Введение к работе
Актуальность темы. Научно-технический прогресс неразрывно связан с эффективным использованием традиционных и разработкой новых сплавов с уникальными свойствами. Именно этим обусловлен уже много лет интерес к сплавам никелида титана, проявляющим термоупругие мартенситные превращения. Кроме свойств эффекта памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности (СЭ) сплавы TiNi обладают хорошей прочностью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью и биологической совместимостью с тканями человеческого организма, что обеспечивает их широкое применение в технике и медицине.
На сплавах никелида титана хорошо изучены последовательности структурных фазовых превращений в зависимости от состава сплава и термомеханической обработки, закономерности неупругой мартенситной деформации, особенности предмартенситных состояний. Однако механизмы пластической деформации высокотемпературной В2 фазы, которые в значительной мере контролируют процессы развития мартенситных превращений, и, связанных с ними ЭПФ и СЭ, исследованны слабо. Нет работ выполненных на монокристаллах TiNi по исследованию действующих систем скольжения и двоиникования, что затрудняет сравнение никелида титана с монокристаллами других В2 интерметаллидов. Вопрос о псевдодвойниковании по плоскостям {112}, обнаруженном на поликристаллах никелида титана до конца неясен и дискутируется в литературе. Не выясненной остается взаимосвязь между механическим двойникованием и мартенситным превращением под нагрузкой. Следовательно, нужны детальные исследования зависимости процессов двоиникования от температуры, ориентации оси деформации, состава сплавов, выполненные на монокристаллах TiNi, которые могут дать основания для разработки моделей зарождения и роста двойников в В2 структуре.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является систематическое комплексное исследование механизмов деформации монокристаллов Ti-50,8ат.%№ и Ті-51,3ат.%№, легированных 0,3ат.% Fe и О.Зат.% Мо. Выбор сплавов обусловлен тем, что в поликристаллическом состоянии после соответствующих термомеханических обработок эти сплавы обладают хорошей прочностью, высокой пластичностью и высокими значениями эффекта памяти формы и широко используются в медицине в качестве имплантатов. Кроме того, составы исследуемых монокристаллов близки к составам поликристаллических сплавов TiNi, на которых впервые наблюдалось механическое двой-никование.
В работе решались следующие задачи:
-
Исследовать зависимость предела текучести, пластичности, коэффициентов деформационного упрочнения и механизма разрушения на монокристаллах никелида титана от ориентации кристалла, температуры испытания, состава сплава и способа нагружения (растяжение / сжатие).
-
Изучить основные закономерности развития мартенситных превращений под нагрузкой в закаленных монокристаллах TiNi в различных ориен-тациях.
-
Провести детальное исследование механизмов пластической деформации высокотемпературной В2 фазы при растяжении и сжатии. Выяснить тип и роль дислокационного скольжения, двойникования, сбросообразова-ния, а так же возможность наведенного деформацией (strain-induced) мартен-ситного В2->В19' превращения в процессах деформации и разрушения кристаллов различных ориентации.
-
Провести сравнительное экспериментальное исследование крупнозернистых, не обладающих текстурой, и мелкозернистых текстурированных поликристаллов никелида титана.
Научная новизна. В работе впервые проведены систематические исследования прочностных и пластических свойств монокристаллов никелида титана в широкой области температур 77-773К, микроструктуры деформиро-
ванных образцов и механизмов пластической деформации высокотемпературной В2 фазы в зависимости от ориентации оси нагружения и знака приложенного напряжения.
Установлены "мягкие " ориентации с низким пределом текучести в В2 фазе, низкими ткр, для действующих систем скольжения, и высокой пластичностью до разрушения и "жесткие " ориентации, где сто.і и ткр в два раза выше, чем в мягких ориентациях.
Показано впервые, что температура начала пластического течения в В2 фазе, Md, и интервал мартенситных превращений под нагрузкой имеют ори-ентационную зависимость и определяются уровнем прочностных свойств матрицы и механизмом ответственным за предел текучести.
Исследованы системы скольжения, механизмы локализации деформации с образованием микрополос сдвига и характер разрушения мягких [И 1] и [112] кристаллов TiNi(Fe,Mo) в области В2 фазы.
Обнаружен вязко-хрупкий переход в закаленных монокристаллах TiNi(Fe,Mo).
Выяснены типы двойникования и морфология мартенсита деформации, осуществляющих пластическую деформацию в [001] кристаллах никелида титана при сжатии в области В2 фазы. Мартенсит деформации (strain-induced martensite) при T>Md, когда мартенситному превращению предшевствует пластическая деформация скольжением и механическим двойникованием, наблюдается впервые на сплавах никелида титана.
Научная и практическая ценность. Большинство сплавов никелида титана используемых на практике обладают текстурами, возникающими при их термо-механических обработках и, вследствие этого обладают анизотропией пластических свойств и свойств ЭПФ и СЭ. Поэтому данные о пластичности и прочности никелида титана вдоль различных направлений, полученные на монокристаллах TiNi, позволяют направлено воздействовать на структуру поликристаллических ансамблей и формировать в них текстуры с мягкими направлениями, при которых наблюдается высокая пластичность в В2 фазе, а
также высокие значения ЭПФ. Это существенно расширяет возможности практического применения сплавов с эффектами формы.
Полученные результаты о действующих механизмах пластической деформации В2 фазы в никелиде титана - дислокационное скольжение, механическое двойникование, мартенситное превращение, инициируемое деформацией, развивают представление о закономерностях деформации и разрушения сплавов и интерметаллидов с В2 структурами.
На защиту выносятся:
-
Экспериментально установленная на монокристаллах TiNi(Fe,Mo; при растяжении в В2 фазе ориентационная зависимость критических скалывающих напряжений т Кр, коэффициентов деформационного упрочнения 9 и пластичности до разрушения 5. Кристаллы с ориентациями [111] и [І12] являются "мягкими", характеризуются низкими значениями т кр, высокой пластичностью, небольшими значениями 0, вязким характером разрушения. Кристаллы с ориентациями вблизи полюсов [001], [011] являются "жесткими", обладают высокими ткр, низкой пластичностью и разрушаются хрупко.
-
Взаимосвязь между ориентационной зависимостью прочностных свойств В2 фазы и ориентационной зависимостью температуры Md и интервала мартенситных превращений под нагрузкой ДТ„. В кристаллах с "жесткими" ориентациями точка Md смещается в область более высоких температур на 100-150К, по сравнению с Мл для [Ї И] и [Ї12] кристаллов.
-
Вязко-хрупкий переход при растяжении в закаленных монокристаллах TiNi(Fe,Mo) , обусловленный сменой механизма деформации: от дислокационного скольжения по системам а<100>{011} и а<100>{001} к мартенситу напряжений. Хрупкий характер разрушения наблюдается независимо от ориентации кристаллов при Т< Md. Низкая пластичность кристаллов в области мартенсита напряжений связана с особенностями роста мартенситных В19' кристаллов в закаленных монокристаллах никелида титана.
-
Установленные экспериментально механизмы пластической деформации В2 фазы, в [111] и [112] монокристаллах TiNi(Fe,Mo) при растяжении и сжатии: дислокационное скольжение по системам а<100>{001} и а<100>{011} с образованием микрополос локализованного сдвига при є>5% , разориенти-рованных относительно матрицы на небольшие углы а~1.
-
Закономерности развития деформации двойникованием при сжатии [001] кристаллов TiNi(Fe,Mo) в области высокотемпературной В2 фазы; сверхдвойникование по плоскостям {112} и сложное двойникование по плоскостям {114}. Индуцируемое двойникованием мартенситное превращение В2->В19'.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по мартенситным превращениям в твердом теле "Мартенсит 91"( Косово, 7-11 октября 1991 г), Российской научно-технической конференции " Новые материалы и технологии машиностроения"(Москва, 1993), IV Международной школе- семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1998.)
