автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Высокотемпературный эффект запоминания формы в твердых растворах на основе титана

российская академия наук

ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ им. А.А.БАИКОВА

на правах рукописи

П Е Т Р Ж И К МИХАИЛ ИВАНОВИЧ

УДК 669.295.3: 625.7.04

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭФФЕКТ ЗАПОМИНАНИЯ ФОРШ В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Специальность 05.16.01 - Металловедение

и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

у

/ / -

Работа выполнена в Институте Металлургии ям. А.А.Байкова РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ю.К.Ковнеристый

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Т.А.Чернышева СИМЕТ); кандидат технических наук, доцент

Ведущее предприятие: Всероссийский Институт Легки! Сплавов.

Защита диссертации состоится " 12 " ноября 1992 г. в 14 час. на заседании специализированного Совета Л.003.15.03 при Институте Металлургии и«, А.А.Байкова РАН по адресу: 117 911, Москва, Ленинский пр., 49.

С диссертацией иохно ознакомиться в библиотеке Института Металлургии и«. А.А.Байкова РАН

Автореферат разослан " 47 " октября 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

М.Ю.Коллеров СМАТЮ

доктор технических наук

ОБЩАЯ характеристика РАБОТЫ Актуальность темы.

Сплавы с эффектом запоминания формы СЗЗМ благодаря комплексу функциональных свойств являются перспективными материалами для нового поколения приборов и устройств. В настоящее время ЗЗФ, связанный с цартенситныш превращениями СМП), наиболее полно изучен в сплаваг на основе химического С интерметаллического) соединения TiNi, Хотя известные сплавы обладает высокими термомоханическими свойствами, не всегда удается полунить требуемые температуры фориовосстапозления из-за сильной концентрационной зависимости критических температур МП в интерметаллидах. Кроме того, представляет трудность деформационная и механическая обработка этих сплавов, а температуры фориовосстановдения в сплава! на основе Ti-Ki не превышает 120 °С. Необходимость в сплавах, проявлявши ЭЗФ при более высоких тештературах, вызвана требованиями повкеэ-ния безопасности устройств, работающих в горячих зонах кетал-лургкческих, химических и энергетических установок. Применение таких материалов существенно повысило бы надежность hi работы за счет блокировочных и исполнительных кэханизнов пряного действия, использувииг энергию МП. В связи с этим является актуальным изучение услозий проявления и закономерностей высокотемпературного ЭЗФ. Заманчива идея использовать для этого твердые растворы, которые имеют плавный характер концентрационной зависимости критических точек МП и более технологичны по сравнения с интерметаллидами. Необходишм условием создания таких сплавов является торыоиение диффузионных процессов: предотвращение распала иетастабяльных структур до начала обратного МЛ и термическая устойчивость продуктов Ш1. Из литературы известно, что варьируя режимами термической и термомеханической обработки, удается достичь определенных успехов в реализации неупругих эффектов, в частности ЭЗФ, при температурах выше 100"С на некоторых промышленных о+р- и р-сплавах - твердых растворах на основе титана. Однако провез

денные исследования высокотемпературного ЭЗФ в титановых сплавах носят разрозненна характер и ограничены условием постоянства хниического состава промышленных сплавов. Несмотря на отдельные сообщения о существовании ЭЗФ в сплавах титана с А'-кзоиорфшми элементами, систематических исследований по изучении. условий проявления высокотемпературного эффекта запоминания формы в сплавах на основе твердых растворов титана в настоящее время нет. Цэль работы

Цель настоящей работы состояла в установлении закономерностей проявления высокотемпературного ЭЗФ в твердых растворах на основе титана на примере сплавов системы тз.-та-кь, разработке принципов формирования «етастабильных состояний под воздействием то р у одн н а мическ:: г и кинетических факторов и выбора композиций, режимов термической и теркоиеханической обработки, обеегтчквагщих контролируемое $ормавосстановление в диапазоне температур 100-600"С.

Для доставоння поставленной цепи необходимо была решить слздувзае задачи :

I» Исследовать влияние гегировакия н термообработки на ыота-стаокльноэ разово-структурное состояние твердых растворов на основе титана., фзрикруемоэ иря £акаяке.

2. Иэучвть- структурную ззиенегаа, вызванные кагревон и/к-.и д?<«>£«ааиой вахдл&'пнах елллиоз, л оньадвльть условия обратимого дгкеклеяяя я возврата накопленной деформации прк теисе-рглурах клаэ 100"С.

3. Вшшт, еостави сплавов з усясзся обработки. которые

осмиму-ша-эт реашшги'ю м&окоюшгьрзтурцого 53Ф 'в с славах

стемг» Ti.-T.i-Wb,

4. Разработать технолсг;пескк9 рг-кэнододля по термической в тсрионеханической обработке элементов конструкций' из сплавов с высокотемпературный ЭЗФ.

Данная работа проводилась в соответствии с Государственной научно-технической программой "Перспективные материалы".

Научная новизна работы.

В результате проведенных исследований:

I) Впервые в неупорядоченных твердых растворах системы ti-та-нь установлено существование высокотемпературного ЭЗФ и показана возможность управления температурным интервалом фориовосстановления в диапазоне 80-570°С как за счет обгаго содерзания /i-стабилизирувких элементов, так и соотношения мекду ними.

25 Установлено, что при териошюировании в интервале теипе-рагур S0-900X в сплавах Ti-Ta-мь могут проходить как обратимые, так и необратимые фазовые превраиения. Определены условия обратимости мзртенситного превращения ß—юс".

3) Показано, что обратному МП а"Сром<5ич.)—» рСОШО предшествует достикенке элементарной ячейкой «"-мартенсита предельной степени искажения Схарактеризуемой показателем ромбич-ности к=/3а/ь) при нарастания факторов внесшего воздействия, таких как температура и внешняя нагрузка.

4) Предложена модель формирования ыотастабяльнкх состояний, возникавших при закалке сплакоз тктзка, известных как о"-мартенсит и "механически неустойчивая" р-фаза. Развитая модель позволяет по-новому объяснить спектр цзтастабяльных

' структур в сплавах титана и их нзупругое.поведение. 5D Определены механизм и условия накопления и возврата деформации' за счет структурных и фазовых переходов в твердых растворах титана при температурах 80-570°С н указаны структурно-фазовые состояния, которые обеспечивают проявление ЭЗФ и псевдоупругости. Практическая значимость работа.

D Определены композиции сплавов системы тз-та-кь, реишн термической и терноиеханической обработки, обеспечивающие формовосстановленне при изменении тежератури на 30-50°С в диапазоне от 80 до 570° С.

23 Разработаны рекомендации по технологии термической я термомеханической обработки формовосстанавлиЕавщих элементов конструкций.

3) Проведено успешное опробование изделий из сплава системы Ti-Ta-Nb с формовосстановлением при 570°С в макете устройства

прямого действия, что подтверждено соотвзтствувшими актом.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на : Конференции молодых ученых ЙМЕТ, 1988, Москва; Всесоюзной семинаре "Материалы с эффектом памяти формы и их гхриыэнение", 1989, Новгород-Ленинград! и Всесоюзной симпозиуме по перспективным металлически« материалам "Синергетика. Новые технологии получения и свойства металлических материалов"| 1991, Звенигород; Всесоюзно» семинаре "Пластическая деформация материалов в условиях виекних энергетических воздействий", 1991, Новокузнецк; Бооссизной конференции по иартекситныа превращениям в твердом толе "Мартенсит-91", 1991, Косов, Украина; Научно-техническом совещании "Получение, обработка и использование сплавов с зффектса памяти формы на основе никелида титана", 1991, Москва; Международной Школе по материаловедению "ебмат-92", 1992» Иль д'Олерон, Франция.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации.

Структура и об-ьаи диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы из наименований и придояения. Она изложена на ьашинописиых листах, содержит 22. ри-

сунков и 6 таблиц

' Диссертационная работа выполнена при научной и методической консультации с.н.с., к.т.н. С.Г.Федотова.

основное; содержанке работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы дис-сортационной работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, дана краткая аннотация работы.

Первая глаэа посвящена обзору ■ современного состояния проблемы неупругого поведения металлических материалов, и в частности, твердых растворов на основе титана. Указано на связь неупругого поведения, которое проявляется как термоупругость, псевдоупругость, эффекты запоминания формы, аномаль-

но высокое затухание колебаний, с протеканиеы в сплавах мар-тенситных превращений СМПЗ. В основе этах необычных явлзний легат взаимозаменяемость факторов впекшего воздействия - температуры и приложенных напряжений, способных перевести материал в особое состояние, являвшееся слелствиен прозгоазения МП.

Изложены современные представления о картенсптных превращениях и списаны их основное черты. Указаны услозня протекания фазовых превращений в сплавах титана,- приведены ори-ентационные соотношения и обаая характеристика ыетастабиль-ных фаз.

Приведены концентрационные зависимости модулей упругости е н в отояаенннх и закаленных сплавов тнтаяа. Отмечен н<з-ыонотоннкй ход кризых и чувствительность з и о к структурно-фазовому ссстояшю закаленных сплавов.СРис,I) [II

Указано, что в сплавах систем т!-тз, тз.-кь существует саиая протяженная область сукествовання «"-мартенсита и других нетастабильных фаз; диффузионные процессы в этпх сплавах заториохены, а температуры МП иозно плавно изменять в интервале текло-ратур -200 * +800 °С за счет легирования.

Подчеркнуто,что для фазовых превращений, протекавши при закалке, определявши фактором является скорость охлаждения. При уменьшении скорости охлаждения' могут последовательно реализоваться сдвиговое, сыеаанное, диффузионное превращения и на сплавах типа Т1А1 упорядочение при закалке.

Рис.1 Концентрационная зависимость электросопротивления и модулей упругости е, в отожженных (о) и закаленных (в) сплавов Ti-Nb.il]

<1, ат У.

П Ю 20 10

Отмечено, что при нагреве закаленных сплавов обратному нартенситиоиу превращению а" —>0 предшествует "размягчение" кристаллической решетки а"- иартенсита, которое проявляется в понигешш упругих модулей е и с в его преддверии.

Подчеркнуто, что для существования ЭЗФ необходимыми являются 2 условия: 13 протекание кристаллографически обратимого фазового превращения; 2) исключение дислокационного сколько ¡шя 313 процесса деформации. Наличие атомного порядка не является необходимым условием для ЭЗФ. Кристаллографическая обратимость преврааения в неупорядоченных сплавах возможна при простои решеточном соответствия и .экстремальна низкой деформации Бейна. Классифицированы механизмы де$ормашш металлических материалов.

Показано многообразий проявлэния ЭЗФ, описаны псеьдоуп-ругость, одноразовый Снеобратимый, односторонний), ыногора.-оовий Сои^сип».»?;, дгустсрснний? * круговой ЭЗФ. Рассмотрены параметра ЭЗФ: температура начала и конца гррчовосстаковле-ние, усилия возврата, величина псевдоупругой, остаточной и возвраиаекой де§орнгциа, работа при восстановлении формы.

Приведены примеры проявления высокотемпературного ЭЗФ, отмйчевы -нреймушествд 5; недостатки используемых сплавов.

Проанализировано нвупругоз поведэнко и, .в частности ЭЗФ, и сплавах - твердых растъорзх титана. Отмечено, что в прэшалемшх сплава* та?ана форзияюссч-эновление проходит в «ярокок теиг.'&раг/рнс1: млтгркьл? от комнатной температуры до I £"<0-260 "С, а длг. ьсшгаехия ст«зяонк восстанавливаемой дефор-ыггдин «¡обходим скороотг.-лЗ нагрев.

2 заключения глгна «угэгется эацачи «сслмовакйя.

Ео второй гла?е обоснован вкбэр в .^ачэстке объекта ис-еледсъания систем':! тл-та-кь к кониентраниокноГг области в ней, описаны катоды приготовления и исследования сплавов.

Для решения поставленных задач были приготовлены спла-вн, содержащие 17,5, 21, 25 и 29 ат. * (Ть+иь) по пяти лучам титанового угла тройной системы тд.-та-кь при- соотношении яь:та = 9:1, 3:1, 1:1, 1:3, 1:9 и двойные сплавы тх-нъ и тх-то с тем же содержанием легирующих элементов. Слитки мае-

сой 0,08+1,0 кг приготовляли путей 5-7 кратного переплава в электродуговой печи с иерасходуеиш электродом в атшсферв гелия с избыточным давлением * 5,ЗЛО"4 Па на медной водоог-лоядаемой излопище. Состав сплавов контролировали весоши, химическим анализом и измерением плотности. После выплавка слитки нагревали в печи на воздухе до 950 "С и проковывали вгорячую на пруток. Из прутка изготовляли образцы для исследования, которые подвергали гомогеннзационному отаигу в ва-куумированных до 10"1 МПа ампулах и закаливали из области р-фазы, разбивая ампулн в воде нормальной температуры. Часть образцов была исследована в закаленном состоянии, другие после закалки деформировали растяжением на испытательной машине "шятаоы" при комнатной и повышенных температурах. Для приготовления образцов притеняли электроискровую резку, поверхностный наклеп снимали электро- или химическим травлением.

Микроструктуру сплавов изучали на оптических микроскопах МИМ-8 и теорног-зо при увеличении 15+1000 и электронной микроскопе леи-200А при увеличениях до 26 х Ю3. Рентгенострук-турный анализ проводили при нормальной и повышенной температуре на дифрактометрах ДР0Н-2 и ДРОН-Зы, используя медное фильтрованное излучение. Параметры решеток фаз расчитывали*^ методом наименьших квадратов по 5-17 рефлексам. Усилия возврата определяли при нагреве деформированных образцов в термокамере испытательной машины "гнбтрхж". Упругие модули измеряли резонансным методом при нормальной температуре и в интервале -110+ +700 °С на установке "еьазто.члт". Дифференциальный термический анализ проводили в атмосфере гелия на установках ДТА-7 и АК- 1м. Формовосстановлеяке изучали в интервале температур -130+ +700 "С на дилатоыераз УКП-70м и т,-1500 (втко-ыко).

В третьей главе приведены результаты комплексного исследования структуры сплавов системы т1-та-нь после закалки из области р-фазы и предложена модель формирования метаста-

*) Программа расчета для персонального компьютера любезно предоставлена О.Г.Карпинским.

бильных структур в процессе закалки.

Анализ дифрактограи показал, что в результате закалки образуется следующие фазовые состояния : c¡"+C</), а"+р+(ау), а'Чр+«+(а/), р+Са'), р+р'. Следуя Ю.А.Багаряцкоыу [2], фазы с, о" и Р ношо охарактеризовать степень! искажения к=/3а/ъ роибпч&ской элементарной ячейки, представив их в ромбической системе координат. При. таком опксанки гексагональный «'-мартенсит к 0I1K р~фаза обладают неизменными значениями р., в то ьреня как орторомбический а"-мартенсит теоретически ыо-хет принимать различные значения R ог I ко I,225.Стабл.1)

Установлено, что ромбическое искажение кристаллической реиэткк «"-картеисята нарастает с увзличанием обаей концентрации (та+кь), такие как я при эамецэнни тантала ниобием, до определенной величины пир < 1,225 при сохранении постоянным сбъет эдвмэнтарно£ ячейки Сркс.2 а,б). Это проявляется в сиеценнн определенных рефлексов и изменении их интенсивности на лифрактогргииах. Наибольшее искажение решетки «"-мартенсита Сп "1,16) достигается вблизи границы,

Если, при увеличении числа 'атомов легирующих элементов, вез атомы сплава на могут бить организованы в решетку рсиби-чзехой сиигояин а при закалке ^гксяруется р-$аза (н=1,225), откосясаяся к куйячэской скигост:.« то объэм ромбической ячейки, соответствуыЕзй. ирче, возрастает. Таким же образе«, кегсагвкаа одекемаркей .".че&сл »"-иаргонсата возрастает до кратачасхого при к:\грвгэ закаяенша сплавов; МЛ <."—»£ »нэивдт уввтачэнне с&.еча sxeueínsjw.of: ячьй:гл.СГ-кс.4б)

Призата&аоасе о пргсэяько»? нехавоюш кр::ст аяляческой ps-кьззк, кощео .v:oi%*;t йхъ :<сстлгп,уго путей уггиенеикя хвш-чесхого cc-ots.hi гь'^икяь^аашг атласов, ылч яри доэдоЛсгдея других термодинамических $актороз С температура или давление) бйло продло^йно С.Г.Федотовым íi] и подтверждено в настоящей работе: после закалки различных составов, как к при нагреве С Гл.iv) или нагругении С Гл.v) закаленных.сплавов, ■ искажение «"-иартеясита не превышает предельного к *>i, i б.

1 кр.

Наряду с рефлексами ct ~J,{2tpT6IiCJ5T£ 9 Ка дифрактограимах иногих сплавов закотны следы гексагонального «/-мартенсита и

Таблица I.Параметры кристаллической решетки фаз, образув-щихся при закалке сплавов т!-та-мь, изученных в работе.

Фаза / а I1 м' О

Пространств, группа Р6/ттс Спет 1тЗп 1гаЗт

Параметры кристаллической решетки, х 10 нн

В координатах сингонии а 6 с | 2,93 | 4,77 051-3,193 1 4,949-4,785 4,673-4,650 3,285 3,303

В ромбических координатах а ь с 2,93 5,07 4,77 3,051-3,198 4,949-4,785 4,673-4,050 3,285 4,645 4,645 3,303 4,657 4,657

Ромбическое искажение н=/3п/ь I I -Ыб 1,225 1,225

25 ат,(Та+№>)

а. Ь/ч/У'Ю, КМ с »10, НМ

Т!-МЬ-Та (1.-3)

V

—. -А .—Л

-а

---- V1 '

Л .'.Ц

Г* 1 / ±

(

Та 1:3 МЬ:Та 3:1 МЬ

аЭ

Рис.2 Нарастание ромбического каленных сплавах т1-та-ыь при легирующих элементов (а) и при

о ю га

ат.%(ЫЬ»Та)

б)

искажения а"-мартенсита в за-увеличении общего содержания замещении тантала ниобием Сб).

ОПК ¡з-фазы с практически неизменньши параметрами, а для наиболее легированных сплавов изученной области наблюдается расщепление рефлексов р~фазы, что свидетельствует о присутствии в структуре двух OUK-твердых растворов р и р'с раз-хичтии параметрами решетки С табл. D. Составы, в структуре которых существует наиболее искаженный а"- мартенсит (состояние а'+р+Са'}) или ыетастабильная р-фаза Ссостояние р+(с/) п р+р'), отличается наименьшими значениями упругих модулей ЫЮ-65 ГПа, &£2-25 МПа.Срис.З)

Но данной металлографии пакеты «'-пластин располагается внутри зерен первичной р~фазы, разиер' которых составляет в среднем ЮС-200 икм. С увеличением концентрации легирующих оленентов размеры мартеяситных пластин, образующихся при закалке, уменьшаются. При увеличениях >20000 в ПЭМ выявляется слоистое строение двойникованных продуктов МП.

Пп. результатам исследования структуры закаленных сплавов системы tí-t«-N!. построена кетастабильная диаграмма состояния. Увеличение содержания тантала в сплаве расширяет область существования «"-мартенсита до 25 ат.я при нь:та=Ф:1 в ло 83 г. т.' при ль:та=3:1 за счет области р-фазы и сокрапает область сунестЕрваиия-о-фазы на ьэтастабклькой диаграмма,

так что превкпение содержания В, ГПа тгитала нал содержанием ниобия

*JÍ р ] : исключает ее образование при

I 1 ]„ закалке в воду от 900°С. ".sj----------—--

Для объяснения экспериыенталь-,, £ них фактов С одновременное су-шествовгняе гексагонального 3-s a-,. ромбического «"-мартенскта и ыетастабильной ОПК р-фазы, ЗЛ сосуществование двух 0ЦК' р-твердых растворов с различными

1.6

Ркс.З Концентрационная зави-•"о 1» го зо0'6 симость модулей упругости Е,. G

t¡mMTi+№) и плотности закаленных сплавов

Ti-Ta-Nb ПО сечению Ta:Nb=9:1.

параметрами кристаллической решетки, слоистое строение продуктов Ш1, понисение модулей упругости и нарастание искажения решетки в окрестности интервала МП) в рамках представлений [1-4] была развита следувпая модель формирования струя-туры титановых сплавов при закалке.

Поскольку перестройку решетки из кубической в гексагональную инициирует атомы гитана, а легирующие элементы (л.э.) затрудняют превращение, то для начала превращения, атомам титана и л.э. в сплаве необходимо размегеваться. Поэтому по мере охлаждения растет неоднородность р-твердого раствора. Распределение объемов по составу обусловливает их распределение по температуре Мн. Поскольку !<н есть функция растворимости,то первые кристаллы мартенсита возникают в обедненных л.э. объемах. Двизушаяся граница мартенситной пластины вытесняет атомы л.э. в окрузаюаий р-твердый раствор, способствуя его обогащение. При достаточно медленном охлаждения достигается равновесная концентрация а и р фаз, и формируется а+р структура. Резкая закалка препятствует приближению состава аир фаз к равновесному после образования кристаллов «'-мартенсита, и в некоторых объемах /з-твердого раствора при понижении температуры начинается, но не проболит до конца МП Э—кх, В этих объемах образуется а"- мартенсит - продукт незавершенного преврашения р—«*, когерентно связанней как с «'-пластинами, так и с объемами р-твердого раствора, не претерпевшими превракения.

Прн охлаждении под влиянием Счерез когерентную границу) гексагональной координации ухе образовавиихся с/-обьеиов Собеш?.еьиых л.э.), термодинамическая устойчивость которых возрастает при охлаждении, в структуре <х"-цартексита нарастает смещение у атоков плоскости (002) а>. в направления [010]а„, что приближает 'орторомбаческув реветку при пониге-нии температуры сплава к равновесной - гексагональной: степень искажения решетки я уменьшается, модули упругости е, о возрастают.

Наоборот, если под действием внешних факторов (нагрев, яагруяение) возрастает термодинамическая устойчивость р-фа-

зы, то структура а"-мартенсита стремится к ОШС координации непревращенных областей исходного р-твердого.раствора; смешение г увеличивается, роыбичность я нарастает, модули е, в поникаются. Способность а"-мартенсита, "заключенного" между ОЦК Свысокотемпературной) и тексагональной (низкотемпературной) структурами, изменять степень искажения кристаллической решеткк, является одной из причин неупругого поведения сплавов с этой структурой.

Образующаяся слоистая структура определяет многообразие закалочных структур в титановых сплавах Со^ЧС«'), а'Чр+Со/), р+Со')) за счет изменения соотношения отдельных слоев с увеличением содержания л.э. В сильнолегированных сплавах (р+р') протяженность р-прослоек настолько увеличивается, что приводит к сохранению в срединных олоях областей р-твердого раствора, не испытывающих влияние ни ромбической, ни тем более гексагональной координации С структура р+р'). Зги р'-област:: отличаются большими параметрами ОЦК-решетки, близкими для параметров решетки легирующих элементов.

При недостаточно высокой скорости охлаждения в интервале 300-500°С на формирование структуры оказывает влияние конкурирующее превращение р—ю, что приводит к уменьшению объемной доли ¿"-мартенсита С структура а"+р+и+С а')).

В IV главе, отражены результаты изучения структурных изменений при нагреве иетастабильных закаленных сплавов.

При нагреве закаленных сплавов наблюдали немонотонные изменения модулей упругости и различные тепловые эффекты. СРис.4а) Наиболее чувствительной, по отношению к химическому и фазовому составу является температура первого минимума е и а, которому соответствует активное поглощение тепла (эндотермический пик) в узком температурном интервале 10-20 °С. Как показали прямые рентгеноструктурные наблюдения при нагреве, такое изменение физических свойств сплавов связано с обратным МП а" —ф. Температура этого превращения монотонно снижается как с нарастанием содержания л.э., так и с замещением тантала ниобием.

Обнаружено, что нагрев метастабильных структур, содер-

т."с

зааях а"- мартенсит, сопровождается аномальный изиенением параметров элементарной ячейки при сохранении неизменным ее объема СРис.4б). При приблигенни к интервалу Л^-Ак параметр а увеличивается, ь уненьяается, что приводит к увеличении ромбического искажения орторонбической роизтхи «"-иартенситз до предельного.значения С ,16), которое наблюдалось в сильнолегированных закаленных сплавах СГл.З). Эти структур ные изменения обратши, еслч теипература нагрева на превысила Ан, и сопровоядавтся незначительны« поглощенней тепла по данным ДГА и понигением кодулеЗ упругости. Такни образок, одно и тозэ состояние предельно искаженного а"-мартенсита С,16) иохет бить получено как в результата закалки р-фазы, так и в результате нагрева слабо искаженного а"- мартенсита (п*1,08-1,12). Обнаружено, что при тврмоаяклиро-вании 20-300°С со скоростью 0,120,5 °С/с сплавы, в структуре которых после закалки в воду содержится а"-мартенсит, иогут испыты-

Р;5с,4. Кривая ЛТА, температурная зависимость нодулл !Снга е Са) я параметров единой элементарной ячэйки с ромбической сшшетркей для «"- я (?-<$аз (.6) при нагреве.

спытыватъ как обратимые, так и необратимые фазовые превращения. Сплавы со структурой а"-мартенсита устойчивы к термо-циклированию 20-900 °С, если АК>400°С. Формирование ыартен-ситной структуры подавляется при охлаждении, если Мн <300+ 350°с, В этом случае ранее мартенсита образуется о-фаза. Если интервалы превращений р—ко и р—к*" совпадают, то при нерезком охлаждении (Для изученных сплавов при скорости охлаждения меньше 1,7К/с в интервале 400-300 °С) в различных объемах могут одновременно проюдить оба превращения, что приводит к образованию сложной структуры а"+и+р+(а) в сплавах, богатых ниобием. Преобладание атомов тантала препятствует р —-н> превращению при закалке в воду.

Образование о-фазы начинаемся как при нагреве, так и при охлаждении в интервале температур 300-350°С. Поэтому обратимость мартенситното превращения р—к*" достигается такие в более легированных сплавах (пн<30С°С) сс структурой a'+ptCo/} при условии, что при термомиклировании через интервал МП не будет превышена температура начала образования о-фазы, т.е.*300°С, или если скорость нагрева/охлаждения будет выше критической.

В v главе представлены результаты изучения структурно-фазовых изменений, протекаюиих в закаленных сплавах с чета-стабильной структурой при приложении внешней нагрузки, а также при последующем нагреве, сопровождающимся восстановлением формы.

Анализ результатов механических испытаний закаленных сплавов Tí-Ta-Nb в условиях одноосного растяжения показал, что полученные кривые с-с могут быть сведены к трем типичным, которые показаны на рис.5.

Кривую деформации в сплавах со структурой метастабильной р-фазы отличает сильный наклон (е«65 ГПа), площадка текучести при *250 МПа, значительная величина возвращаемой псевдоупругой деформации. Согласно рентгеноструктурным исследованиям, деформация этих сплавов вызывает превращение р— Сплавы со структурой. p+V'+Co/D имеют площадку текучести при «150 МПа, а псевдоупругий возврат проявляется в меньшей

<ПмЛв

Рис.5 Кривые- деформаций закаленных сплавов со структурой: а}-.— -р+Са'Жа'),

-р+а'+Са'} ,

В).-а"+(0)+(а')

температура деформации 20 °С г)——а'ЧСрЗ+Са/) ^температура деформации 320°С.

превытаваих' А , t:

степени.- Деформация сплавов этой группы приводит к появлению мартенсита, параметры которого отличаются от параметров мартенсита закалки. Деформационный мартенсит обладает меньшим ромбическим искажением (r «1,138-1,136) по сравнению с исходным закалочным (н»1,149) и меньшим объемом элементарной кристаллический ячейки. Нагрев до температур деформации, не меняет вид кривой а-е. Менее легированное сплавы, где а"-мартенсит образуется вдали от комнатной температуры (М «« Б00-400°С, структура а"+«/+Ср) после закалки), трудно деформируются при нормальной теыгературе ('2*80-50 ГПа)1 с почти вырожденной площадкой текучести в районе 350-100 МПа. Однако, если деформация проводятся вблизи интервала МП, где наблюдается нарастание ромбического искажения- ялементарной ячейки «"-мартенсита и понижение модулей упругости (Гл.4) деформация проходит легко, а кдосздка текучести достигается уже при 100-120 МПа С Ряс. 6), то есть приближение к интервалу МП меняет вид деформационной кригоЗ г-е, Лая показали рентгеноструктурные наблюдения, яри нормальной температуре деформация проходит с разрушением когерентной границы а"/в (рефлексы р-фазы обособляются) , а деформация вблизи А сохраняет когерентность (рефлексы а" и р совпадают). Таким образом, нагрев сплавов этой группы приводит к смене деформационного механизма.

Следовательно, состояние сплавов, кривая деформации которых имеет площадку текучести, характеризуется определенны-

1.С £г'/о Рд ешь рЕНИЕ

.__0.5 1 11 'Р 2 )0 з< С 4( Я }

-1( 0 С Чч V ч т,°с

-о.е л м V п

-1.0 1

Ст 1 тие

Рис.6 Проявление ЭЗФ при различных температурах при нагреве деформированных сплавов с исходной структурой после закалки:

1) - р+Св'О+Са),

2) - Р+а'ЧСа) ,

3) - а"+Ср)+Са).

ми значениями' ромбического искажения и модуля е, близких к предельным СЫ,16, е*60 ГПа). Такое состояние могет быть достигнуто как в результате закалки высоколегированных сплавов, так и нагрева после закалки менее легированных.

Бее сплавы, прсдафориирсванные ?с!пияи интервала Ш, проявили ЭЗФ при температурах от 80 до 570°С. СРис.6), а сплавы с значительным количеством р-фазн - также обратимый ЭЗФ. Увеличение нагрузки выше той, которая ограничивает площадку текучести С 3+4Я, увеличивает температуру Ак ,т.е. расширяет интервал формовосстановления и увеличивает восстанавливаемую деформацию.

Восстановление формы проходит в три этапа. При нагреве до температур, не превышающих Ан, возвращается до 30* накопленной деформации за счет структурных изменений в а"- мартенсите. Основная часть С>50» накопленной деформации вос-ставовлявается в узком температурном интервале 10-15 °С, соответствующей интервалу МП. Охлаждение с температур ниже Ан приводит к обратимому восстановлению линейных размеров, а охлаждение из интервала АН~АК - к частичному восстановлению.

На основании проведенных исследований сформулированы представления о путях достижения в твердых растворах на основе тнгага метастабильных состояний, способных обратимо накапливать и возвращать при нагреве деформацию. По заказу Физико-Энергетического Института Сг. Обнинск) был разработан сплав, обладающий высокотемпературным ЭЗФ и изготовлен рабочий элемент для специального устройства пассивной безопас-

ности. В годе испытаний макета устройства элемент из разработанного сплава сработал при заданной температуре 570°С, что подтвергдено соответствующим актом. Кроме того, по просьбе ФЭИ были разработаны технологические' рекомендации по термической и термомеханической обработке элементов конструкций, использующих высокотемпературный ЭЗФ сплавов Т1-Та-нь, которые вошли в приложение к настоящей работе. Выводы.

1. Впервые в неупорядоченных твердых растворах системы Т1-Та-мь установлено существование высокотемпературного ЭЗФ и показана возможность управления температурным интервалом восстановления формы в диапазоне 80-570°С как за счет общего содержания ^-стабилизирующих элементов, так и соотношения между ними.

2. Уточнены области существования «"-мартенсита и других ме-тастабильных фаз после закалки от 900°С в тройной системе т1-хнь~ута Сх*у = 17,5-28 ат.*). Показано, что Та расширяет область существования «"-мартенсита до 25ат.* при нь:та=3:1 за счет области р-фазы. Показано, что превышение содержания тантала над содержанием ниобия исключает образование <*-$ззы при закалке в воду от 900°С. Построена экспериментальная ие-тастабильная диаграмма состояния сплавов системы т1-иь-та, закаленных от 900°С.

3. Определены критические точки ыартенситных преврааений н выявлены составы сплавов, испытывавших при термоциклированин 20-900-20°С обратимые превращения Э<—юс", Показано, что в сплавах, богатых ниобием (иь:та=3:1 и 9:1), превращение р-ч) сменяет превращение р-кг" при снижении скорости охлаждения до I,7К/с.

4. Установлено, что мартенситное превращение а'Чромбич.)—» рСОЦЮ происходит в результате нарастания факторов внешнего воздействия, таких как температура и внешняя нагрузка, после достижения предельной степени ромбического искажения С я= /За/ь) кристаллической реиетки а" мартенсита и определено, что в сплавах т!-нь-та предельное искажение решетки а"-мартенсита соответствует ромбичности г<~1,16. Показано,

что предельно искаженная решетка обладает низкими значениями модулей упругости : е = 60-65 ГПа, с= 22-25 ГПа.

5. Предложена модель формирования ыетастабильных состояний при закалке, которая позволяет объяснить спектр метастабиль-ных структур, образуемых в закаленных сплавах титана с р-изоморфньши элементами, и их неупругое поведение.

6. Показана сиена механизма накопления деформации при приближении к интервалу МП и установлено, что обратимое накопление деформации возможно при достижении решеткой а"-мартенсита ромбического искажения, близкого к предельному, которое характеризуется минимальными значениями модулей упругости е и б. Установлено, что оптимальная температура задания деформации определяется составом сплава.

7. Определены параметры формовосстановления в твердых растворах тьиь-та ; усилия возврата, возвращаемая деформация, температуры начала и конца фиумовссстапсплс::::;:. Предпл-винИ составу сплавов и оптимальные условия термической и термомеханической обработки, обеспечивавшие ЭЗФ в диапазоне от 80 до 500° С с интервалом восстановления формы 30+ 50"С. Усилия термомеханического возврата С реактивные напряжения) достигают 400 МПа при возвращаемой деформации до 2,.5?,.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах.

1) Петржик М. И, Федотов .С. Г , Ковнеристый Ю.К., Жзбннева Н.Ф. Влияние термоциклирования на структуру закаленных сплавов системы тьта-нь. // Металловед, и терм. обр. нет. -1992. N3. С.27-29.

2) Петрхик М. И, Федотов .0. Г Неупругие эффекты в твердых растворах титана, обусловленные перестройкой решетки при внешних воздействиях.// Тез. докл. Второго Всес. симп. "Синергетика". Москва 12-15 мая 1991г., ч.н . С.148.

3) Петржик М.И, Федотов .С.Г Обратимые мартенситные превращения в твердых растворах титана как результат нарастающего искажения и перестройки кристаллической реиетхи при внешних воздействиях.// Докл. Всес. конф. по мартенситныы превращениям в твердом теле. Косов 7-П октября 1991г. Киев: ИМФ АН Украины, 1992. С.374-377.

4) Петрлгак M.И., Яебыиева H. Ф.Термически стимулированные обратим не и необратимые маргенситные превращения в сплавах Ti-Ta-Nb.// Локл. Всес. конф. по мартенситным преврашениям в тлсрдом теле. Косов 7-11 октября 1991г. Киев: ИМФ АН Украины, 1992. С.378-381.

5) M.I.Petrzhik and S.G.Fedotov. Reversible and unreversible nartenaitic transformations and shape memory in Ti-Ta-Nb alloys.//Abstracts of the Seventh World Conference on Titanium. June 28-July 2, 1992 ,San Diego, CA. P.6.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА. I.Федотов С.Г. Кетастабильные фазы в сплавах титана, механизм л условия их' образования.//В кн. Исследования металлов в твердой и жидком состоянии. М.: Наука, I9B4. С. 207-240. З.Багарянкий Ю.А., Носова Г.И., Тагунова Т.В. Метастабильная «"-фаза в сплавах титана с переходный:! элементами. // Сб.работ ШНГ-iM Н4. M.: îoso. c.si-бз.

3.Федотов С.Г.,Челидзе Т.В.,Ковнеристый О.К.,Санадзе В.В. Фэзосое строение,критические точки Мн и Ад иартенситных пре-вргсемй и упругие свойства метастабильных сплавов «'.стены Ti-'fa.// Физ. !'вт. Иэталяовед. 1985. Т.60, вып.З. С.567-570.

4.Физические основа скоростного термоупрочненпя титановых сплавов/ Гридне» В.11., Ивгсивган О.М. , Ошкадеров С.П./У Хаев: Наук. думка. 1926. 256 с.