагружении и разгрузке в испытательной машине Lloyd 30k Plus при последующем нагреве в интервале температур обратного мартенситного превращения для определения обратимой деформации и коэффициента восстановления. Для

определения характеристик сверхупругости изгиб проводили с промежуточными разгрузками при температуре выше Ак (температура окончания обратного МП).

В третьей главе приведены результаты исследования деформируемости сплавов ТцддМзо.в и Т15о,о№5о,оВ процессе прокатки с импульсным током. Показано, что использование импульсного тока непосредственно в процессе прокатки способствует многократному (в 6-10 раз) повышению деформационной способности сплавов на основе Т1№.. При этом, эффект повышения деформационной способности выражен сильнее у наиболее труднообрабатываемого без использования тока сплава (табл.1).

Таблица 1

Деформируемость сплавов, прокатанных с током и без тока_

Сплав Фазовый состав при 20 °С Предельная степень деформации при прокатке без тока, етах Предельная степень деформации при прокатке с током (¡=100 А/мм2), етах Предельная степень деформации при прокатке с током (/'=140 А/мм2),

Ti49.2Ni50.8 аустенит 0,1 1,2 3,6

Tiso.oNijo.o мартенсит 0,7 3,6 -

Деформационная способность сплава Tijo.oNiso.o выше, чем у сплава Ti49 2Ni5o.8 как без использования тока, так и при прокатке с током. Применение импульсного тока позволяет деформировать сплав стехиометрического состава до деформации е = 3,6 и более, что в 3 раза выше аналогичной величины для сплава застехиометрического состава. Деформационная способность последнего может быть существенно увеличена даже небольшим повышением плотности тока при прокатке. Так, при прокатке с током плотностью j=140 А/мм2 сплав Ti49.2Ni50.8 демонстрирует способность деформироваться до степени е=3,6.

Оценка уровня механических свойств при растяжении позволила судить о сильном деформационном упрочнении сплавов после прокатки с током: в сплаве Ti49.2Ni5o.8 уровень прочности до разрушения повышается в 1,7 раза (с 850 до 1500МПа) по сравнению с закаленным состоянием. Характер и интенсивность деформационного упрочнения оценивалась с помощью измерения микротвердости в процессе прокатки (рис.1).

Сплав застехиометрического состава, как до деформации, так и после, имеет более высокую микротвердость и более интенсивно упрочняется, чем сплав экви-атомного состава. Отжиг при 500 °С не приводит к качественным изменениям. С повышением деформации в процессе прокатки с импульсным током обоих сплавов происходит значительное повышение микротвердости по сравнению с исходным недеформированным состоянием (на 40% в сплаве Ti50,oNi50,ü и на 50% в Ti49,2Ni5o,8). При этом степень упрочнения для сплава застехиометрического состава выше, чем для эквиатомного, в котором с повышением деформации на графике микротвердости наблюдается насыщение.

Истинная деформация, е

Рис. 1. Деформационное упрочнение при прокатке с током: 1 - сплав Ti49.2Ni5o.8; 2 - сплав Tiso.oNiso.o; 3 - Ti49,2Ni5o.8 после прокатки с током и отжига при 500 °С; 4 -Tiso.oNiso.o после прокатки с током и отжига при 500 °С

Микротвердость была также выбрана критерием оценки термической стабильности прокатанных с током сплавов при последующем отжиге. Сплав Ti49.2Ni50.85 деформированный прокаткой с током до е=0,8 является термически более стабильным, чем сплав с е=1,2 при нагреве в интервале температур отжига 100-600 °С при длительности 40 минут. Характер изменения микротвердости является немонотонным, наблюдаются участки повышения и снижения микротвердости, связанные со структурными особенностями сплава. При этом значение микротвердости превышает уровень, соответствующий прокатанному состоянию.

В четвертой главе приведен анализ структурных изменений в сплавах Tiso.oNiso.o и Т149д№5о,8 в процессе прокатки с током и при последующих отжигах. Показано, что в сплаве Ti49i2Ni50,8 прокатка с током приводит к образованию полосовой деформационной структуры, а ширина таких полос уменьшается с 600 нм (при е=0,4) до 40 нм (при е=1,2) (рис. 2 а,б).

Отжиг при 450 °С приводит к образованию субзеренной структуры внутри деформационных полос (рис. 2в). Повышение температуры отжига до 500 °С приводит к образованию зеренной структуры во всем объеме материала вследствие рекристаллизации. Размер зерен тем меньше, чем выше предварительная деформация прокаткой: при е = 0,8 средний размер зерен составляет 180 нм (УМЗ структура) (рис. 2г), при е = 1,2 размер зерен лежит в НС диапазоне и составляет 80 нм (рис. 2д). Полученная наноструктура характеризуется однородностью по размерам зерен во всем объеме материала.

Особенностью структурообразования сплава, обогащенного никелем, при прокатке с током является постоянство фазового состава (основная фаза - В2 аустенит) на протяжении всего деформирования (рис. 3).Возможными причинами отсутствия прямого МП под воздействием деформации могут быть: смещение

температуры Мн (начало прямого МП), локальное воздействие тока, способное вызвать переход В19'—>В2, а также действие электропластического эффекта, способного сделать пластическое течение энергетически более выгодным, чем проявление деформационно-индуцированного МП.

Рис. 2. Структура сплава Тцд^Мя^ после прокатки с током: а) е—0,8; б) е=1,2; в) е=1,2 + отжиг при 450 °С (1 час); г) е=0,8 + отжиг при 500 °С (1 час); д) е=1,2 +

отжиг при 500 °С (1 час)

ТЦ|\П20 (115)

В2 (110)

В2 (211)

В2 (200) В2 (200)

20.00 30.00 10.00 50.00

70.00 80.00 90,00 100.00

Си-Ка (1.841874 А)

Рис. 3. Дифрактограмма сплава Тц^гМго.з после прокатки с током до

деформации е=1,2

В отличие от сплава Тц^Мзо^ в сплаве Тлзо.о^о.о под воздействием прокатки с током происходят циклично протекающие В19'^В2 и В2—» В19' МП (рис.4). В результате, в процессе прокатки с током структура сплава характеризуется смесью аустенитной и мартенситной фаз. Деформация в этом сплаве осуществляется путем двойникования исходной структуры с образованием, как и в предыдущем случае, полосовой деформационной структуры. Светлопольное изображение структуры сплава после деформации до е=0,8 характеризуется наличием тонких

(20-30 нм) полос деформации, а электроннограмма -наличием двойных рефлексов (рис.5а). Отжиг при 450°С сплава, предварительно прокатанного до степени е=0,8, способствует образованию неоднородной субзе-ренной структуры. Встречаются области, где сохраняется полосовая структура и области, характеризующиеся началом рекристаллизации. Прокатка с током до е=1,4 и последующий отжиг при 450°С приводят к образованию однородной наноструктуры со средним размером кристаллитов 60 нм (рис. 56). Дальнейшее повышение температуры отжига до 500°С способствует к росту зерен до 120-150 нм зерен. При холодной прокатке сплав деформируется более интенсивно, чем при прокатке с током. По сравнению с рис.5а, в соответствии с которым для структуры после прокатки с током (е=0,8) характерно наличие полосовой деформированной структуры, в структуре после прокатки без тока до той же степени деформации (рис.6а) полос деформации уже не наблюдается. Электроннограмма образца после холодной прокатки свидетель-ствует о более интенсивном развитии процессов фраг-

36 3 8 4 0 4 2 4 4 4 6 4 8 54 6 6 6 8 7 0 20, гр

Рис. 4. Дифрактограммы сплава Т^од^зо.о после прокатки с током

ментации при деформиро-ваиии и усилении текстурирования (азимутальное размытие рефлексов на рис. 6а по сравнению с точечными рефлексами на рис. 5а). Отжиг при 450 °С приводит к формированию зеренной структуры со средним размером зерен 40 нм (рис. 66), в отличие от аналогичного режима (е=0,8 + отжиг при 450 °С) при прокатке с током, при котором рекристаллизация не завершается во всем объеме. Все это свидетельствует о замедлении кинетики структурообра-зования в сплавах на основе ИМ при использовании в процессе деформирования импульсного электрического тока, оказывающего релаксационное воздействие на структуру. По-видимому, этот факт является следствием разгоняющего действия тока на скопления дислокаций («электронный ветер»), образующихся в процессе прокатки и упрочняющих материал.

Рис. 5. Структура сплава Т^о.о^о.опосле прокатки с током: а) е=0,8; б) е=1,4 +

отжиг при 450 °С (1 час)

Рис. 6. Структура сплава Тл5о,о№5о.о после прокатки с током: а) е=0,8; б) е=1,4 +

отжиг при 450 °С (1 час)

В результате менее интенсивных процессов деформирования температура рекристаллизации сплава сдвигается в сторону более высоких температур, что

ю

оказывает влияние на завершенность рекристаллизации после отжига и размер образующихся зерен. Однако, стоит отметить, что при прокатке без тока степень деформации е=0,7 является предельной для сплава "П5о,о№5о,о, дальнейшая прокатка приводит к разрушению. Использование импульсного тока позволяет многократно повысить деформируемость вплоть до рекордно больших деформаций (е=3,6) без температурного воздействия. И, хотя структура сплава после прокатки с током до е=3,6 не исследовалась в связи с ограничениями в размерах образцов для ПЭМ, можно предположить ее измельчение после отжига до размеров меньше, чем полученные при е=1,4 (60 нм после отжига при 450 °С), что является отражением преимущества исследуемого метода перед холодной прокаткой.

В пятой главе рассмотрены особенности проявления МП в сплавах ТЪо.о^о.о и ТП49,2№5о,8 после прокатки с током, а также влияние указанной обработки на карактеристики памяти формы и сверхупругости.

Показано, что прокатка с импульсным током приводит к возникновению двухстадийного прямого МП в сплавах обоих составов (В2 —> Я —» В19'), расширению температурного интервала превращений и их частичному подавлению, которое тем сильнее, чем выше деформация. Постдеформационные отжиги при 450 и 500°С восстанавливают протекание МП, сохраняя их двухстадийный характер при охлаждении, сужению температурного интервала превращения и увеличению величины температурного гистерезиса, который тем не менее остается меньше, чем в закаленном состоянии.

ДСК-анализ образца, прокатанного без тока (рис. 7), показал, что по сравнению с прокаткой с током калориметрические пики от него шире на 15°С, что свидетельствует о более высоких напряжениях в структуре и сильной структурной неоднородности, возникающих при интенсивной деформации. Стадийность МП не зависит от наличия тока при прокатке, т.е. структурообразова-ние при прокатке с током проходит в той же последовательности, что и при холодной прокатке, а импульсный ток оказывает лишь релаксационное воздействие на структуру. Сравнение показывает, что де-

10-

5-

-5-

-10

-15

-20

прокатка без тока

прокатка с током

52 °С

-150

-100

-50 0 50 Температура, °С

100

150

Рис. 7. ДСК-кривые сплава Т15о,о№5о,о после

прокатки с током (---) и без тока ( —) до

е=0.7

формация без тока приводит к подавлению мартенситных превращении в сплаве гП5о,о№зо,о, в то время как прокатка с током подавляет их в меньшей степени. Важность этого факта обусловлена прямой зависимостью свойств памяти формы от

ей

£ 90.

I 80

СО

0

1 70

2 ео

н

X

О)

¡Г 50

s

■е # 40

о

30

8/зг5%

8«зг10%

(а)

0,0

0,3 0,6 0,9 1,2 Деформация при прокатке стоком, е

1,5

100 л

90 80

£ изг 5%

I 70

§ 60 О

£ 50

X

аз

§ 40 §30

8 изг 10%

проявления МП (в отсутствии превращений обратимость деформации отсутствует).

Полностью обратимая деформация при проявлении ЭПФ, определенная в данном исследовании, составила 7,2% для сплава Т149;2№5о,8 и 4,9 % для сплава Т15о,(№о, о. Показано, что использование этого метода позволяет повысить коэффициент восстановления деформации К до 80-98% в зависимости от состава сплава

(по сравнению с 30-40% в закаленном состоянии) (рис.8).

Увеличение деформации при прокатке с током приводит к монотонному возрастанию коэффициента восстановления в сплаве Т149,2Н150,8 ДО 98% при максимальной деформации. В сплаве "Пзо.о^зо.о при повышении деформации до е~1 коэффициент восстановления достигает насыщения и сохраняется на уровне 75-80%о (при изгибающей деформации 10%). Стоит отметить, что образец сплава Т15о,оК15о,о после прокатки с током до е=3,6 не удалось подвергнуть изгибу до деформации 10%>; предельная изгибающая деформация для этого состояния составила 7,5%. Степень восстановления деформации в сплаве с Тц^Мзд (рис. 8а) выше, чем в Т15о,о№5о,о (рис. 86). Этот факт может быть связан как с наличием вторичной фазы Т13№4, выделяющейся только в сплаве, обогащенном никелем при отжиге, так и с различием в размерах структурных элементов в исследуемых сплавах после прокатки с током. Присутствие частиц вторых фаз, а также уменьшение размеров зерен приводит к упрочнению матрицы Тл№, что способствует увеличению дислокационного предела текучести. В этом случае во время изгиба деформирование по необратимому механизму дислокационного скольжения оказывается за-

20

8 изг 7,5%

(б)

0,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Деформация при прокатке стоком, е

3,5

Рис. 8. Зависимость коэффициента восстановления при нагреве в сплавах Т149,2№5о.8 (а) и Тл50,(№о,о (б) от деформации прокаткой с током (отжиг при 500°С; ХП -холодная прокатка; РК - ротационная ковка)

3000 п

труднено, и большая часть сплава деформируется по обратимым каналам - за счет переориентации мартенситных кристаллов; поэтому при последующем нагревании большая часть накопленной деформации восстанавливается.

Кроме того, наблюдается преимущество в величине К (на 10-15%) при использовании прокатки с током перед холодной прокаткой и традиционными методами горячей деформационной обработки (рис. 8).

Применение прокатки с током и возможность достижения больших деформаций способствуют повышению величины реактивных напряжений, генерируемых при нагреве в сплавах на основе ТПЧ1 до 820 - 950 МПа (по сравнению с 200 МПа в закаленном состоянии).

Прокатка с током позволяет регулировать параметры сверхупругости в сплавах на основе Т1№. Так, в сплаве Т149,21Ч15о,8 прокатка с током до е=1,2 и отжиг при 450 °С позволяют в 2,5 раза повысить величину обратимой деформации сверхупругого возврата (до 10%). В этом сплаве явление совершенной сверхупругости обнаружено во всех исследуемых состояниях в интервале температур Ак -Ак+10.,.20 °С. Повышение предварительной деформации прокаткой с током способствовало расширению этого интервала. В сплаве Т15о,(№о,о прокатка с током до е=3,6 позволила обнаружить эффект высокотемпературной (в интервале температур 65-100 °С) сверхупругости, величина полностью обратимой деформации при этом составила 1,5% (рис. 9). Факт обнаружения СУ в сплаве ^о.оТ^о.о свидетельствует о повышении дислокационного предела текучести вследствие интенсивной деформации прокаткой с током таким образом, что его величина становится больше, чем величина напряжения, необходимого для инициирования мартенситного превращения. В этом случае при увеличении напряжения деформирование за счет дислокационного течения оказывается менее предпочтительным, чем деформирования за счет обратимого фазового перехода.

В главе 6 рассмотрены возможности практического применения метода прокатки с током для получения полуфабрикатов и изделий машиностроения из

Деформация, %

Рис. 9. Сверхупругость в сплаве Т150,о№5о,о после прокатки с током: е=3,6 + отжиг при 450°С (1 час)

сплавов на основе "П№, обладающих увеличенным ресурсом функциональных свойств за счет возможности формирования НС состояний путем задания больших пластических деформаций. Разработана и рекомендована к использованию технологическая схема получения полуфабрикатов из сплавов на основе ТлМ, включающая применение импульсного тока на финишных стадиях обработки. Перспективность использования предложенного метода в машиностроении показана на примерах термомеханических муфт, самотрансформирующихся элементов, механических стопоров, приводов исполнительных механизмов и элементов пожарных датчиков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании результатов, полученных в работе, можно сформулировать следующие выводы:

1. Установлено, что применение импульсного тока при плоской и объемной схемах прокатки сплавов на основе ТлМ многократно (в 6-10 раз при ]=100 А/мм ) повышает деформируемость, причем тем сильнее, чем выше плотность тока (]). Сплав ТЬо.оМзо.о в исходном мартенситном состоянии обладает существенно большей деформационной способностью при прокатке с током и меньшим деформационным упрочнением, чем сплав Тц^К^о.в с исходной структурой В2-аустенита.

2. Показано, что в процессе прокатки с импульсным током наблюдаются следующие особенности в изменении структурно-фазового состояния: замедление кинетики структурообразования (менее интенсивные процессы фрагментации с увеличением деформации, повышение температуры рекристаллизации) вследствие релаксационного действия тока; стабилизация В2 фазы в сплаве Т^^Ь^о.»; цикличность проявления прямого В2->В19' и обратного В19'-*В2 мартенситного превращения в сплаве Ti50.0Ni50.0- Прокатка с током до истинных деформаций е > 1 и последующий рекристаллизационный отжиг при 450-500 °С приводит к образованию в сплавах на основе Т1№ наноструктурного состояния с размером зерен 6090 нм. При одинаковых условиях деформирования с током сплав Т150.о^5о.о имеет меньшую, чем сплав Т149.2№50.8, температуру рекристаллизации (на 70 °С).

3. Обнаружено, что прокатка с током приводит к проявлению двухстадийного мартенситного превращения при последующем охлаждении (В2—>11—»В 19') независимо от состава сплава. В отличие от обычной холодной прокатки, подавляющей проявление мартенситных превращений, прокатка с током (е < 0,7) сплавов на основе Т1№ способствует их сохранению.

4. Прокатка с током (е = 1,2; ] = 100 А/мм2) и последующим отжигом при 450 °С формирует высокопрочное состояние в сплаве ^д^Ь^о.в ,обеспечивающее уровень прочности 1500 МПа и относительное удлинение 15%.

5. Прокатка с током сплавов на основе ТПЧ! способствует улучшению их функциональных характеристик: повышению коэффициента восстановления деформации до 80% в сплаве ^о.о^о.о и до 98 % в сплаве Т149.2№5о.8 (по сравнению с 30% в закаленном состоянии); появлению совершенной сверхупругости с шириной

14

температурного интервала ее проявления 20-30 °С и величиной обратимой деформации сверхупругого возврата 5,5-10% в сплаве Tí49j2Ní5o,8- В сплаве Ti5o,oNi50,o прокатка с током приводит к проявлению совершенного эффекта сверхупругого поведения после е=3,6 и отжига при 450 °С, при этом температурный диапазон проявления эффекта 65-100°С, максимальная величина полностью обратимой деформации составила 1,5%. Наблюдается преимущество в величине коэффициента восстановления (10-15%) при использовании прокатки с током по сравнению с холодной прокаткой и традиционными методами горячей деформационной обработки сплавов на основе TiNi.

6. Разработана и рекомендована к использованию технологическая схема получения полуфабрикатов на основе TiNi, включающая применение прокатки с импульсным током на финишных стадиях деформационной обработки. Перспективность применения прокатки с током сплавов на основе TiNi показана на примерах термомеханических муфт, самотрансформирующихся элементов, механических стопоров, приводов исполнительных механизмов и элементов пожарных датчиков.

Результаты настоящего исследования изложены в следующих публикациях:

• в журналах, рекомендованных ВАК и цитируемых в международных базах Web of Science и Scopus

1. Потапова A.A. Структурные изменения при электропластической прокатке и отжиге в прутке сплава TiNi / А.А.Потапова, В.В.Столяров // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 2010. -№10. - С.68-71.

2. Бондарев А.Б. Функционально-механические свойства наноструктуриро-ванного никелила титана / А.Б.Бондарев, М.А.Хусаинов, В.А.Андреев, Г.В.Пластинина, A.A. Потапова // Вестник новгородского государственного университета. - 2010. - №60. - С.5-7.

3. Потапова A.A. Влияние режимов отжига на структуру и микротвердость прутка TiNi / A.A. Потапова, В.В. Столяров // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2011. - №11. - С. 41-45.

4. Потапова A.A. Исследование возможности применения электропластической прокатки для получения прутков из сплава TiNi / A.A. Потапова, В.В. Столяров, А.Б. Бондарев, В.А. Андреев //Машиностроение и инженерное образование. -2012.-№2.-С. 33-38.

5. Потапова A.A. Влияние исходного фазового состава на деформируемость, микротвердость и структуру сплава TiNi в процессе электропластической прокатки / A.A. Потапова, В.В. Столяров // Перспективные материалы. - 2013. - №2. -С.74-78.

6. Потапова A.A. Влияние интенсивной деформации прокаткой с током на характеристики памяти формы и сверхупругое состояние в сплавах на основе TiNi / A.A. Потапова, В.В. Столяров // Машиностроение и инженерное образование. -2014.-№1.- С. 21-28.

7. Potapova A.A. Deformability and shape memory properties in Ti50,oNi5o,o rolled with electric current (Деформируемость и свойства памяти в сплаве Ti5o,oNi50,o после прокатки с электрическим током) / A.A. Potapova, V.V. Stolyarov // Materials Science Forum. - 2013. - Vols. 738-739. - P. 383-387.

8. Potapova A.A. Deformability and structural features of shape memory TiNi alloys processed by rolling with current (Деформируемость и особенности в сплавах с памятью формы на основе TiNi, подвергнутых прокатке с током) / A.A. Potapova, V.V. Stolyarov // Materials Science and Engineering: A. - 2013. - V. 579. - P. 114-117.

• в других изданиях

9. Potapova A. Structure changes in TiNi- alloy processed by electroplastic rolling and postdeformation annealing / A. Potapova, V. Stolyarov // Fundamental and Applied Aspects of External Fields Action on Materials. - 2010. - P.390-400.

10. Потапова A.A. Применение электропластической прокатки для получения прутков из сплава TiNi / A.A. Потапова, В.В. Столяров // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2011. - С.164-170.

11. Потапова А.А. Свойства памяти формы в сплавах на основе TiNi, подвергнутых электропластической деформации прокаткой / А.А. Потапова, В.В. Столяров // МИКМУС 2013 труды конференции. - 2013. - С. 267-271.

12. Potapova A.A. Shape memory effects in TiNi-based alloys subjected to electro-plastic rolling (Характеристики памяти формы в сплавах на основе TiNi, подвергнутых электропластической прокатке) / Potapova А.А., Stolyarov V.V., Resnina N.N. // Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelas-tic Technologies.-2013. P.83-84.

2014, Москва ИМАШ РАН, участок полиграфии ОНТИПиВ Усл.-печ. листов - 1,16. Подписано в печать 25.04.2014 г. Тир. 100 экз.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

На правах рукописи

04201458376

ПОТАПОВА АННА АЛЕКСАНДРОВНА

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Т1№, ПОДВЕРГНУТЫХ ПРОКАТКЕ С ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ

Специальность: 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технически наук Столяров Владимир Владимирович

МОСКВА-2014

Оглавление

Введение..............................................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования..................................7

1.1. Сплавы на основе ИМ: особенности структуры и мартенситные превращения........................................................................................................................7

1.2. Эффект памяти формы и явление сверхупругости: характеристика, условия проявления, применение............................................................................................13

1.3. Влияние термической и термомеханической обработки на эффект памяти формы и сверхупругость............................................................................................16

1.4. Микроструктура и механические свойства сплавов И№, полученных методами интенсивной пластической деформации.................................................18

1.5. Влияние измельчения структуры на функциональные свойства сплавов на основе ТТ№.................................................................................................................23

1.6. Электропластическая деформация...................................................................26

Глава 2. Материалы и методика исследования............................................33

Глава 3. Деформационное поведение и термическая стабильность сплавов на основе И№ после прокатке с током.............................................................44

3.1. Деформируемость сплавов на основе Т1№ при прокатке с током................44

3.2. Деформационное упрочнение сплавов на основе ИМ при прокатке с током...................................................................................................47

3.3. Исследование влияния режимов отжига на стабильность структуры сплава ТцддМзоз, подвергнутого прокатке с током.............................................................54

Выводы по главе.............................................................................57

Глава 4. Эволюция структуры сплавов в процессе прокатки с током...................59

4.1. Структура сплавов в исходном состоянии.............................................59

4.2. Эволюция микроструктуры сплава Т149д№5о,8 в процессе прокатки с током и отжига..............................................................................................62

4.3. Эволюция структуры сплава Тл5о,о№5о,о в процессе прокатки с током...........75

4.4. Определение температуры рекристаллизации в сплавах Ti50,oNi5o,o и H^Nisc^,

подвергнутых прокатке с током...............................................................83

Выводы по главе.............................................................................86

Глава 5. Особенности мартенситных превращений и функциональные свойства сплавов на основе TiNi после прокатки с током..........................................87

5.1. Мартенситные превращения в сплаве Ti49>2Ni5o,8 после прокатки с током....87

5.2. Мартенситные превращения в сплаве Ti5o,oNi5o,o после прокатки с током....93

5.3. Характеристики памяти формы сплавов на основе TiNi, подвергнутых прокатке с током....................................................................................100

5.4. Влияние прокатки с током на величину реактивных напряжений в сплавах на основе TiNi..........................................................................................111

5.5. Влияние прокатки с током на параметры сверхупругости сплавов на основе TiNi...............................................................................................................................113

Выводы по главе...........................................................................117

Глава 6. Потенциальные области применения метода прокатки с импульсным током сплавов на основе TiNi..................................................................118

Выводы по главе...........................................................................128

Общие выводы по работе.....................................................................129

Список литературы..............................................................................131

Приложение......................................................................................141

Введение

В современном машиностроении, технике и науке одной из основных задач является разработка конструкционных и функциональных материалов с улучшенным комплексом технологических и эксплуатационных свойств. В последние два десятилетия активно развивается научное направление по получению объемного наноструктурного состояния в металлах и сплавах [1]. Эти материалы, как правило, по многим показателям превосходят свойства крупнозернистных аналогов. В настоящее время основным направлением получения объемных наноструктурных (НС) и ультрамелкозернистных (УМЗ) состояний являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД).

Среди различных функциональных материалов особого внимания заслуживают сплавы с термоупругими мартенситными превращениями, обладающие эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхупругости (СУ). Из большого класса сплавов с памятью формы наиболее известными являются бинарные сплавы на основе ин-терметаллида ТТ№. Такие сплавы находят широкое применение не только в машиностроении (термомеханические муфты, термоактиваторы, термодатчики, болты и заклепки для создания неразъемных соединений), но и в других отраслях техники, а также медицине благодаря комплексу их физико-механических свойств: высокой прочности и пластичности, сопротивлению усталостному разрушению, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах, биологической и биомеханической совместимости с живыми организмами [2,3,4].

Поскольку функциональные свойства сплавов на основе ТТМ являются структурночувствительными, они могут быть улучшены путем термомеханической обработки. Однако эти сплавы относятся к разряду труднодеформируемым, а их обработка методами ИПД проводится при повышенных температурах. Кроме того, ряд методов ИПД носит чисто исследовательский характер, поскольку используемые при этом образцы ограничены в размерах. Так, геометрические размеры используемых в настоящее время в схеме интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) образцов не превышают 20 мм в диаметре и 1 мм по толщине [5].

Таким образом, получение УМЗ и НС состояний в длинномерных полуфабрикатах из труднодеформируемых сплавов на основе Т1№ является в настоящее время актуальным и практически значимым.

С целью повышения деформационной способности сплавов на основе Т1№ и формирования в них УМЗ и НС состояний в настоящей работе предложено применить к ним деформационную обработку прокаткой с одновременным наложением импульсного тока. Предполагается, что такая обработка позволит получить не только заданные структурные состояния, но и существенно улучшить комплекс конструкционных и функциональных свойств таких материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые показано, что деформация прокаткой с импульсным током способствует повышению деформируемости труднообрабатываемых сплавов на основе Т1№; установлено, что прокатка с током является эффективным методом управления структурой сплавов на основе Т1№, способствует получению наноструктурного состояния, повышая при этом функциональные характеристики таких материалов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Сплав Т150,о№5о,о с исходной В19' мартенситной структурой обладает большей деформируемостью при прокатке с током, чем сплав с исходной В2 аустенитной структурой.

2. Большие деформации (е>1), достигаемые благодаря применению импульсного тока в процессе прокатки, а также последующий отжиг при 450-500 °С в течение 1 часа приводят к формированию УМЗ и НС состояний в сплавах на основе Т1№.

3. Прокатка с током способствует улучшению характеристик памяти формы при нагреве: коэффициент восстановления деформации может быть повышен до 80-98% в зависимости от состава сплава.

4. В сплаве Т15о,о№5о,о возможно проявление сверхупругого поведения после предварительной прокатки с током.

Практическая значимость результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем: на основании обнаруженного эффекта по

5

многократному повышению деформационной способности при прокатке с импульсным током была разработана технологическая схема получения полуфабрикатов сплавов на основе TiNi, использованная в ООО «Промышленный центр МАТЭК-СПФ».

Апробация работы: материалы диссертации были доложены на конференциях «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов», Москва, 2009 и 2011; конференциях МИКМУС-2009 и 2013, Москва; международной конференции «Fundamental and Applied Aspects of External Fields Action on Materials», Китай, 2010; конференциях XIX и XX «Петербургские чтения по проблемам прочности», Санкт-Петербург, 2010 и 2012; конференции НАНО-2011, Москва; молодежной конференции «Физика-химия и технология неорганических материалов», Москва, 2011; 51-й международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; конференции «XXXVII Гагаринские чтения», Москва, 2011; международных конференциях SMST-2011, Китай и SMST-2013, Чешская республика; международной конференции 9th European symposium on martensitic transformations, 2012, Санкт-Петербург.

Публикации: по материалам диссертации автором опубликовано 12 научных работ, в том числе 6 статей в журналах из перечня ВАК и 3 статьи в журналах, цитируемых в базах Web of Science и Scopus.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, 6 глав и общих выводов; изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 15 таблиц и 77 рисунков; список литературы содержит 131 источников.

Глава. 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Сплавы на основе "ПШ: особенности структуры и мартенситные

превращения

Интерес к всестороннему изучению сплава Т1№ существенно возрос-после обнаружения в нем в 1963 году [3,6,7] эффекта памяти формы, обусловленного термоупругим мартенситным превращением, вызвав необходимость уточнения диаграммы состояния ТТ№. Было установлено, что гомогенный интервал интерметаллического соединения ИМ лежит в пределах 49-53 ат.% N1 при температуре 800°С и 49,5-51 ат.% № при температуре 400°С [2]. За пределами области гомогенности сплав состоит в основном из фаз ГП№+ Т12№ при его обогащении относительно эквиатомного состава титаном и Т1№+ Т1№3 при обогащении никелем.

На рисунке 1.1 представлена диаграмма состояния системы Ть№ и возможные кристаллические структуры этой системы [8]. Электронно-микроскопическими и нейтронографическими исследованиями подтверждено наличие в сплаве ТСМ в исходном состоянии ф-фаза) сверхструктуры В2. Нарушение дальнего порядка не происходит вплоть до температуры плавления Т1№ [2, 9, 10,11].

В настоящее время установлено, что сплавы на основе соединения Т1№ в аустенитном высокотемпературном состоянии в пределах области гомогенности имеют ОЦК-решетку и являются твердыми растворами замещения [7,8,9]. Параметр решетки при стехиометрическом составе а=3,011-3,019А [8, 12]. Экспериментальные результаты исследований концентрационной зависимости параметра решетки и плотности в Т1№ показывают, что стехиометрическому составу соответствуют максимальное значение параметра решетки и немонотонная зависимость от концентрации (рис.1.2).

Реальные сплавы на основе ИМ всегда содержат в качестве примесных элементы внедрения: углерод, кислород, водород и азот. Они могут находиться в малом количестве в твердом растворе В2-фазы или образовывать самостоятельные фазы внедрения. Образование фазы Т14№2Ох возможно в сплавах Т1№ при

7

наличии в них даже незначительного количества кислорода [3, 7, 13, 14] и зависит от параметров кристаллизации сплава при выплавке, применения защитной атмосферы и температуры деформирования [15].

Рис. 1.1. Диаграмма состояния и кристаллические структуры системы 'П-М

а, нм

0,302 - N

0,301 1 | 1 \ I 1

V/ 48 49 50 51 N1, ат.%

Рис. 1.2. Концентрационная зависимость параметра решетки в Т1№

При понижении температуры ниже определенного значения, зависящего от состава сплава, Тл№ испытывает термоупругое обратимое фазовое превращение аустенита в мартенсит. К настоящему времени считается, что сплавы на основе Т1№ могут испытывать мартенситные превращения (МП) двух типов: В2—»В19' и В2—>11 [9,10,16-21]. МП в фазу В19' может осуществляться в последовательности В2—»Я—>В 19' [9,10,17-21]. Последовательность мартенситных превращений зависит от разных факторов: состава, термической обработки, давления и деформации.

Мартенситная фаза в двойных сплавах на основе Т1]\П имеет моноклинную (моноклинно-искаженную орторомбическую) элементарную ячейку с параметрами а=0,289 нм, Ь=0,412 нм, с=0,462 нм, р=97° и обозначается как В19' [10, 19, 22].

Элементарная ячейка Я мартенсита описывается как ромбоэдрическая с параметрами а=9,03 А и а=89,3° [23], а в гексагональном представлении я=0,734 нм, с=0,528 нм [19].

Температуры прямого (В2-^В19') и обратного (В 19'—>В2) мартенситного превращения из-за упругих искажений решетки не совпадают, что приводит к гистерезису и к появлению характерных температурных точек Мн (температура начала прямого мартенситного превращения), Мк (температура окончания прямого мартенситного превращения), Ан (температура начала обратного мартенситного превращения), Ак (температура окончания обратного мартенситного превращения), которые сильно зависят от состава рассматриваемого сплава (рис. 1.3). В связи с этим, при комнатной температуре сплавы могут иметь как аустенитный (при концентрации N1 более 50,7 ат.%), так и мартенситный фазовый состав (при С№ < 50,5), а также их смесь (при 50,5 ат.% < С№ < 50,7 ат.%), что оказывает су-

щественное влияние на свойства сплавов. Стоит отметить, что характеристические температуры мартенситных превращений являются структурно-чувствительными и зависят не только от состава сплава, но и от предварительной термической или термомеханической обработки.

Рис. 1.3. Зависимость характеристических температур мартенситных превращений от состава сплавов на основе ТПЧП [22, 24] (Тк - температура образования Я-фазы)

Термическая обработка сплавов позволяет варьировать концентрацию фаз выделений. При закалке происходит сдерживание процессов образования частиц фаз выделений, а при отжиге, наоборот, увеличивается их концентрация. Так, в сплавах, близких по составу к стехиометрическому Т150Ы150, для которых не характерно наличие вторых фаз, характеристические температуры превращений при закалке или отжиге практически не различаются (рис. 1.4а) [3, 8]. Однако, такой состав бинарных сплавов более склонен к фазовому наклепу, и варьировать температуры МП можно путем термоциклирования. В сплавах, обогащенных титаном, закалка и отжиг значительно меняют характеристические температуры превращений. На температурных зависимостях электросопротивления (рис. 1.46) характеристические темпе-

ратуры превращений после отжига смещены в область низких температур более чем на 20° по сравнению с закаленным сплавом [8].

■ к (а)

(б)

Рис.1.4. Температурная зависимость электросопротивления после термической обработки: а) сплав Т1-50ат.% №; б) сплав Ть48ат.% 1- закалка от 1120 К,

2- отжиг при 720 К (1,5 часа)

Сплавы, обогащенные никелем, проявляют после закалки и отжига ряд свойств, не характерных для сплавов стехиометрического состава и обогащенных титаном. Закалка от высоких температур приводит к увеличению концентрации никеля за счет растворения обогащенных никелем фаз и к снижению температур МП.

Т=773К а

л___i____i_1_1_i—до—1_

0 4 8 100 и ч

Рис. 1.5. Изменение температур мартенситных превращений в сплаве Т149№51(ат.%) в зависимости от времени отжига при высокотемпературном (773К)

старении: 1- Тк, 2 - Мн

После отжига наблюдается смена последовательности МП с В2—»В 19' на В2—>Я—>В19' [25], а также смещение температурных интервалов превращений в область более высоких температур [7, 18,26]. Такое смещение связано с изменением фа-

зового состава сплава и упрочнением матрицы частицами Т^Ыц [7,9,17-19,27]. При высокотемпературном старении образцов двойных сплавов на основе Тл№ при отжиге происходит перераспределение атомов, связанное с подготовкой к выделению фазы Тл3№4 [17, 22]. При этом матрица обедняется по никелю, и её состав смещается в сторону эквиатомного соотношения. В результате температуры Тя и Мн возрастают (рис. 1.5).

Смещение характеристических температур превращений происходит и при деформационной обработке. Так, в работах [28, 29] показано, что при малых степенях деформации интервал температур превращений резко смещается в область низких температур вследствие появления и накопления дефектов кристаллического строения и локальной стабилизации В2-фазы. При больших степенях деформации (свыше 30% ) происходит повышение полей внутренних напряжений и повышение характеристических температур МП (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Зависимость температуры превращения (Мн) сплава Ть50,5 ат.% N1 от степени предварительной пластической деформации [28]

Под действием внешних растягивающих напряжений температуры Тк и Ан повышаются независимо от состава сплавов [30, 31]. Влияние растягивающих напряжений на температуру Мн не столь однозначно: �