автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Теоретический анализ и экспериментальное исследование кристаллогеометрии мартенситных превращений в титановых сплавах

и

2 3 М1?

На правах рукописи УДК 669.295:620.181

аспирант Макаренков Дмитрий Юрьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИСТАЛЛОГЕОМЕТРИИ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ

Специальность 05.16.01. — Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре "Металловедение и технология термической обработай" Московского государственного авиационного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель: — профессор, доктор технических наук

Ильин Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: — профессор,

доктор физико-математических наук Прокошкин Сергей Дмитриевич (МИСиС) — кандидат технических наук Гозенко Николай Николаевич (КБ Машиностроения)

Ведущее предприятие указано в решении Ученого Совета.

Защита диссертации состоится 29 апреля 1997 года в 14 часов на заседании диссертационного Совета К 063.56.04. по присуждению ученой степени кандидата технических наук в области металловедения и обработки металлов давлением в Московском государственном авиационном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанская, 3, МГАТУ им. К.Э. Циолковского. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 103767, Москва, К-31, ул. Петровка, 27, МГАТУ им. К.Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 28 марта 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доцент, кандидат технических наук B.C. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в авиакосмической, транспортной, медицинской технике и других отраслях машиностроения внедряются интеллектуальные материалы, обладающие специфическими функциональными свойствами. К таким материалам относятся сплавы с эффектом запоминания формы (ЭЗФ), которые способны в определённом температурном интервале восстанавливать свою форму, измененную предварительной деформацией. В процессе восстановления формы эти сплавы могут развивать реактивные напряжения и совершать работу. Материалы, обладающие ЭЗФ, используются для изготовления термочувствительных датчиков и терморегуляторов, элементов силовых приводов, термомеханических соединений, трансформирующихся конструкций и др.

В основе проявления ЭЗФ лежит обратимое мартенситное превращение (МП). Кристаллография и кинетика мартенситного превращения при деформации и термическом воздействии определяют основные характеристики ЭЗФ. Поэтому неоднократно предпринимались попытки разработки математических моделей, позволяющих описывать мартенситное превращение на основе кристаллографических параметров исходной и образующейся фаз, с целью прогнозирования характеристик ЭЗФ. Однако, созданные до настоящего времени модели затрагивают лишь отдельные стороны явления (кристаллогеометрию образующегося мартенситного кристалла и деформацию превращенной формы исходной фазы или среднюю деформацию поликристалла и т.п.) и не могут быть использованы для прогнозирования свойств конкретных изделий на базе данных о кристаллогеометрии мартенситного превращения. Кроме того, существующие модели позволяют оценивать характеристики ЭЗФ только для сплавов с конкретным химическим составом и не дают возможности прогнозировать их изменение при варьировании химического состава и кристаллической структуры мартенсита. Это в полной мере относится как к "классическим" сплавам с ЭЗФ на основе никелида титана, так и к сплавам на основе титана, в которых этот эффект обнаружен недавно. В то же время сравнение теоретически рассчитанных величин накопленной и восстановленной деформации с экспериментально наблюдаемыми характеристиками ЭЗФ позволит выявить причины неполного восстановления формы, а. следовательно, найти способы снижения неблагоприятных факторов и разработать

технологические рекомендации по выбору химического состава, обработке и использованию полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе титана и никелида титана, обеспечивающие повышение комплекса их специальных свойств.

Цель работы.

Цель настоящей работы состояла в теоретическом анализе кристаллогеометри-ческих параметров мартенситных превращений и экспериментальном исследовании их взаимосвязи с характеристиками эффекта запоминания формы сплавов на основе титана и никелида титана для уточнения принципов легирования сплавов и разработке технологических способов их термической обработки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Уточнить существующие математические модели мартенситных превращений для обеспечения возможности расчета кристаллогеометрических и деформационных параметров мартенситных превращений типа (3-кх\ (3—кх", В2->В19, В2->В!9' и В2->1* в монокристаллах и поликристаллах сплавов на основе титана и никелида титана.

2. Исследовать взаимосвязь кристаллогеометрических параметров мартенситных превращений с характеристиками эффекта запоминания формы сплавов на основе титана и никелида титана различных систем и степени легирования.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований мартенситных превращений и эффекта запоминания формы уточнить принципы легирования титановых сплавов с повышенным комплексом специальных свойств.

4. Исследовать влияние структуры и текстуры полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана на расчетные и экспериментально определенные характеристики эффекта запоминания формы с целью выбора оптимальных параметров их обработки и схем деформирования для реализации ЭЗФ, позволяющих реализовать максимальный уровень восстановления формы.

Научная новизна.

1. На основе анализа и модернизации существующих математических моделей накопления деформации при Р-х*', (5—кх" МП в сплавах на основе титана и В2->В19. В2->В19', В2->Я МП в сплавах на основе никелида титана разработана новая методика и алгоритм расчета, позволяющие по периодам кристаллических решеток исходной и образующейся фазы рассчитать индексы габитусных плоскостей, системы двойни-кования, накапливаемую деформацию в конкретном кристаллографическом направлении монокристалла и среднюю накапливаемую для поликристалла.

2. Установлено влияние системы и степени легирования титановых сплавов на кристаллогеометрические параметры мартенситных превращений и характеристики эффекта запоминания формы. Показано, что основными причинами, приводящими к неполному восстановлению формы образцов по-сравнению с расчетными характеристиками являются: дислокационный механизм вторичной деформации при образовании а'-мартенсита: низкая термическая стабильность фаз в малолегированных ^-стабилизаторами сплавах; образование и-фазы в сплавах критического состава: стабилизация Р-фазы к мартенситному превращению под нагрузкой в сильнолегированных (3-стабилизаторами сплавах: развитие процессов дислокационного скольжения при формоизменении образцов.

3. Установлено, что дополнительное легирование систем Тг-р-изоморфный стабилизатор алюминием в количестве 10° о1 и Р-эвтектоидообразующим элементом хромом в количестве 1% способствует увеличению восстанавливаемой степени деформации за счет подавления образования ю-фазы в сплавах критического состава и более полного формоизменения образцов по мартенситному механизму за счет повышения напряжений, необходимых для развития скольжения.

4. Разработана методика расчета накапливаемой при МП деформации в тек-стурованных полуфабрикатах из сплавов на основе никелида титана при различных схемах нагружения. Экспериментальные исследования влияния текстуры и схемы вырезки образцов в горяче- и холоднокатаных листах сплава эквиатомного состава показали адекватность предложенной методики расчета.

1 Здесь и далее по тексту содержание легирующих злемс!Гтов приведено в атомных * •.

Практическая значимость.

1. Разработан состав сплава на основе титана (Ti-IOAl-l2V-lCr), в котором после деформации сжатием и нагрева со скоростью не менее 0,1 К/с в интервале температур 120 - 250°С восстанавливается 3,5°/о деформации, что на 0,5 - 0,7% выше, чем у известных титановых сплавов.

2. Разработаны технологические рекомендации по термической обработке листовых полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана, позволяющей в зависимости от химического состава сплава обеспечивать требуемые температуры восстановления формы в интервале от 60 до 110°С в сплавах эквиатомного состава и от -140 до 30°С в сплавах с 52 % Ni.

3. Разработаны технологические рекомендации по выбору геометрии изготовления изделий из текстурованных полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана и оптимальные схемы их деформации, позволяющие реализовать восстанавливаемую деформацию от 72 до 80% максимально возможной накапливаемой при МП деформации.

Апробацна работы. Материалы диссертации доложены на 13 научно-технических конференциях и конгрессе.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 102 наименований и приложения. Изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 11 таблиц.

Диссертационная работа выполнена при научной консультации доцента, к.т.н. Коллерова М.Ю.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Анализ литературных данных и разработка алгоритма расчета кристаллогеометрических и деформационных характеристик мартенситных превращений

В главе сделан анализ созданных математических моделей, описывающих кри-сталлогеометрию и деформационные характеристики МП в моно- и поликристаллах.

Пластина мартенсита образуется в монокристалле последовательным сдвигом вдоль неискаженных "габитусных" плоскостей исходной кристаллической решетки. Математически это означает, что матрица полной деформации не изменяет векторы, лежащие в этих плоскостях: хм=Еха.

При этом деформация превращения складывается из. собственно, матриц деформации Т и поворота И: Е=ИТ

Появление пластины мартенсита в монокристалле можно описать либо в матричных обозначениях феноменологического подхода, как это сделано в моделям Векслера-Либермана-Рида и Боулза-Макензи, либо тензорами деформации (подход на основе теории упругости). Второй подход был развит из минимизации тензора напряжений щ=0 при образовании пластины. Легко показать, однако, что макроусловия существования мартенситной пластины обеих теорий эквивалентны с точностью до бесконечно малых величин:

"100 " "ООО " 0 0

т= 0Л|0 ; е= 0^0 ; Е= 0 0 : <1е1 е=0

00Л: ООг-: /ч

Для реализации на ЭВМ автор предлагает пользоваться последним условием. Выполнение этого условия достигается суперпозицией двух деформаций в пластине - деформации Бейна В ( она превращает кристаллическую решетку исходной фазы в мартенситную) и дополнительной деформацией скольжением либо двойнико-ванием Р. Анализ обоих типов моделей позволил обнаружить, что две эти деформации не являются независимыми, более того, по деформации Бейна можно найти систему двойникования в пластине: р=(Ь;-Ь|),

где Ьг, Ь, - кристаллографически эквивалентные тензоры деформации Бейна. Переход от моделей, описывающих МП в монокристаллах, к моделям для поликристалла делается обычно через усреднение деформаций по пространству исходной фазы.

Сравнение моделей, созданных ранее в ЛГУ и МАТИ, дало возможность предложить алгоритм, учитывающий симметрию исходной решетки. Деформацию от МП можно представить геометрически как превращение исходной сферы в эллипсоид, который размножается 24-мя операторами симметрии для получения всех эквивалентных вариантов. Преоложен критерий конкурирующих эллипсоидов: при растяжении либо сжатии реализуется та ориентировка эллипсоида, которая соответствует максимальной оеформации в направлении оействия нагрузки.

Усреднение деформаций по стереографическому треугольнику с учетом критерия конкурирующих эллипсоидов позволяет оценить деформацию, накапливаемую бестекстурным поликристаллом при МП. Если в полуфабрикате или изделии предварительной обработкой давлением создана кристаллографическая текстура, то необходимо вначале умножить каждую деформацию в направлении на соответствующий коэффициент функции распределения ориентировок данной текстуры, а затем уже суммировать по стереографическому треугольнику.

Таким образом, предлагаемый в работе алгоритм позволяет определить кри-сталлогеометрические и деформационные характеристики МП и прогнозировать величину восстанавливаемой деформации в текстурованных полуфабрикатах и изделиях.

В главе проведен анализ литературных данных о деформации Бейна в сплавах' на основе титана и никелида титана (переходы р-кх', Р-кх", В2-+В19, В2—>В19', В2-»К), показан общий подход к описанию этих деформаций. Приведены сведения о системах скольжения и двойникования, наблюдаемых в этих сплавах. Описаны особенности проявления ЭЗФ и его характеристики. В заключение литобзора сформулирована цель и задачи работы.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатанных прутков 0 18 мм сплавов систем Т1-ЫЬ (до 30% ЫЬ), Т1-У (до 24%У), Т1-А1-У (до 10%А! и 24° оУ) и ТМ0°/оА1-У-Сг (до 15%У и 5%Сг) и листов толщиной 1,2 мм из сплавов системы Т1-№, содержащих от 50 до 52 % №. Кроме того использовались прессованные прутки 0 15 мм и проволока 0 1,3 мм из сплава Т1-50,6°/'оЫ1.

Термическую обработку проводили в лабораторных печах электросопротивления с воздушной атмосферой СНОЛ-1,6.2,5.1/9-И4. Охлаждение образцов после часовой выдержки при заданной температуре осуществляли в воде.

Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе "НЕОФОТ-ЗО" при увеличениях до 500 крат и на просвечивающем электронном микроскопе "1ЕМ-200С" методом фольг при увеличениях до 50000 крат.

Рентгеноструктурный анализ при нормальной и повышенной температурах проводили на дифрактометрах ДРОН-З.О и ДРОН-4.0 с высокотемпературной вакуумной приставкой УРВТ-2000 в фильтрованном Ка-медном излучении. По результатам рентгеновской съемки производили качественное и количественное определение фазового состава, периодов кристаллических решеток и полуширины дифракционных максимумов фаз. Для изучения текстуры полуфабрикатов по данным рентгеновских исследований строили обратные полюсные фигуры.

Характеристики сопротивления деформации и эффекта запоминания формы образцов из прутков исследуемых сплавов изучали при деформации сжатием на испытательной машине ""Пшев!". Деформированные на различную остаточную степень (бо) образцы нагревали в дилатометре ДКВ-7А со скоростями 0,1 или 1.0 К/С. По изменению размеров образцов определяли температуры начала (и) и конца (и) восстав-новления формы и расчитывали восстановленную деформацию (е.) по следующей формуле:

е.= 100 [/,-«(«-20) у//, [°о], (1) где и Л - длины образцов после сжатия и нагрева до температуры (I) максимального формоизменения, соответственно: а - линейный коэффициент термического расширения.

Листовые образцы из сплавов на основе никелида титана деформировали изгибом на установке "Термоцикл", а проволочные - кручением иа приборе УПК-РИТЦ с записью изменения формы в процессе последующего нагрева. Восстановленные деформации при изгибе (5.) и кручении (у,) рассчитывали следующим образом: 5,= 100Л[(2Кн+Л),-(2Лв+Л)|Ц0<.1; (2) у. = 50^(ф„-ф,)//[%]. (3)

где Ян. Лв. ц>й . ф. - радиус изгиба и угол закручивания образцов при накоплении деформации ("и") и после восстановления формы ("в"): / и d - длина и диаметр образцов при испытании на кручение; Л - толщина образца при испытании на изгиб.

Полученные экспериментальные результаты обрабатывали методами математической статистики.

Глава 3. Крисгаллогеометрические и деформационные характеристики мартенситы* превращений в сплавах на основе титана и никелида титана.

Разработанный в первой главе алгоритм программы был использован для расчета кристаллогеометрических (индексы габитусной плоскости, системы двойникова-ния и т.п.) и деформационных (величина и ориентация деформаций при изменении формы превращенной области моно- и поликристаллов) характеристик в сплавах на основе титана. В качестве базовой системы были выбраны сплавы Ti-Nb, в которых минимальны статические искажения решетки при изменении степени легирования в широких пределах. Рентгеноструктурный и электронномикроскопический анализы образцов, закаленных от температур Р-области, показал, что в сплавах, легированных до 6° о Nb, образуется а'-мартенсит с преимущественно дислокационной субсгрукту-рой, а в более легированных - двойникованный а"-мартенсит. При содержании ниобия 13,4% закалкой фиксируется (Р+ш)- структура, которая при увеличении концентрации ниобия сменяются (р+а"+щ)-структурой. Сплавы, легированные свыше 24%Nb, имеют однофазную Р-структуру.

Анализ кристаллографии МП в сплавах системы Ti-Nb, проведенный по экспериментально определенным периодам кристаллических решеток исходной и мартен-ситных фаз, показал:

1) в мартенсите а" действует одна из двух возможных систем двойникования: двойники Тип 1 (1 1 I) и Тип 2 <2 I Р-, либо смешанные двойники [101](1 0 ]) , что подтверждается литературными данными;

2) смена одной системы двойникования на другую происходит через состояние "бездефектного" мартенсита, при этом двойники превращения будут отсутствовать. Условие появления подобной пластины:

Ст=л/2 ар,

где сга и ар - параметры мартенсита и исходной фазы, соответственно.____________

В системе Т\-ЫЬ бездефектный мартенсит должен наблюдаться, по расчетам, при 13,4% N1», однако, сплав этой концентрации имеет в структуре ш-фазу вместо ор-торомбического мартенсита.

3) В общем случае, есть две кристаллографически различных ориентации мар-тенситной пластины - плоскостей габитуса. Они близки к экспериментально обнаруженным {334} (для бездефектного мартенсита) и {434} (для двойникованного).

4) Максимальные деформации МП ориентированы осью сжатия возле <001 >. а растяжения в пределах треугольника, ограниченного направлениями <101>, <103>. <102>.

Аналогичные исследования были проведены на сплавах системы Т|-А1-\Л Они показали, что при увеличении содержания ванадия наблюдаются те же особенности изменения структуры, кристаллогеометрических и деформационных характеристик

МП, что и при легировании титана ниобием. Можно только отметить следующие особенности:

1) в сплавах системы Т1-А1-У не соблюдается условие и не должно происходить образования "бездефектного" мартенсита;

2) легирование алюминием подавляет образование со-фазы при закалке и несколько снижает величину деформации формы при МП.

Таким образом, кристаллографический анализ МП титановых сплавов позволил выявить основные особенности субструктуры мартенситных пластин, их ориентацию, и, что особенно важно для изучения обратимого МП и сопутствующего ему ЭЗФ, распределение деформаций по всем возможным направлениям исходной фазы.

Далее был сделан переход от кристаллографии МП титановых сплавов к сплавам на основе никелида титана. Такой переход можно сделать весьма наглядным, внося моноклинное искажение в орторомбическую решетку мартенсита В19. Меняя угол

П

моноклннности от 90° до 100°, в итоге получаем решетку типа В19', характерную для мартенсита в никелиде титана. При этом, как показано на Рис. 1:

1) ориентация нормали к габитусной плоскости смешается от положения, характерного для титановых сплавов к положениям, реально наблюдаемым для никели-да титана (экспериментальная точка для никелида практически совпала с расчетной); максимальные деформации несколько увеличиваются по модулю, а их кристаллографические ориентации смешаются по стереографическому треугольнику;

2) в субструктуре мартенсита возможен постепенный переход на новую систему двойникования - от смешанных двойников [101](1 0 1) орторомбической ячейки к двойникам <01Тип2.

Поскольку есть хорошее экспериментальное подтверждение подобной субструктуры и ориентации мартенситной пластины в никелиде титана, был сделан вывод

об адекватности примененной мо-Рнс. 1. Смешение ориентаций главных деформаций и габитусной плоскости для МП дели- а также 0 возможности раз-

В2-»В19' при изменении угла моноклинности вить на ее основе общий подход к решетки В19' от 90° (В2-+В19) до 100°.

описанию МП как в титановых сплавах, так и в никелиде.

Глава 4. Реализация ЭЗФ в сплавах на основе титана.

Анализ кривых деформации сжатием закаленных образцов сплавов системы "П-ЫЬ показал, что для ряда сплавов характерно наличие двух пределов текучести -"верхнего" и "нижнего". Рентгеноструктурные исследования деформированных образцов позволили сделать вывод, что верхний предел соответствует началу активного процесса скольжения в материале. Для сплавов, легированных от 5,6 до 13,4%МЬ, нижний предел текучести отвечает напряжению, необходимому для переориентации

двойникованного мартенсита а", а для сплавов, легированных свыше 13,4°о - напряжению образования мартенсита из метастабильной Р-фазы. При 13,4 % ЫЬ в структуре сплава присутствует большая объемная доля со-фазы, препятствующая развитию МП под напряжением, поэтому пределы текучести совпадают.

Концентрационные области, имеющие два предела текучести, представляются перспективными в плане ЭЗФ. Испытания по восстановлению образцов, деформированных сжатием, подтвердили эти предположения, однако, было обнаружено значительное недовосстановление формы по сравнению с расчетными значениями средней деформации сжатия. Для образцов, легированных менее 9,6 % N5, со структурой а'-фазы отсутствие ЭЗФ объясняется дислокационной субструктурой мартенсита. Переход от а'- к а"- мартенситу сопровождается появлением ЭЗФ, тем не менее, из-за высоких температур обратного превращения мартенсит претерпевает распад уже при нагреве до температур восстановления, поэтому небольшая (до 0,5%) восстанавливаемая деформация наблюдается только при высокой скорости нагрева (1,0К/с) деформированных образцов. В сплаве с 13,4 % ЫЬ и-фаза вызывает охрупчивание и характеристики восстановления формы резко снижается. При повышении концентрации ЫЬ температуры обратного МП снижаются, и скорость нагрева для них может быть уменьшена до 0,1 К/с, без потерь в восстановлении формы. Легирование ЫЬ свыше 20% стабилизирует Р-фазу, и доля мартенсита напряжения уменьшается, в связи с чем исчезает и ЭЗФ. Однако, во всем исследованном интервале концентраций ЫЬ сохраняется значительное недовосстановление формы из-за развития процессов скольжения в материале, сопутствующих МП при деформации.

Подавление образования со-фазы достигается введением алюминия, а повышение сопротивления скольжению — заменой ниобия другим (3-изоморфным стабилизатором - ванадием, поэтому дальнейшие исследования ЭЗФ проводили на сплавах системы "П-А1-У.

Проведенные исследования показали (Рис. 2), что легирование алюминием до 10% и ванадием эффективно повышает восстанавливаемую деформацию, причем максимум Ев приходится на сплавы критического состава (Кр=1). Тем не менее, недовосстановление из-за скольжения, в некоторой степени, сохраняется. Поэтому ванадий

8

11

14

17

%У

Рис. 2. Расчетная (Еср) и экспериментальные (ев) характеристики восстановления формы образцов из закаленных сплавов системы "П-А1-У после деформации сжатием.

гировании хромом до 1% разность "верхнего" и зывается максимальной.

Е,% 6 4 2

еср

Бв

15 12

4

Т

%Сг -1

% V

Рис. 3. Влияние химического состава сплавов системы ТМ0А1-У-Сг на среднюю расчетную (еср) и восстановленную (ев) деформации при испытании на сжатие.

был частично заменен одним из наиболее сильных (3-

эвтектоидообразующих упрочни-телей - хромом, сохраняя при этом Кр=1.

Анализ кривых деформации сжатием закаленных образцов сплавов системы ТН0%А1-У-Сг показал, что введение хрома повышает "верхний" предел текучести, но при этом возрастает и "нижний" предел. Однако, при ле-"нижнего" пределов текучести ока-

Исследование характеристик ЭЗФ показало (Рис. 3), что в сплаве состава ТМ0%АМ2%У-1%Сг наблюдается максимальная восстанавливаемая деформация (около 3,5%), которая, с одной стороны, наиболее близка к теоретически рассчитанной, а, с другой - на полтора-два процента выше, чем деформации восстановления, полученные ранее на титановых сплавах.

Е.%

Глава 5. Управление характеристиками эффекта запоминания формы сплавов на основе никелида титана технологическими методами.

Как показали проведенные в главе 3 расчеты, в сплавах на основе никелида титана легирование никелем в пределах 50-52% практически не изменяет деформационные характеристики МП, в то же время температуры восстановления формы, как известно, весьма чувствительны к концентрации никеля.

Поскольку в сплавах на основе никелида титана могут образовываться интер-металлидные соединения, которые имеют переменную растворимость в В2-фазе. можно предположить возможность управления содержанием никеля в исходной фазе путем выделения либо растворения этих соединений при термообработке.

Проведены рентгеноструктурные исследования процессов распада В2-фазы в интервале температур от 100° до 1000°С в образцах, содержащих от 50 до 52° о никеля, закаленных с 900°С.

По данным высокотемпературной рентгенографии построена диаграмма фазового состава сплавов системы "П-№. Было отмечено четыре температурно-временные области распада исходной неравновесной В2-фазы, в которых происходит выделение интерметаллидных соединений Т]г№, И№з, "Пз№4 и ТЬ№з. Отмечено, что поскольку растворения ТЫ^П достичь не удалось, фазовое превращение В2-> ТЪ№ невозможно использовать для эффективного управления температурами МП. Напротив, старение при температурах выделения интерметаллидов, обогащенных никелем, уже при небольших выдержках должно давать значительное обеднение исходной фазы по никелю и повышение температур МП и ЭЗФ. Сопоставление этих результатов с экспериментальными данными по температурным характеристикам ЭЗФ подтвердило возможность управления температурами восстановления формы в широких пределах.

Для сплавов с 50,7 и 52% № построены С-образные диаграммы изотермических превращений при старении. Их анализ показал, что процесс распада проходит через одни и те же стадии как для более так и для менее легированнных сплавов, что позволяет сформулировать общий подход к старению сплавов: его следует проводить при температурах минимальной устойчивости исходной фазы (при 450°С), что максимально обедняет матрицу никелем за счет выделения ТЬМ« и вызывает

постепенный подъем температур МП и ЭЗФ вплоть до равновесных, соответствующих температурам превращения для сплава эквиатомного состава.

На основании проведенных исследований структуры и характеристик ЭЗФ разработаны технологические рекомендации по термической обработке листовых полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана, позволяющей в зависимости от химического состава сплава обеспечивать требуемые температуры восстановления формы в интервале от 60 до 110°С в сплавах эквиатомного состава и от -140 до 30°С в сплавах с 52 % №.

Величина накапливаемой при МП и восстанавливаемой при нагреве деформации зависит от преимущественной ориентации исходной фазы по отношению к направлению приложенной нагрузки. Поэтому было изучено влияние текстур сплавов на основе никелида титана на деформационные характеристики ЭЗФ при различных схемах нагружения.

Построены обратные полюсные фигуры для различных видов полуфабрикатов (прутка, проволоки и листов), полученных горячей и холодной обработкой давлением. Отмечено, что в прутках и проволоке образуется аксиальная текстура типа

с

<110>+<112>, а в листе после прокатки плоскости {111} ориентируются параллельно плоскости прокатки (ПП), при этом в направлении прокатки (НП), в основном, располагаются взаимно перпендикулярные направления либо <101>, либо <112>, то есть образуется двухкомпонентная текстура типа {111}<101>+{111}<112>. Под 45° к НП расположено направление <3 8 11>.

Проведен расчет накапливаемых деформаций в указанных направлениях для закаленных сплавов с содержанием никеля от 50 до 52%. На основании расчета сделаны выводы о влиянии текстуры на величину восстанавливаемой деформации.

Так, при изгибе листов в НП на растяжение - сжатие будут работать направления <112> и <110>. Величина восстанавливаемой деформации при этом будет ограничиваться минимальной накапливаемой при МП деформацией, которой в данном случае является деформация сжатия. Если подвергнуть изгибу бестекстурный поликристалл, то восстанавливаемая деформация лимитируется уже деформацией растяжения. Показано, что оптимальные результаты достигаются при вырезке образцов для изгиба под 45° к НП и сохранении в них текстуры, поскольку при этом будет

работать направление <3 8 11>, которое наилучшим образом ориентировано к главным деформациям растяжения -сжатия МП. Для всех рассмотренных случаев получено экспериментальное подтверждение на листах из сплава эквиатомного состава.

Таким же образом проанализированы и другие виды полуфабрикатов и схемы напряженного состояниягПоказаноГ что роль текстуры может быть как положительной, так и отрицательной, поэтому в некоторых случаях рекомендуется ре-кристаллизационный отжиг (РО). В случае сохранения текстуры следует проводить полигонизационный отжиг (ПО) для снижения плотности дефектов кристаллического строения (Таб. 1). Разработаны технологические рекомендации по выбору геометрии изготовления изделий из текстурованных полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана и оптимальные схемы их деформации, позволяющие реализовать восстанавливаемую деформацию от 72 до 80°о максимально возможной накапливаемой при МП деформации (Смаке)-

Таблица 1

Технологические рекомендации по обработке и выбору оптимальной схемы деформа-

ции полус >абрикатов из сплавов на основе никелида титана

Полуфабрикат Способ получения, тассгура Направление вырезки образцов Споообнагрулжния

Растяжение Окате Кручение Изгиб

Пруток прессование <011>-кП2> — ПО ев=(0,72т -Ю,78)Еман: ГО т=(0,83г -Ю,85)вчас ПО Ёв=0,8йемаи: ГО ев=(0,72+ -КЩэчжг

Проволока волочение <011>+<112> — ПО ев=(0,7&г — ПО £8=0,86О«*Е —

Лист проказка {111}<011>+ +{111|<112> вдоль НП ПО бв=(р,79* -Ю,84)йиос — — ГО £в=(0,72+

вдаль ПН ПО -фвфмас — — ГО £»=(0,72+ -Ю,78)аах

4УкНП ПО ев=(0,8&--ЙЭДемис — — ПО ав=0,86емакс

РО - рекристаллизационный отжиг по стандартным режимам;

ПО - полигонизационный отжиг по стандартным режимам;

Емакс - максимальная деформация растяжения сплава эквиатомного состава.

ВЫВОДЫ по РАБОТЕ

1. На основе анализа и модернизации математических моделей накопления деформации при сдвиговых р-их\ Р-мх" МП в сплавах на основе титана и В2-»В19, В2->В19', В2->Я МП в сплавах на основе никелида титана разработана новая методика и алгоритм расчета, позволяющие по периодам кристаллических решеток исходной и образующейся фазы рассчитать индексы габитусных плоскостей, системы двойни-кования, накапливаемую деформацию в конкретном кристаллографическом направлении монокристалла и среднюю деформацию для поликристалла.

2. Исследовано влияние легирования на кристаллографию мартенситных превращений и характеристики эффекта запоминания формы в титановых сплавах. Установлены причины, приводящие к неполному восстановлению формы образцов по-сравнению с расчетными характеристиками: дислокационный механизм вторичной деформации при образовании а'-мартенсита; низкая термическая стабильность фаз в малолегированных р-стабилизаторами сплавах; образование со-фазы в сплавах критического состава; стабилизация р-фазы к мартенситному превращению при напряжениях в сильнолегированных р-стабилизаторами сплавах; развитие процессов дислокационного скольжения при формоизменении образцов.

3. Показано, что введение 10% алюминия и 1% хрома в сплавы системы "П-У критического состава приводит к увеличению восстанавливаемой степени деформации за счет подавления образования со-фазы в сплавах критического состава и более полного формоизменения образцов по мартенситному механизму за счет повышения напряжений, необходимых для развития скольжения.

4. Разработан состав сплава с ЭЗФ на основе титана (ТМ0АМ2У-1Сг). Устано-влеено, что после деформации сжатием и нагрева со скоростью не менее 0,1 К/с в интервале температур 120 - 250°С в образцах восстанавливается 3,5% деформации, что на 0,5 - 0,7% выше, чем у известных титановых сплавов.

5. Исследовано влияние концентрации никеля (от 50 до 52%) на формирование фазового состава, структуры и характеристики восстановления формы листов из сплавов на основе никелида титана при термической обработке. Определены темпера-

турно-временные условия выделения и растворения интерметаллидных соединений TijNi, TiNij, Ti3Nii, Тц№зи их влияние на температуры восстановления формы.

6. Разработаны технологические рекомендации по термической обработке листовых полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана, позволяющей в зависимости от химического состава сплава обеспечивать требуемые температуры восстановления формы в интервале от 60 до 110°С в сплавах эквиатомного состава и от -140 до 30°С в сплавах с 52 % Ni.

7. Разработана методика расчета и проведены экспериментальные исследования накапливаемой при МП деформации в текстурованных полуфабрикатах из сплавов на основе никелида титана при различных схемах нагружения и направлениях вырезки образцов. Получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных результатов.

8. Исследованы структура и текстура горяче- и холоднокатанных полуфабрикатов (лист, пруток, проволока) из сплавов на основе никелида титана. Показано, что в зависимости от геометрии вырезки образцов и схемы нагружения восстанавливаемая деформация может быть как больше, так и меньше средней для бестекстурного материала. Наиболее высокие значения восстанавливаемой деформации реализуются на образцах, вырезанных под углом 45° к направлению прокатки холоднокатанных листов с текстурой {П1|<101>+{111}<112>.

9. Разработаны технологические рекомендации по выбору геометрии изготовления изделий из текстурованных полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана и оптимальные схемы их деформации, позволяющие реализовать восстанавливаемую деформацию от 72 до 80% от максимально возможной накапливаемой при МП деформации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Коллеров М.Ю., Дмитриев A.A., Макаренков Д.Ю. Влияние термической обработки на характеристики эффекта запоминания формы сплавов системы Ti-Ni. - В сб. "Новые материалы и технологии машиностроения". Тез. докл. РНТК, М., МАТИ.

1992, с. 41.

2. Коллеров М.Ю.. Дмитриев A.A., Макаренков Д.Ю. Влияние режимов термической обработки на параметры работы термосиловых элементов из никелида титана. - В сб. "Новые материалы и технологии машиностроения". Тез. докл. РНТК, М., МАТИ, ¡993, с. 13-14.

3. Ильин А.А.. Коллеров М.Ю.. Скворцова С.В., Макаренков Д.Ю. Принципы легирования и технология обработки сплавов на основе титана с эффектом запоминания формы. - В сб.: Труды I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ "Наука, производство и применение титана в условиях конверсии", М., ВИЛС, 1994, т. 2, с. 631-641

А, Ильин А.А.. Коллеров М.Ю., Скворцова С.В., Макаренков Д.Ю. Технологические аспекты управления характеристиками восстановления формы полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе никелида титана. - В сб.: Труды I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ "Наука, производство и применение титана в условиях конверсии", М., ВИЛС, 1994, т. 2, с. 642-653

5. A.A. Ilyin. М. Уи. Kollerov, D. Уи. Makarenkov, S. V. Scvortsova Prospects of the Metallic Materials with Shape Memory Effect Using in Aerospace Technique. -Proceedings of the International Aerospace Congress, 1994, Russia, v. 2, p. 471-474

6. A.A. Ilyin. M.Yu. Kollerov. D.Yu. Makarenkov. A.A. Shinayev. Alloys on Ti and TiNi base with shape memory effect: metallurgy, technology, future application. -Proceedings of the 4th European Conference on Advanced Materials and Processes, 1995, Italy, p. 117-123.

7. Kollerov M. Yu., Ilyin A.A.. Makarenkov D. Yu.. Shinayev A.A. Titanium Alloys with Shape Memory Effect. - Proceedings of the 2nd Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing, 1995, Korea. P. 1679-1684.

8. Ильин А. А., Коллеров М.Ю.. Скворцов В.И.. Макаренков Д.Ю. Технологические аспекты управления характеристиками восстановления формы полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе никелида титана. - Технология легких сплавов, N 3, 1995, с. 20-25.

9. Kollerov M.Yu., Ilyin А.А.. Makarenkov D.Yu.. Shinayev A.A.. Brun M.Ya. Martensitic transformations and shape memory effect in titanium alloys. - 8th World Conference "Titanium-95", International Convention Centre, 1995, Birmingham, UK, p. 2571-2578.

10. Макаренков Д.Ю.. Шинаев A.A.. Кубышкин Э.Г.. Блохин М.А. Фазовые превращения в сплавах на основе никелида титана при высокотемпературной термической обработке. - В сб. "Новые материалы и технологии". Тез. докл. РНТК, М., МГАТУ, 1995, с. 15.

11. A.A. Ilyin, М. Yu. Kollerov. A.M. Mamonov. A.A. Krasiilevsky, D.Yu. Makarenkov. Hydrogen Influence on Martensitic Transformation and Shape Memory Effect in Titanium Alloys. - Journal de Physique IV. V. 5, 1995, p. 1145-1150.

12. Макаренков Д.Ю.. Шинаев А.А.. Антонцев Н.Ф. Влияние текстуры полуфабрикатов на характеристики эффекта запоминания формы в сплавах на основе титана и никелида титана. - В сб. "Новые материалы и технологии". Тез. докл. РНТК, М., МГАТУ, 1997, с. 21.

Основные положения диссертации доложены на:

1. Научных конференциях МГАТУ им.К.Э.Циолковского в 1993, 1994, 1995, 1996 гг.

2. Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" в 1992, 1993, 1995, 1997 гг.

3. I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ в 1994 г.

4. 8th World Conference on Titanium, 1995, Birmingham, UK.

5. 4th European Conference on Advanced Materials, Processes and Applications, 1995.

6. International Aerospace Congress, 1994, Russia.

7. 2nd Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing, 1995,

Korea.