Введение к работе
Актуальность проблемы. В современной науке и технике одной из основных задач является разработка новых функциональных материалов с высоким уровнем эксплуатационных свойств. Одним из важных классов таких материалов являются сплавы с нанокристаллической и аморфно нанокристаллической структурой. Эти сплавы, как правило, обладают высокими физическими и механическими свойствами, которые по своему уровню превосходят свойства поликристаллических материалов.
Среди различных классов функциональных материалов можно особо выделить сплавы с термоупругим мартенситным превращением, обладающие эффектом памяти формы. Прежде всего, это сплавы на основе никелида титана, которые обладают высокими значениями параметров эффекта обратимой памяти формы, высокой прочностью и пластичностью, а также высокими значениями сопротивления усталостному разрушению и коррозионной стойкости. Совокупность этих свойств обеспечивает возможность широкого применения этих сплавов в медицине, авиакосмической технике и других отраслях приборостроения в качестве функциональных материалов.
В настоящие время одним из перспективных направлений получения нанокристаллических материалов являются методы мегапластической (интенсивной) деформации (МПД) [1], в частности деформации кручением под высоким квазигидростатическим давлением (КВД) [2]. В литературе имеются лишь отдельные попытки объяснить природу структурных и фазовых изменений, происходящих в материале при МПД. Вместе с тем, для создания функциональных материалов нового поколения путем целенаправленного воздействия на их структуру необходимо систематическое изучение основных закономерностей структурно-фазовых превращений, протекающих в материале в ходе МПД.
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящей работы заключается в систематическом изучении и комплексном анализе основных закономерностей структурных и фазовых превращений в аморфных и
кристаллических сплавах на основе никелида титана, железа и циркония, включая аморфизацию и кристаллизацию, в процессе мегапластической деформации при кручении под высоким квазигидростатическим давлением.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Изучить основные закономерности перехода кристаллических сплавов на основе никелида титана, железа и циркония в аморфное состояние в условиях кручения под высоким квазигидростатическим давлением при комнатной температуре.
-
Установить основные физические параметры, определяющие склонность к деформационной аморфизации для кристаллических сплавов при мегапластической деформации. Провести сравнение склонности к деформационной и к термической аморфизации для одних и тех же составов сплавов.
-
Изучить особенности деформационной кристаллизации серии аморфных сплавов на основе железа, в ходе деформации кручением под высоким квазигидростатическим давлением. Провести экспериментальную и теоретическую оценку факторов, способствующих появлению нанокристаллических фаз при мегапластической деформации аморфных сплавов.
-
Исследовать эволюцию структуры и закономерности прямых и обратных фазовых превращений типа «аморфное состояние <=> кристалл» в сплавах на основе никелида титана в исходно аморфном и исходно кристаллическом состояниях в процессе деформации кручением под высоким квазигидростатическом давлением при различных величинах мегапластической деформации и скоростях вращения подвижной наковальни камеры Бриджмена.
Для достижения поставленных задач в работе были использованы высокоэффективные методы структурных исследований (рентгеноструктурный анализ и просвечивающая электронная микроскопия), а также методы
дифференциальной сканирующей калориметрии, измерения нано- и микротвердости и удельного электросопротивления.
Научная новизна. Выявлены физические факторы (термодинамический, механический и концентрационный), определяющие склонность кристаллических сплавов и отдельных кристаллических фаз к деформационной аморфизации в процессе мегапластической деформации кручением под высоким квазигидростатическим давлением. Экспериментально установлено, что в аморфизирующихся сплавах на основе никелида титана и циркония склонность к деформационной аморфизации при мегапластической деформации существенным образом отличается от их склонности к термической аморфизации при закалке из жидкого состояния. Показано, что эффект деформационной кристаллизации при деформации кручением под высоким квазигидростатическим давлением при комнатной температуре аморфных сплавов на основе железа обусловлен адиабатическим повышением температуры в деформационных полосах сдвига и существенным повышением в этих полосах концентрации областей избыточного свободного объема. Обнаружено, что при мегапластической деформации при комнатной температуре исходно аморфного и исходно кристаллического сплава Ti5oNi25Cu25 происходят многократные циклические структурно - фазовые превращения «кристалл <=> аморфное состояние».
Достоверность результатов. Достоверность и обоснованность, представленных в работе, результатов обеспечивается системным подходом к исследованию, хорошей воспроизводимостью полученных данных, а также высокой степенью соответствия между экспериментальными результатами, полученными при использовании различных современных методов исследования. Полученные в работе результаты полностью согласуются с современными фундаментальными представлениями в области физики конденсированного состояния.
Практическая ценность работы. Проведенные исследования позволяют внести существенный вклад в понимание природы структурообразования в
процессе мегапластической деформации сплавов на основе никелида титана, железа и циркония, а также в создание научных основ разработки новых аморфно-нанокристаллических материалов с высокими физико-механическими свойствами.
На защиту выносятся следующие положения:
1. При деформации кручением под высоким квази гидростатическим
давлением аморфного и кристаллического сплава Ti5oNi2sCu25 по мере
возрастания величины мегапластической деформации наблюдается
цикличность взаимосвязанных фазовых переходов «аморфное состояние <=>
кристалл».
-
Склонность к деформационной аморфизации кристаллических сплавов на основе никелида титана, железа и циркония в ходе мегапластической деформации определяется термодинамическим, механическим и концентрационным факторами.
-
Склонность к образованию аморфного состояния при мегапластической деформации и при закалке из жидкого состояния для заданного состава сплава могут существенно различаться.
-
Чем ниже температура кристаллизации аморфного сплава на основе железа, тем выше значение объемной доли кристаллической фазы, формирующейся при мегапластической деформации при комнатной температуре.
5. В ходе мегапластической деформации кручением под высоким
квазигидростатическим давлением при комнатной температуре в аморфных
сплавах Zr5oNii8Tii7Cui5 и Ti5oNi25Cu25 образуются нанокристаллические фазы,
которые обычно наблюдаются только после высокотемпературного отжига.
Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке задачи исследования, в обсуждении и в интерпретации полученных в диссертации результатов. Самостоятельно провел структурный анализ методами дифракции рентгеновских лучей и просвечивающей электронной микроскопии, а также измерения методами калориметрии, микротвердости и удельного
электросопротивления, включая подготовку образцов для исследований. Измерения нанотвердости проводились в ФГБНУ ТИСНУМ совместно с к.т.н. С.С. Усеиновым. Автор внес существенный вклад в написание статей и тезисов докладов по теме диссертации.
Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях: V, VI и VII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка 2008, 2010, 2012); 48-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти 2009); XIX Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург 2010); VII Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск 2010); V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2010» (Москва 2010); VIII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «КоМУ-2010», (Ижевск 2010); 50-ый Международный научный симпозиум «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь (2010); IV Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО-2011» (Москва 2011); II Международная конференция «Нанотехнологии и наноматериалы в металлургии» (Москва 2011); Третий Международный симпозиум «Объемные наноструктурные материалы» (Уфа 2011); VI Всероссийская молодежная научная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти 2011); Вторые московские чтения по проблемам прочности материалов (Москва-Черноголовка 2011); XVIII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара 2012); 9-th European Symposium on Martensitic Transformations «ESOMAT 2012» (Санкт-Петербург 2012).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 16 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы, включающего 120 наименований. В заключение каждой из глав, содержащих результаты исследований, приведены детальные выводы. Работа изложена на 154 страницах, содержит 9 таблиц, 22 формулы и 53 рисунка.
