Введение к работе
Актуальность проблемы
Характерной особенностью развития современного металловедения является разработка и изучение новых экономически выгодных материалов и сплавов. Среди известных функциональных материалов перспективны недорогие сплавы на основе системы Fe-Mn. Благодаря исследованиям Богачева И. Н., Еголаева В. Ф., Соколова О. Г., Лысака Л. И, Гуляева A. A., Sawaguchi Т., Jee К. К., Baik S.-H., Вольтовой Т. Ф., Медова И. Б. известно, что физической основой функциональных свойств сплавов (демпфирующей способности, сверхупругости, памяти формы и др.) является мартенситное обратимое у*->е превращение. Несмотря на длительную историю изучения этого превращения в Fe-Mn сплавах до сих пор вопрос о его природе остается дискуссионным - является ли оно термоупругим.
Легирование различными элементами, в частности, кремнием, влияет на характеристики превращения и приводит к улучшению свойств сплавов и расширению возможностей их применения. Эффективное использование Fe-Mn-Si сплавов в качестве новых перспективных материалов возможно только на основе детального изучения протекающих в них фазовых и структурных превращений и определения их физической природы. К современным методам исследования, позволяющим изучить кинетику структурных изменений непосредственно в процессе развития превращения, относится механическая спектроскопия. На основе выявления закономерностей проявления упругих и неупругих эффектов при мартенситных превращениях возможно, в частности, установление типа превращения.
Актуальными остаются вопросы влияния термической обработки на демпфирующую способность сплавов, однако работы, посвященные изучению зависимости характеристик формовосстановления от режимов термической обработки, в частности, от температуры нагрева под закалку, практически отсутствуют.
Известные и описанные в литературе исследования эффекта памяти формы (ЭПФ) в сплавах на основе Fe-Mn-Si проводились при деформации изгибом. В то же время известно, что схема напряженного состояния существенно влияет на характеристики формовосстановления. Целесообразно и актуально изучить влияние внешних факторов на характеристики формовосстановления при деформации кручением. Мало изучено влияние предварительной деформации на восстановление формы в тройных сплавах Fe-Mn-Si.
Изучение особенностей структурообразования и формирования свойств сплавов Fe-Mn-Si представляется актуальной научной задачей, имеющей практическое значение. Комплекс свойств, реализуемых в сплавах Fe-Mn-Si, делает их весьма перспективными материалами для изделий новой техники в качестве рабочих элементов термочувствительных, сигнальных и исполнительных устройств и механизмов.
Диссертационная работа выполнена в Тульском государственном университете на кафедре ФММ, в соответствии с госбюджетным тематическим планом НИР (темы 28-06, 13-11), координируемым Министерством образования РФ и в рамках гранта РФФИ офи_08-08-99048, гранта губернатора Тульской области 2011 г. и в лаборатории
исследования неупругих свойств Института физики твердого тела Технического Университета Брауншвайга, Германия1.
Цель работы - установление закономерностей структурообразования сплавов системы Fe(95-x)-Mn(X)-Si5 (х=23...30), фазовых переходов в них и разработка на этой основе оптимальных температурно-силовых режимов воздействия, обеспечивающих развитие эффекта памяти формы на заданном уровне.
В рамках поставленной цели необходимо решение следующих задач:
-
Установить тип и характеристики (температуры, величина термического гистерезиса и др.) мартенситных превращений в сплавах Fe-23Mn и Fe(95-x)-Mn(x)-Si5 с использованием комплекса методик металлофизических исследований и механической спектроскопии.
-
Выявить закономерности формирования структуры сплавов Fe^-xi-Mn^Sis (х=23,30) при закалке из однофазной у-области от температур 400... 1000 С.
-
Определить влияние режимов термической обработки на эффект памяти формы сплавов при кручении.
-
Установить влияние предварительно приложенной нагрузки на характеристики эффекта памяти формы.
Научная новизна
- впервые проведено систематическое изучение влияния предварительной
деформации и температуры закалки на параметры формовосстановления исследованных
сплавов, по результатам которого построены карты зависимости степени восстановления
формы (К) от температурно-силовых характеристик;
- на основе комплексного исследования факторов, влияющих на мартенситный
пик внутреннего трения в изученных сплавах, показана нетермоупругая природа у<-»є-
превращения;
получены новые экспериментальные данные, подтверждающие развитие процессов расслоения у-твердого раствора в области температур 500... 1000 С;
наведенное предварительной деформацией мартенситное превращение в аустенитном сплаве Fe-30Mn-5Si обеспечивает более высокие значения формовосстановления, чем в сплаве с мартенситной структурой Fe-23Mn-5Si.
На защиту выносятся:
-
Комплекс данных о влиянии внешних параметров (частоты колебаний, скорости изменения температуры, изотермической выдержки при температуре максимума внутреннего трения) на упругие и неупругие эффекты в области температур мартенситного превращения у*->е в исследованных сплавах.
-
Экспериментально полученные зависимости характеристик эффекта памяти формы от величины предварительной деформации и температуры закалки из однофазной у-области.
-
Обнаруженное экспериментально изменение структуры сплава Fe-23Mn-5Si в зависимости от температуры нагрева под закалку в однофазной у-области.
1 При поддержке д.ф-м.н., проф. Головина И. С. (ФГАОУ ВПО «НИТУ «МИСиС»).
5. Установленное влияние схемы деформирования на степень формовосстановления.
Практическая значимость работы
Разработана и апробирована установка для определения характеристик эффекта памяти формы при деформации кручением (Патент РФ № 92538. Опубл. Б.И. № 8, от 20.03.2010, МІЖ8 G01N3/38).
Определены параметры эффекта памяти формы сплавов (температуры начала
формовосстановления, степень формовосстановления, восстановленная,
невосстановленная и упругая деформации) в сплавах Fe-23Mn-5Si, Fe-30Mn-5Si.
На основе большого количества экспериментальных данных получены карты влияния температурно-силовых условий на степень восстановления формы, позволяющие выбрать режим термической обработки и величину предварительной деформации для получения формовосстановления на заданном уровне.
Результаты работы использованы в учебных курсах «Механическая спектроскопия», «Функциональные материалы», «Физика металлов» для студентов физических и материаловедческих специальностей ФГБОУ ВПО ТулГУ.
Апробация работы
Основные результаты доложены и обсуждены:
- на Международных и отечественных конференциях, в том числе:
Международная конференция молодых исследователей «Гагаринские чтения» 2006 -
2009 (Москва, Россия), XI международной конференции «Взаимодействие дефектов и
неупругих явлениях в твердых телах», 2007 (Тула, Россия), XVIII Петербургские чтения
по проблемам прочности и роста кристаллов, 2008 (Санісг-Петербург, Россия), V
международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», 2008
(Черноголовка, Россия), 3-ая Международная научно-практическая конференция
«Структурная релаксация в твердых телах», 2009 (Винница, Украина), Всероссийская
молодежная школа-конференция «Современные проблемы металловедения», 2009
(Пицунда, республика Абхазия), конференция «Молодежные инновации» ТулГУ, 2009
(Тула, Россия), Первые Московские чтения, по проблемам прочности материалов, 2009
(Москва, Россия), XI Международная научно-техническая Уральская школа-семинар
молодых ученых, 2010 (Екатеринбург, Россия), выставка научно-технического
творчества молодежи ТулГУ, 2011 (Тула, Россия).
- на научно-технических семинарах профессорско-преподавательского состава
кафедры ФММ Тульского государственного университета (2006 - 2011).
Достоверность результатов и их интерпретации подтверждаются комплексным использованием современных методов структурного и физико-механического анализа (металлографического, дюрометрического, рештеноструктурного и др.), статистической обработкой экспериментальных данных с помощью современных ППП; а также хорошей воспроизводимостью результатов исследований, системным подходом в выборе составов сплавов и режимов их обработки.
Публикации
По результатам выполненных по теме диссертации исследований имеется 14 публикаций, в том числе 3 - в рецензируемой отечественной печати. Список работ, приведенных в автореферате, отражает основные положения и содержание диссертационной работы.
5.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающего 164 наименование и приложение. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста и содержит 60 рисунков, 5 таблиц.
