Анализ изменения микроструктуры и температур мартенситных превращений в сплаве TINI с различной структурой
В представленной статье проведены исследования влияния многократных мартенситных превращений В2-В19’ на структуру и температуры превращений в различных структурных состояниях сплава TiNi. Показано, что в крупнозернистом, ультрамелкозернистом и нанокристаллическом сплаве TiNi происходят последовательные изменения в микроструктуре и температурах фазовых переходов, при увеличении числа термоциклов до n=100 с быстрым нагревом и быстрым охлаждением до –196 °C. Температуры превращений в ультрамелкозернистом состоянии Ti49.15Ni50.85 более устойчивы к термоциклированию (ТЦ), чем в крупнозернистом состоянии. Обнаружено образование нанодвойников мартенсита в наноструктурном состоянии после многократных термоциклов.
ВВЕДЕНИЕ Титан-никелевые сплавы (TiNi) являются функциональными материалами с эффектом памяти формы, вызванным мартенситными превращениями, которые происходят в диапазоне комнатных температур. Эти сплавы широко используются в медицине и инженерии. Известно, что мартенситные превращения в процессе нагрева и охлаждения приводят к образованию дислокаций в кристаллической решетке. Понимание влияния многократных циклов термоциклирования на структуру и свойства сплавов TiNi имеет большое значение. Фазовое упрочнение, связанное с накоплением дислокаций во время мартенситных превращений, является важным фактором в этих сплавах, но неоднозначно в случае обратимого движения границ мартенсита. Использование термоциклирования (ТЦ) для увеличения предела текучести не является способом для сплавов TiNi, тогда как применение механического и термоциклирования позволяет повысить эффект памяти формы для особых приложений. Формирование ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры (с размером зерна менее 1 мкм и менее 100 нм соответственно) методами интенсивной пластической деформации является эффективным способом повышения прочности и других физико-механических свойств сплавов TiNi. Ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы обладают повышенной площадью межзеренных границ, что приводит к повышению предела текучести и прочности. Значение предела текучести в сплавах TiNi определяет реактивное напряжение и ресурс сверхэластичности, которые являются важными характеристиками эффекта памяти формы. Влияние размера зерна аустенитной B2 фазы и, следовательно, границ зерен на процессы генерации дислокаций во время мартенситных превращений в ультрамелкозернистых и нанокристаллических сплавах TiNi до сих пор является предметом исследования. Повышенная плотность границ зерен может способствовать интенсификации дислокаций во время термоциклирования, так как вероятность генерации дислокаций на границе кристаллической решетки выше, чем в объеме кристаллической решетки. Таким образом, термоциклирование может более эффективно увеличивать предел текучести (σт) сплавов TiNi. Однако ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы характеризуются повышенным пределом текучести, что затрудняет генерацию дислокаций, вызванных внутренними напряжениями во время термоциклирования. Исследование влияния ультрамелкозернистой структуры сплавов TiNi на фазовое упрочнение требует дополнительных исследований. Существует значительное количество работ, посвященных влиянию термоциклирования на структуру и свойства крупнозернистых (КЗ) сплавов TiNi. Исследования влияния термоциклирования на ультрамелкозернистые и нанокристаллические сплавы были проведены в ограниченном объеме и в основном касались изменений температур мартенситных превращений и эффекта памяти формы во время термоциклирования. В то же время, эволюция механических свойств и структуры была практически не исследована. В отличие от других материалов с мартенситными превращениями, превращения в TiNi происходят при комнатных температурах, поэтому термоциклирование не вызывает значительной релаксации ультрамелкозернистых и нанокристаллических структур. Это делает сплавы TiNi уникальными объектами для изучения влияния границ зерен на генерацию дислокаций во время мартенситных превращений. Важно исследовать влияние ультрамелкозернистой структуры сплавов TiNi на их структуру и свойства во время термоциклирования, а также роль границ зерен в генерации дислокаций в аустенитной B2 фазе во время мартенситных превращений, и возможность использования термоциклирования для повышения механических и функциональных свойств ультрамелкозернистых и нанокристаллических сплавов TiNi. Одним из основных факторов, которые улучшают характеристики сплавов TiNi в процессе термоциклирования, является увеличение плотности дефектов, которые генерируют внутренние напряжения. Это изменение кинетики фазовых превращений и характеристических температур превращений в сплавах TiNi. Превращение TiNi из B2 в B19’ характеризуется несовместимостью деформаций решетки, что приводит к возникновению локальных напряжений на границе фаз. Релаксация напряжений ведет к накоплению пластической деформации и необратимым изменениям кинетики мартенситных превращений в каждом термоцикле. Результаты предыдущих исследований показывают, что с увеличением числа термоциклов диапазон температур мартенситных превращений смещается к более низким значениям. Это изменение температуры связано с микропластическими деформациями, вызванными формированием больших полей напряжений пластинами мартенсита в процессе термоциклирования. Измерения с использованием просвечивающей электронной микроскопии подтверждают увеличение плотности дислокаций в образцах TiNi после термоциклирования. В некоторых случаях термоциклирование через диапазон мартенситных превращений приводит к изменениям в стадийности превращений. Превращение B2→B19’ в сплаве Ti50.0Ni50.0 при охлаждении после нескольких термоциклов становится многоступенчатым, включающим промежуточную R фазу. Результаты просвечивающей электронной микроскопии подтверждают образование промежуточной R фазы при многократных мартенситных превращениях. Изменения в стадиях превращений сплава TiNi подтверждаются результатами дифференциальной сканирующей калориметрии, показывающими, что с увеличением числа циклов прямое превращение из B2 в B19’ происходит как напрямую в мартенсит B19’, так и через промежуточную R фазу. Однако изучение сплавов, подвергнутых предварительной деформации и содержащих большое количество Ni, показывает, что термоциклирование не влияет на кинетику превращений и накопление дефектов. В таких сплавах превращение R сопровождается малым искажением решетки, и образование мартенсита происходит упруго. Согласно исследованиям, термоциклирование также увеличивает предел прочности и коэффициент упрочнения сплавов TiNi. Температура начала мартенситного превращения смещается к более низким значениям с увеличением числа термоциклов, но в сплавах с высоким содержанием никеля значительных изменений температур не наблюдается. Характеристики фазового упрочнения изменяются монотонно с увеличением числа циклов и приближаются к насыщению на 20–30 циклах. В дальнейшем циклировании не только температура превращения, но и другие точки мартенсита остаются неизменными. Таким образом, с увеличением числа циклов наблюдается эффект стабилизации гистерезисной петли. В работе описано термоциклическая "тренировка" сплавов TiNi для улучшения эффекта памяти формы. Образование вариантов мартенсита происходит упруго в половине температурного диапазона полного превращения, а пластическая деформация происходит только в последней четверти этого диапазона. Наконец, анализ опубликованных результатов позволяет сделать вывод, что в процессе термоциклирования сплавов TiNi как в свободном состоянии, так и под нагрузкой, поля напряжений, созданные пластинами мартенсита, приводят к микропластической деформации, которая, в свою очередь, увеличивает плотность дислокаций. Локальные поля напряжений, образующиеся вокруг дефектов кристаллической структуры, влияют на характеристические температуры и кинетику мартенситных превращений, а также на деформационные эффекты и механические свойства сплавов TiNi. Накопление необратимой деформации происходит в процессе термоциклирования под нагрузкой. Однако остается нерешенным, как накапливается фазовое упрочнение или, другими словами, пластическая деформация. Этот вопрос значим для понимания процессов накопления деформации в различных сплавах, как во время прямых, так и обратных превращений. Например, авторы эксперимента, проведенного в работе, предлагают, что пластическая деформация накапливается во время обратного перехода, основываясь на исследовании сплава Ti50Ni42Cu8 при нагрузке 100 МПа. Лью и МакКормик утверждают, что накопление дефектов возможно как во время прямых, так и во время обратных мартенситных превращений, и это зависит от различных факторов, таких как термическая обработка, внешняя нагрузка и тип превращения. В отмечается, что процесс накопления пластической деформации может отличаться для разных сплавов, в зависимости от их предварительной термомеханической обработки и характера мартенситных превращений. Одновременно, согласно, накопление деформации происходит преимущественно во время прямого перехода. Процесс увеличения плотности дислокаций во время прямого перехода B2→B19’ в результате термоциклирования предложен авторами. При исследовании сплава Ti49.6Ni50.4 с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии in situ, проведенного в диапазоне температур мартенситного превращения, обнаружено, что при охлаждении аустенита происходит рост мартенситных пластин, а при последующем нагреве пластины исчезают, но петли дислокаций остаются. Этот механизм объясняет образование сложных петель дислокаций и дислокационных сеток. С увеличением числа циклов плотность дислокаций растет, делая движение мартенситных пластин более сложным и требующим больших напряжений. Это приводит к снижению температуры начала прямого мартенситного превращения. Таким образом, можно сделать вывод, что рост мартенситных пластин и высокие локальные внутренние напряжения являются причинами увеличения плотности дислокаций во время прямого мартенситного превращения при термоциклировании. Это, в свою очередь, оказывает влияние на механические и термодинамические характеристики сплавов. Однако большинство исследований проводились на крупнозернистых сплавах TiNi. Ответ на вопрос о том, как измельчение структуры до ультрамелкозернистых и нанокристаллических состояний влияет на процесс термоциклирования, требует дальнейших исследований, чему и посвящена данная работа.
Техносфера
Анализ изменения микроструктуры и температур мартенситных превращений в сплаве TINI с различной структурой
В представленной статье проведены исследования влияния многократных мартенситных превращений В2-В19’ на структуру и температуры превращений в различных структурных состояниях сплава TiNi. Показано, что в крупнозернистом, ультрамелкозернистом и нанокристаллическом сплаве TiNi происходят последовательные изменения в микроструктуре и температурах фазовых переходов, при увеличении числа термоциклов до n=100 с быстрым нагревом и быстрым охлаждением до –196 °C. Температуры превращений в ультрамелкозернистом состоянии Ti49.15Ni50.85 более устойчивы к термоциклированию (ТЦ), чем в крупнозернистом состоянии. Обнаружено образование нанодвойников мартенсита в наноструктурном состоянии после многократных термоциклов.
ВВЕДЕНИЕ
Титан-никелевые сплавы (TiNi) являются функциональными материалами с эффектом памяти формы, вызванным мартенситными превращениями, которые происходят в диапазоне комнатных температур. Эти сплавы широко используются в медицине и инженерии. Известно, что мартенситные превращения в процессе нагрева и охлаждения приводят к образованию дислокаций в кристаллической решетке. Понимание влияния многократных циклов термоциклирования на структуру и свойства сплавов TiNi имеет большое значение. Фазовое упрочнение, связанное с накоплением дислокаций во время мартенситных превращений, является важным фактором в этих сплавах, но неоднозначно в случае обратимого движения границ мартенсита. Использование термоциклирования (ТЦ) для увеличения предела текучести не является способом для сплавов TiNi, тогда как применение механического и термоциклирования позволяет повысить эффект памяти формы для особых приложений. Формирование ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры (с размером зерна менее 1 мкм и менее 100 нм соответственно) методами интенсивной пластической деформации является эффективным способом повышения прочности и других физико-механических свойств сплавов TiNi. Ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы обладают повышенной площадью межзеренных границ, что приводит к повышению предела текучести и прочности. Значение предела текучести в сплавах TiNi определяет реактивное напряжение и ресурс сверхэластичности, которые являются важными характеристиками эффекта памяти формы. Влияние размера зерна аустенитной B2 фазы и, следовательно, границ зерен на процессы генерации дислокаций во время мартенситных превращений в ультрамелкозернистых и нанокристаллических сплавах TiNi до сих пор является предметом исследования. Повышенная плотность границ зерен может способствовать интенсификации дислокаций во время термоциклирования, так как вероятность генерации дислокаций на границе кристаллической решетки выше, чем в объеме кристаллической решетки. Таким образом, термоциклирование может более эффективно увеличивать предел текучести (σт) сплавов TiNi. Однако ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы характеризуются повышенным пределом текучести, что затрудняет генерацию дислокаций, вызванных внутренними напряжениями во время термоциклирования. Исследование влияния ультрамелкозернистой структуры сплавов TiNi на фазовое упрочнение требует дополнительных исследований. Существует значительное количество работ, посвященных влиянию термоциклирования на структуру и свойства крупнозернистых (КЗ) сплавов TiNi. Исследования влияния термоциклирования на ультрамелкозернистые и нанокристаллические сплавы были проведены в ограниченном объеме и в основном касались изменений температур мартенситных превращений и эффекта памяти формы во время термоциклирования. В то же время, эволюция механических свойств и структуры была практически не исследована. В отличие от других материалов с мартенситными превращениями, превращения в TiNi происходят при комнатных температурах, поэтому термоциклирование не вызывает значительной релаксации ультрамелкозернистых и нанокристаллических структур. Это делает сплавы TiNi уникальными объектами для изучения влияния границ зерен на генерацию дислокаций во время мартенситных превращений. Важно исследовать влияние ультрамелкозернистой структуры сплавов TiNi на их структуру и свойства во время термоциклирования, а также роль границ зерен в генерации дислокаций в аустенитной B2 фазе во время мартенситных превращений, и возможность использования термоциклирования для повышения механических и функциональных свойств ультрамелкозернистых и нанокристаллических сплавов TiNi.
Одним из основных факторов, которые улучшают характеристики сплавов TiNi в процессе термоциклирования, является увеличение плотности дефектов, которые генерируют внутренние напряжения. Это изменение кинетики фазовых превращений и характеристических температур превращений в сплавах TiNi. Превращение TiNi из B2 в B19’ характеризуется несовместимостью деформаций решетки, что приводит к возникновению локальных напряжений на границе фаз. Релаксация напряжений ведет к накоплению пластической деформации и необратимым изменениям кинетики мартенситных превращений в каждом термоцикле. Результаты предыдущих исследований показывают, что с увеличением числа термоциклов диапазон температур мартенситных превращений смещается к более низким значениям. Это изменение температуры связано с микропластическими деформациями, вызванными формированием больших полей напряжений пластинами мартенсита в процессе термоциклирования. Измерения с использованием просвечивающей электронной микроскопии подтверждают увеличение плотности дислокаций в образцах TiNi после термоциклирования. В некоторых случаях термоциклирование через диапазон мартенситных превращений приводит к изменениям в стадийности превращений. Превращение B2→B19’ в сплаве Ti50.0Ni50.0 при охлаждении после нескольких термоциклов становится многоступенчатым, включающим промежуточную R фазу. Результаты просвечивающей электронной микроскопии подтверждают образование промежуточной R фазы при многократных мартенситных превращениях. Изменения в стадиях превращений сплава TiNi подтверждаются результатами дифференциальной сканирующей калориметрии, показывающими, что с увеличением числа циклов прямое превращение из B2 в B19’ происходит как напрямую в мартенсит B19’, так и через промежуточную R фазу. Однако изучение сплавов, подвергнутых предварительной деформации и содержащих большое количество Ni, показывает, что термоциклирование не влияет на кинетику превращений и накопление дефектов. В таких сплавах превращение R сопровождается малым искажением решетки, и образование мартенсита происходит упруго. Согласно исследованиям, термоциклирование также увеличивает предел прочности и коэффициент упрочнения сплавов TiNi. Температура начала мартенситного превращения смещается к более низким значениям с увеличением числа термоциклов, но в сплавах с высоким содержанием никеля значительных изменений температур не наблюдается. Характеристики фазового упрочнения изменяются монотонно с увеличением числа циклов и приближаются к насыщению на 20–30 циклах. В дальнейшем циклировании не только температура превращения, но и другие точки мартенсита остаются неизменными. Таким образом, с увеличением числа циклов наблюдается эффект стабилизации гистерезисной петли. В работе описано термоциклическая "тренировка" сплавов TiNi для улучшения эффекта памяти формы. Образование вариантов мартенсита происходит упруго в половине температурного диапазона полного превращения, а пластическая деформация происходит только в последней четверти этого диапазона. Наконец, анализ опубликованных результатов позволяет сделать вывод, что в процессе термоциклирования сплавов TiNi как в свободном состоянии, так и под нагрузкой, поля напряжений, созданные пластинами мартенсита, приводят к микропластической деформации, которая, в свою очередь, увеличивает плотность дислокаций. Локальные поля напряжений, образующиеся вокруг дефектов кристаллической структуры, влияют на характеристические температуры и кинетику мартенситных превращений, а также на деформационные эффекты и механические свойства сплавов TiNi. Накопление необратимой деформации происходит в процессе термоциклирования под нагрузкой. Однако остается нерешенным, как накапливается фазовое упрочнение или, другими словами, пластическая деформация. Этот вопрос значим для понимания процессов накопления деформации в различных сплавах, как во время прямых, так и обратных превращений. Например, авторы эксперимента, проведенного в работе, предлагают, что пластическая деформация накапливается во время обратного перехода, основываясь на исследовании сплава Ti50Ni42Cu8 при нагрузке 100 МПа. Лью и МакКормик утверждают, что накопление дефектов возможно как во время прямых, так и во время обратных мартенситных превращений, и это зависит от различных факторов, таких как термическая обработка, внешняя нагрузка и тип превращения. В отмечается, что процесс накопления пластической деформации может отличаться для разных сплавов, в зависимости от их предварительной термомеханической обработки и характера мартенситных превращений. Одновременно, согласно, накопление деформации происходит преимущественно во время прямого перехода. Процесс увеличения плотности дислокаций во время прямого перехода B2→B19’ в результате термоциклирования предложен авторами. При исследовании сплава Ti49.6Ni50.4 с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии in situ, проведенного в диапазоне температур мартенситного превращения, обнаружено, что при охлаждении аустенита происходит рост мартенситных пластин, а при последующем нагреве пластины исчезают, но петли дислокаций остаются. Этот механизм объясняет образование сложных петель дислокаций и дислокационных сеток. С увеличением числа циклов плотность дислокаций растет, делая движение мартенситных пластин более сложным и требующим больших напряжений. Это приводит к снижению температуры начала прямого мартенситного превращения. Таким образом, можно сделать вывод, что рост мартенситных пластин и высокие локальные внутренние напряжения являются причинами увеличения плотности дислокаций во время прямого мартенситного превращения при термоциклировании. Это, в свою очередь, оказывает влияние на механические и термодинамические характеристики сплавов. Однако большинство исследований проводились на крупнозернистых сплавах TiNi. Ответ на вопрос о том, как измельчение структуры до ультрамелкозернистых и нанокристаллических состояний влияет на процесс термоциклирования, требует дальнейших исследований, чему и посвящена данная работа.
Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи.