Введение к работе
Актуальность темы. Создание новых материалов, способных соответствовать возрастающим требованиям техники, является основной задачей современного металловедения. В последнее время все большее применение находят такие новые материалы как сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ). В общем случае сплав с ЭПФ, продеформиро-ванный в мартенситном состоянии при T Среди обширного круга сплавов с ЭПФ особое место занимают сплавы Mn-Cu с содержанием Mil 7090%. Эффект памяти формы в этих сплавах обусловлен наличием бездиффузионного магнитоструктурного ГЦК+ГЦТ перехода, который по своим внешним проявлениям аналогичен термоупругому мартенситному превращению. В зависимости от концентрации марганца и термообработки превращение ГЦК«-»ГЦТ может проявлять как признаки фазового перехода I рода (скачкообразное изменение периодов решетки и двухфазная ГЦК+ГЦТ область), так и признаки фазового перехода II рода (плавное изменение периодов решетки). Эти особенности ГЦК4-+ГЦТ превращения обуславливают особый характер проявления ЭПФ в этих сплавах, а именно: ярко выраженное обратимое формоизменение при термоциклировании, а так же малый гистерезис формоизменения при нагреве и охлаждении (не более 1С). Такие уникальные особенности марганцевомедных сплавов наряду с относительной дешевизной и хорошей технологичностью делают их перспективными материалами для многих отраслей техники. Все работы, посвященные исследованию структуры и ЭПФ в марганцевомедных сплавах, рассматривали лишь двухкомпонентные сплавы Mn-Cu. Однако с точки зрения промышленного использования двухкомпонентные сплавы обладают целым рядом недостатков, существенно затрудняющих их широкое применение: сплав 75Ып-25ЖСи при удовлетворительной технологичности имеет недостаточно высокую термо- чувствительность, а увеличение термочувствительности за счет повышения содержания марганца резко ухудшает технологичность. В настоящее время отсутствуют работы, в которых было бы исследовано влияние легирования на мартенситное ГЦК+ГЦТ превращение и эффект памяти формы в сплавах Mn-Cu. Разрозненные данные о легированных марганцевомедных сплавах касаются только исследования демпфирующих свойств. В то же время для научного обоснования поиска сплавов ОПФ с нужными термочувствительными и технологическими характеристиками необходимо развитие представлений о связи структуры со свойствами, базирующееся на достоверных и достаточно подробных сведениях о тонкой кристаллической структуре и характере термоупругого мартенситного ГЦК+-»ГЦТ превращения. Вышесказанное особенно актуально для марганцевомедных сплавов ОПФ, находящихся, как правило, в состоянии метастабильного равновесия в результате лзо-морфного распада 7-ТВ9РДОГо раствора. Поскольку мартенситное превращение в сплавах Mn-Cu стимулировано изоморфным распадом на фазы ^ и 72 (обогащенную и обедненную по марганцу), представляется актуальным исследование влияния добавок переходных металлов на кинетику распада и на состав изоморфных фаз, находящихся в метастабильном равновесии. В качестве легирующих добавок выбраны Сг, N1, Со, Ge и Ге, которые, как известно, сохраняют 7-область в системе Mn-Cu достаточно широкой. Исследование влияния легирования на мартенситное превращение и ЭПФ сплавов системы Mn-Cu, а так же на их механические и технологические свойства позволит создать базу для разработки промшпленных марганцевомедных сплавов ОПФ, сочетающих повышенную термочувствительность, высокую технологичность и необходимый комплекс служебных свойств. Цель работы - изучение влияния легирования переходными металлами сплавов Mn-Cu на кристаллическую структуру и характер мартенситного ГЦК+-+ГЦТ перехода; выявление взаимосвязи ОЭПФ и особенностей ГЦК-»ГЦТ превращения в легированных сплавах, подвергшихся распаду 7-твврдого_ раствора; разработка новых промышленных марганцевомедных сплавов с повышенными термочувствительными и технологическими характеристиками, предназначенных для работы в широком температурном диапазоне (2О200С). В задачу исследования входило: І. На основе термодинамических данных рассчитать границы области расслоения 7-твердого раствора в трехкомпонентных марганце- вомедных сплавах, легированных Сг, N1, Со, Fe. Изучить влияние добавок Сг, N1, Со, Ge и Fe на температуру превращения, характер термоупругого ГЦК-»ГЦТ превращения и на структуру ГЦТ-фазы марганцевомедных сплавов. Изучить влияние легирования на ОЭПФ с помощью измерения термочувствительных характеристик сплавов Mn-Cu: максимального коэффициента термочувствительности Umax и температурного интервала наибольшей термочувствительности (ТИНЧ). Во всех практических случаях ТИНЧ является рабочим интервалом. Исследовать влияние легирования на технологичность сплавов Mn-Cu при изготовлении листа, ленты и проволоки. Оптимизировать составы марганцевомедных сплавов и режимы их термообработки для получения набора сплавов с ТИНЧ в заданном температурном диапазоне. Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование структурных особенностей мартенситного ГЦК+ЩГ превращения, термочувствительных и силовых характеристик обратимого формоизменения в легированных 3- и 4--компонетных сплавах ОПФ на основе системы Mn-Cu. Выявлено влияние легирования Сг, Ni, Со, Ge и Fe на характер изменения параметров ГЫТ решетки при ГЦК-»ГПТ превращении: легирование марганцевомедных сплавов третьим компонентом может изменять характер ГЦК+ГЦТ превращения, усиливая признаки фазового перехода I рода (Сг, Со и Ge) или признаки фазового перехода II рода (N1 и Fe). Выявлено, что для повышения.термочувствительности сплавов Mn-Cu более важно усиление признаков перехода I рода, чем величина степени тетрагональности. Практическая ценность работы. Создана научная основа для разработки марганцевомедных сплавов ОПФ повышенной термочувствительности и технологичности. Разработан способ варьирования положения ТИНЧ на температурной шкале в широком диапазоне температур (20+200С). На основании проведенных исследований разработан сплав 80Г15Д2НЗХ, обладающий оптимальным комплексом свойств. Его состав защищен патентом. Основные положения, выносимые на защиту. Согласно компьютерному расчету, при 450С добавки N1, Со и Fe менее 2,Бат.Ж, а Сг - менее бат.Ж, стимулируют расслоение сплавов Mn-Cu. Выявлено изменение характера ГЦК-»ГЦТ превращения в мета-стабильных сплавах Mh-Cu под действием добавок третьих компонен- тов: N1 и Fe усиливают признаки фазового перехода I рода; а Со, Ge и, особенно, Сг - признаки фазового перехода I рода. Усиление признаков перехода I рода в ГЦК«-»ГЦТ превращении для роста термочувствительности легированных сплавов Mn-Cu имеет преобладающее значение по сравнению с величиной степени тетраго-нальности мартенситной фазы. В гомогенных сплавах Mn-Cu Сг, Со и Ge повышают 1^, а влияние никеля зависит от соотношения компонентов сплава. В сплавах Mn-Cu, достигших при старении метастабильного состояния, температура М^ при легировании Сг, Ge, Со и N1 понижается. Степень тетрагональности (1-с/а) кристаллической решетки марганцевомедных сплавов, зафиксированной при комнатной температуре после старения при 45CfC в течение І+І6 час, повышается при легировании Сг и понижается при легировании Ni, Со, Ge и Fe. Добавки хрома стимулируют выделение охрупчивающих а и С фаз из 7-матрицы, значительно ухудшая технологичность сплавов Mn-Cu при ковке, горячем прессовании, горячей и холодной прокатке, волочении и изготовлении из них термочувствительных элементов. N1, Со и Ge подавляют выделение охрупчивающих фаз. Добавки кобальта повышают технологичность марганцевомедных сплавов в недостаточной степени, что особенно сильно проявляется при легировании кобальтом сплавов Mn-Cu-Cr. Наибольшее улучшение пластичности сплавов Mn-Cu наблюдается при легировании Ni и Ge. Наибольшая термочувствительность в сплавах Mn-Cu обеспечивается с помощью легирования хромом при понижении пластичности сплава. Этот недостаток устраняется при введении в тройной сплав Mn-Cu-ЗЖСг добавок никеля или германия. Преимуществами никеля являются его дешевизна относительно Ge и способность значительно снижать температуру начала ТИНЧ марганцевомедных сплавов при сохранении высокого уровня термочувствительности. Четырехкомпонентный сплав 80Г15Д2НЗХ состава 8С*Мп-15ЖСи-2%Nl-33SCr наиболее перспективен как сплав ОПФ массового назначения с ТИНЧ в диапазоне 2О200С. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всесоюзная конференция "Фазовые превращения-ЭСТ (г.Руза, 1990г.), Всесоюзная конференция по мартенситным превращениям в твердом теле (г.Косов, 1991г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе і патент. Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 189 страниц машинописного текста, 66 рисунков, 6 таблиц и библиографии из 157 наименований.
Похожие диссертации на Исследование влияния легирования на фазовые превращения, структуру и свойства сплавов обратимой памяти формы на основе системы Mn-Cu
