КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-79-00365
НазваниеИсследование влияния микроструктуры, формирующейся в результате изотермического старения и рекристаллизационного отжига, на мартенситные превращения и эффекты памяти формы заэквиатомного сплава Ti-Ni
РуководительПолякова Кристина Александровна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2019 - 06.2021 |
Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словасплавы с памятью формы, память формы, никелид титана, термомеханическая обработка, отжиг, старение, микроструктура, наноструктура, фазовые превращения, функциональные свойства, сверхупругость, механические свойства
Код ГРНТИ53.49.05 53.49.09
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Предложенный проект направлен на комплексное исследование влияние микроструктуры, формирующейся в результате изотермического старения и рекристаллизационного отжига, на мартенситные превращения и эффекты памяти формы стареющего сплава Ti–Ni.
Сплавы на основе никелида титана привлекают большой интерес с точки зрения их практического применения из-за превосходных функциональных и механических свойств. Структурные изменения и фазовые превращения являются ключевым фактором, влияющим на применение сплавов, поскольку они чувствительны ко всем видам термомеханической обработки, включая термомеханическую тренировку при наведении эффекта памяти формы (ЭПФ). Эти сплавы обладают уникальными характеристиками, которые недостижимы другими материалами: обратимая деформация, температурный интервал восстановления формы, остаточная деформация, обратимый эффект памяти формы.
Как показали результаты исследований совокупного влияния структурного и исходного фазового состояния термомеханических условий наведения ЭПФ в сплавах, подвергнутых низкотемпературной термомеханической обработке, знание этих закономерностей помогает достичь рекордных значений обратимой деформации в никелиде титана. При этом информация о влиянии величины структурных элементов, а именно закономерности эволюции величины субзерна и зерна, а также размеров фазы Ti3Ni4 в условиях изотермического отжига и их влияние на температуры фазовых превращений и параметры ЭПФ и обратимого (ЭПФ) в опубликованной литературе отсутствует. Также не имеются данные, как будут меняться механические и функциональные свойства сплава в структуре с одним размером зерна, полученным при различных температурах и времени выдержки. Выявление этих закономерностей представляется своевременным и целесообразным. Комплексное исследование структуры, фазовых превращений, механических и функциональных свойств позволит определить оптимальные режимы термомеханической обработки сплава Ti-Ni.
В рамках реализации этого проекта будет проведено комплексное исследование структурообразования стареющего сплава никелида титана в результате изотермического старения и неизотермического рекристаллизационного отжига. Исследование фазовых превращений методом дифференциальной сканирующей калориметрии позволит определить температуры наведения эффектов памяти формы для дальнейших испытаний на изгиб и растяжение. В результате механических и термомеханических испытаний будет определен критический размер структурных элементов при котором наблюдается максимальный комплекс функциональных свойств и будут разработаны рекомендации, позволяющие выбирать режимы термомеханической обработки.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты:
1. Закономерности эволюции структуры, формирующейся в результате изотермического старения и рекристаллизационного отжига.
2. Закономерности формирования микроструктуры, образующейся при старении в зерне одинакового размера, полученного разным способом.
3. Закономерности эволюции кинетики фазовых превращений и их взаимосвязь со структурообразованием.
4. Закономерности изменения механических и функциональных характеристик в широком интервале размера структурных элементов.
5. Оптимальные режимы термомеханической обработки для получения сплава Ti-Ni с высоким комплексом функциональных свойств.
6. Рекомендации для прогнозирования и прецизионного регулирования функциональных свойств при разработке изделий медицинского и общетехнического назначения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Изготовлены образцы из никелида титана заэквиатомного состава и проведена термообработка для получения смешанной структуры (состоящей из наноразмерных зерен и субзерен полигонизованной субструктуры) и рекристаллизованной структуры. Исследована эволюция структуры в процессе изотермического старения и неизотермического рекристаллизационного отжига методом СЭМ и ПЭМ. Размер структурных элементов увеличивается с увеличением времени отжига от 1 до 50 ч при температуре 430 °С, а размер рекристаллизованного зерна от 1 до 10 мкм с увеличением температуры отжига от 600 до 800 °С. Проведена термическая обработка с варьированием температуры и времени отжига и определены режимы с одним средним размером зерна B2-аустенита. По результатам калориметрических исследований кинетики мартенситных превращений в широком интервале структурных состояний определены характеристические температуры мартенситных превращений, а также температуры наведения эффектов памяти формы для дальнейших испытаний на изгиб и растяжение.
Публикации
1. К.А. Полякова, Е.П. Рыклина, С.Д. Прокошкин Effect of Grain Size and Ageing-Induced Microstructure on Functional Characteristics of a Ti-50.7 at.% Ni Alloy Shape Memory and Superelasticity, Volume 6, Issue 1, 1 March 2020, Pages 139-147 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s40830-020-00269-z
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020-2021 году достигнуты следующие конкретные научные результаты.
1. Изготовлены образцы и проведена термообработка в виде дополнительного старения по режимам выбранным на этапе 1.
2. Проведены калориметрические исследования сплава по режимам с одним средним размером зерна и старения при температуре 430 °С, 10 ч. Показано, что после рекристаллизационного отжига 700 °С, 5 ч и 900 °С, 30 мин наблюдается одностадийное мартенситное превращение B2→B19' при охлаждение, а при нагреве B19'→ B2. Дополнительное старение при 430 °С, 10 ч изменяет стадийность мартенситных превращений. После отжига 700 °С, 5 ч и старения 430 °С, 10 ч наблюдается двухстадийное мартенситное превращение B2→R и R→B19' при охлаждении, а после отжига 900 ºС, 30 мин + 430 ºС, 10 ч наблюдается трехстадийное мартенситное превращение B2→R и R→B19' и B2→B19' при охлаждении.
3. Проведена сканирующая электронная микроскопия, которая показала, что В результате рекристаллизационного отжига и дополнительного старения в сплаве Ti–50,7 ат.% Ni с одним средним размером зерна наблюдается различное распределение частиц фазы Ti3Ni4 в пределах зерна В2-аустенита. После отжига 700 °С, 5 ч и старения при температуре 430 °С, 10 ч характер распределения частиц фазы носит гетерогенный, частицы размером около 100 нм распределены равномерно по всему сечению зерна. После отжига 900 ºС, 30 мин частицы фазы Ti3Ni4 расположены по границам и имеют протяженность до 1,5 мкм. В теле зерна явно различимы частицы фазы Ti3Ni4 размер которых достигает 500 – 700 нм.
4. Проведены испытания на растяжение при комнатной температуре. Показано, что при выборе режима термической обработки для получения требуемого уровня механических и функциональных свойств СПФ Ti-50,7 ат.%Ni следует учитывать два конкурирующих фактора, влияющих на фазовый и дислокационный пределы текучести. Дислокационный предел текучести определяется в основном размером зерна и подчиняется закону Холла–Петча, а фазовый предел текучести – положением температуры деформации, наводящей ЭПФ, относительно температуры начала прямого мартенситного превращения. Последний уменьшается в приближением к температуре Mн со стороны как высоких, так и низких температур.
5. Проведены функциональные испытания на изгиб. При наведении эффектов памяти формы при температуре 0 °С и 25 °С наблюдается снижение обратимой деформации после отжига при 900 °С, 30 мин и старения 430 °С, 10 ч по сравнению со структурой 700 °С, 5 ч и старения 430 °С, 10 ч. Полученные данные являются закономерными и логичными, они хорошо коррелируют с испытаниями на растяжение при комнатной температуре, где разность между дислокационным и фазовым пределом текучести выше в рекристаллизованной структуре полученной в результате отжига при температуре 700 °С, 5 ч. Как можно видеть в структуре 900 °С, 30 мин + 430 °С, 10 ч частицы фазы большую часть находятся в приграничной зоне и соответственно, они являются преградами для прохождения мартенситного превращения в полном объеме.
Публикации
1. Полякова К.А., Комаров В.С. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВРЕМЕНИ ОТЖИГА НА ТЕМПЕРАТУРЫ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Ti–50.7 АТ.% Ni С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ Известия вузов. Цветная металлургия, - (год публикации - 2021)
2. Рыклина Е.П., Полякова К.А., Прокошкин С.Д. Role of nickel content in one-way and two-way shape recovery in binary ti-ni alloys Metals, Volume 11, Issue 1, January 2021, Номер статьи 119, Pages 1-11 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/met11010119
Возможность практического использования результатов
не указано