ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СПЛАВАХ НИКЕЛИДА ТИТАНА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

2015
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№3(86) Ч.2
УДК 669.018.2
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СПЛАВАХ НИКЕЛИДА ТИТАНА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
М.А.Хусаинов, О.А.Малухина, В.А.Андреев
PHASE TRANSITIONS IN TITANIUM-NICKELIDE SHAPE MEMORY ALLOYS
M.A.Khusainov, O.A.Malukhina, V.A.Andreev
Политехнический институт НовГУ, Mikhail.Khusainov@novsu.ru
Проведен анализ физических и механических свойств сплавов TiNi с памятью формы по результатам
экспериментальных исследований гистерезисов мартенситных превращений. Установлено, что сплав Ti-50,0ат.%Ni
является наиболее предпочтительным для изготовления сферических сегментов с температурой взрывного восстановления
формы T = 80-100°С.
Ключевые слова: гистерезис, мартенситные превращения, память формы, аустенит
The authors carried out the analysis of physical and mechanical propeties of TiNI shape memory allows based on some
experimental investigations of hysteresises of martensitic transformations. It is established that equiatomic TiNi alloy is more appropriate
for designing spherical segments with the temperature of explosive shape recovery T = 80-100С.
Keywords: hysteresis, martensitic transformations, shape memory, austenite
Известно, что сплавы, обладающие свойствами памяти формы, могут использоваться в качестве активных элементов при создании различного
рода устройств и механизмов, функционирующих в
температурно-силовых и деформационных режимах 1.
Данная работа посвящена исследованию функциональных свойств сферического сегмента из сплавов никелида титана.
Для изготовления сферических сегментов использовались сплавы никелида титана трех составов:
эквиатомного Ti-50,0 ат.%Ni, обогащенного никелем
Ti-(50,35-50,4) ат.%Ni и Ti-49,5 ат.%Ni с избытком
титана, резко отличающегося по структуре и механическому поведению.
На рис.1 приводится термомеханический
гистерезис сплава Ti-50 ат.%Ni, свидетельствующий о обратимости мартенситного превращения
(МП).
Кривые дифференциальной сканирующей
калориметрии, показанные на рисунке 2, свидетельствуют о снижении температур мартенситных
превращений в среднем на 24°С от данных термомеханического гистерезиса. Такое различие с рисунком 1 связывается с зарождением и ростом мартенситных кристаллов при увеличении нагрузки
2.
Рис.2. DSC кривые сплава TiNi эквиатомного состава после
отжига 500°С 30 мин
Видно, что при охлаждении образца деформация эффекта памяти формы, инициируемая пластичностью прямого мартенситного превращения,
начинает возрастать при температуре Мs и завер-
Рис.1. Термомеханический гистерезис и температуры МП сплава Ti-50 ат.% Ni при  = 120 МПа после отжига 500°С 30 мин
81
2015
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№3(86) Ч.2
шается процесс при температуре Мf . Обратное превращение, развивающееся на этапе нагрева от Мf
до А f , приводит к восстановлению деформации.
Итак, при охлаждении последовательность мартенситного превращения В2→В19, а при нагреве
— В19→ В2. Неупругое поведение сплава Ti-50,0
ат.%Ni при мартенситном превращении В2В19
характеризуется большой обратимой деформацией
(6-8%) 3.
В сплавах TiNi с избыточной концентрацией
никеля, по отношению к титану после отжига
500°С 30 мин происходит гомогенный распад с
выделением когерентных частиц Ti 3 Ni 4 4. Выделения Ti 3 Ni 4 имеют линзовидную форму. Их длина, по данным, около 50 нм. Показано, что растущие выделения Ti 3 Ni4 по мере увеличения в размерах до 150-300 нм теряют когерентность. Это обстоятельство способствует гетерогенному зарождению ромбоэдрической R-фазы мартенсита в
процессе прямого мартенситного превращения
(рис.3).
Рис.4. Дифрактограмма сплава Ti-50,4ат.%Ni после отжига
при 500°С 30 мин
Появление R-фазы фиксировалось по уширению и расщеплению дифракционных отражений
(110) В2-аустенита, в углах дифракции 2 = 49-50
градусов. Расщепление линии (110) В2-фазы свидетельствует о некотором количестве R-мартенсита в
данном сплаве. Следовательно, реализуется мартенситный переход В2→R, в котором наблюдается полное восстановление формы. B2→R превращение под
напряжением сопровождается макроскопической
деформацией и явлением памяти формы. Второй
переход R→B19 завершает мартенситное превращение. Таким образом, при наличии R-фазы мартенсита прямое МП происходит в две стадии: B2→R и
R→19.
Опыты по реализации эффекта памяти формы
показали высокую обратимость деформации в сплавах TiNi c R-фазой.
Гистерезис МП сплава TiNi c избытком титана Ti-49,5 ат.%Ni отличается смещением петли к
более высоким температурам мартенситных превращений (рис.5) и выделением мелкодисперсных
частиц Ti2Ni, близких к сферической форме с кубической гранецентрированной решеткой 7, имеющей ориентационную взаимосвязь с В2-фазой, когерентно связанную в поле действия деформации.
Данное обстоятельство способствует упрочнению
сплава.
Рис.3. Термомеханический гистерезис мартенситного превращения сплава TiNi, обогащенного никелем, после отжига
500°С 30 мин
Из рис.3 следует, что прямое мартенситное
превращение в данном сплаве проходит в две стадии В2→R и R→B19’. Промежуточная R-фаза мартенсита зарождается при температуре, близкой к
300°С. Нами показано [5], что изотермический отжиг при температуре 500°С приводит к образованию
R-мартенсита и одновременному выделению частиц,
богатых никелем, в виде Ti3Ni4. По данным работы
[6], зародыши R-мартенсита и частицы Ti3Ni4 возникают и растут согласовано. Доказательством наличия R-фазы в сегментах из сплава Ti-50,4ат.%Ni после отжига 500°С является дифрактограмма (рис.4),
снятая на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.0 в
СоК излучении.
82
2015
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№3(86) Ч.2
томного состава является наиболее предпочтительным для изготовления сферических сегментов с температурой взрывного восстановления формы 80100°С. Сплав, обогащенный никелем, мало уступает
эквиатомному составу TiNi, но имеет преимущества
в расширении диапазона для температуры взрывного скачка путем изменения содержания никеля в
сплаве TiNi. Уровень силовых характеристик сферических сегментов из этих сплавов высокий и мало
различается при составе Ti-(50,3—50,4) ат.%Ni от
сплава TiNi эквиатомного состава. Сплав TiNi с избытком титана отличается от рассмотренных низким
показателем эффекта памяти формы и других механических свойств.
1.
Рис.5. Термомеханический гистерезис МП сплава Ti-49,5ат.%Ni
после отжига при 500°С 30 мин
2.
Идентифицировать фазу Ti 2 Ni достаточно
сложно, поскольку кислородсодержащее соединение Ti4 Ni 2 O имеет одинаковый тип кристаллической структуры и близкий параметр 7. Следует
учесть, что образование Ti 4 Ni2 O возможно даже
при незначительном содержании кислорода. Следовательно, загрязнение сплавов TiNi кислородом
неизбежно вызывает выделения частиц Ti 2 Ni, не
испытывающих МП, ухудшает свойства памяти
формы.
Механические свойства сплавов никелида титана после отжига 500°С 30 мин определялись на разрывной машине P-0,5. Основные характеристики механических свойств — фазовый предел текучести
(ф) и предел прочности (в), а также температуры
начала и окончания обратного мартенситного превращения (Аs, Af) — приведены в таблице.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Механические свойства сплавов никелида титана
(отжиг 500С, 30 мин)
Лихачев В.А. и др. Материалы с эффектом памяти формы: Справочное издание. СПб, 1998. 267 с.
Блантер Н.Е. Фазовые превращения при термической
обработке стали. М.: Металлургиздат, 1962. С.115117.
Хачин В.Н. Мартенситная неупругость сплавов // Известия вузов. Физика. 1985. №5. С.70-71.
Michuta J., Somsen Ch., Yamny A. et al. Elementary martensitic transformation processes in Ni-rich NiTi single crystals
with Ni4Ti3 presipitates // Acta materialia. 2006. V.54.
P.3525-3542.
Хусаинов М.А., Малухина О.А., Андреев В.А. Влияние
импульсного нагрева на структуру и функциональные
свойства никелида титана с эффектом памяти формы //
Металловедение и термическая обработка металлов.
2015. №2(716). С.22-27.
Лотков А.И., Гришков В.И. Никелид титана, кристаллическая структура и фазовые превращения // Известия вузов. Физика. Т.5. 1985. С.83-85.
Журавлев В.Н., Пущин В.Г. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. Екатеринбург, 2000. С.12-15.
Хачин В.Н., Пущин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид
титана: структура и свойства. М.: Наука, 1992. С.1820.
Зельдевич В.И., Хомская И.В., Фролова И.Ю., Сбитнева
Г.А. О зарождении R-мартенсита в никелиде титана //
Физика металлов и металловедение. 2001. Т.92. №5.
С.71-76.
References
Состав сплава
ф,
в,
МПа МПа
,%
Т-ры
МП,С
Аs
Af
1.
эпф,
%
2.
Ti-50,0ат.%Ni
180
1200
50
80
99
5,5
Ti-50,4ат.%Ni
100
1100
60
39
46
5,6
Ti-49,5ат.%Ni
100
720
42
98
112
1,25
3.
4.
Выводы
Анализ физических и механических свойств
сплавов никелида титана позволяет выбрать сорт
сплава для конструктивных элементов исходя из
указанных свойств. В частности, сплав TiNi эквиа-
5.
83
Likhachev V.A. i dr. Materialy s effektom pamiati formy.
Spravochnoe izdanie [Shape memory materials. Reference
work]. St. Petersburg, 1998. 267 p.
Blanter N.E. Fazovye prevrashcheniia pri termicheskoi
obrabotke stali [Phase transformations in thermal treatment of steel]. Moscow, “Metallurgizdat”, 1962, pp. 115117.
Khachin V.N. Martensitnaia neuprugost' splavov [Martensitic inelasticity of alloys]. Izvestiia vysshikh uchebnykh
zavedenii. Fizika – Russian Physics Journal, 1985, no. 5,
pp. 70-71.
Michuta J., Somsen Ch., Yamny A., Dlouhg A., Eggler G.
Elementary martensitic transformation processes in Ni-rich
NiTi single crystals with Ni4Ti3 presipitates. Acta materialia,
2006, vol. 54, iss. 13, pp. 3525-3542.
Khusainov M.A., Malukhina O.A., Andreev V.A. Vliianie
impul'snogo nagreva na strukturu i funktsional'nye svoistva
nikelida titana s effektom pamiati formy [Effect of pulsed
heating on the structure and functional properties of shape-
2015
6.
7.
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
memory titanium nickelide]. Metallovedenie i termicheskaia
obrabotka metallov – Metal Science and Heat Treatment,
2015, no. 2(716), pp. 22-27.
Lotkov A.I., Grishkov V.I. Nikelid titana, kristallicheskaia
struktura i fazovye prevrashcheniia [Titanium nickelode,
crystalline structure, and phase transitions]. Izvestiia
vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika – Russian Physics
Journal, 1985, vol. 5, pp. 83-85.
Zhuravlev V.N., Pushchin V.G. Splavy s termomekhanicheskoi pamiat'iu i ikh primenenie v meditsine [Thermal
8.
9.
84
№3(86) Ч.2
shape memory alloys and their application]. Ekaterinburg,
2000, pp. 12-15.
Khachin V.N., Pushchin V.G., Kondrat'ev V.V. Nikelid titana: struktura i svoistva [Tutanium nickelide: structure and
properties]. Moscow, “Nauka” Publ., 1992, pp. 18-20.
Zel'dovich V.I., Khomskaia I.V., Frolova I.Iu., Sbitneva G.A.
O zarozhdenii R-martensita v nikelide titana [Nucleation of
the R martensite in titanium nickelide]. Fizika metallov i
metallovedenie – The Physics of Metals and Metallography,
2001, vol. 92, no. 5, pp. 490-495.