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 22-79-00304
НазваниеИсследование деформационного поведения, структурообразования и свойств никелида титана, подвергнутого мегапластической деформации кручением
РуководительКомаров Виктор Сергеевич, 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 | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 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, интенсивная пластическая деформация, отжиг, микроструктура, наноструктура, фазовые превращения, функциональные свойства, механические свойства
Код ГРНТИ53.49.05
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Сплавы с памятью формы (СПФ) на основе Ti-Ni находят всё большее применение. Усложнение конструкций и интеллектуальных устройств, действующих на основе эффекта памяти формы, влечет за собой повышение требований к комплексу свойств СПФ Ti-Ni. Эффективным способом управления структурой и, как следствие, комплексом функциональных свойств является термомеханическая обработка, включающая интенсивную пластическую (мегапластическую) деформацию (ИПД). Развитие методов ИПД идет по пути поиска схем, позволяющих получать объёмные образцы с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой и для СПФ Ti-Ni остаётся сложной научно-технической задачей.
Проект направлен на разработку научно-технологических основ получения нестареющего СПФ Ti - 50.0 ат.% Ni, и стареющего СПФ Ti - 50.8 ат.% Ni общетехнического и медицинского назначения обладающих повышенными функциональными свойствами, с помощью мегапластической деформации кручением (Severe torsion straining) объёмных образцов в температурном интервале, перспективном с точки зрения формирования ультрамелкозернистых структур. Данная схема деформации к сплавам с памятью формы будет применена впервые. В процессе выполнения работы будут установлены взаимосвязи между режимами мегапластической деформацией кручением, реологическими свойствами, структурообразованием и комплексом свойств СПФ Ti-Ni. Будут определены оптимальные и критические режимы деформации кручением для формирования в них ультрамелкозернистой или другой заданной структуры и реализации высокого комплекса функциональных свойств. Для оценки стабильности полученной структуры и свойств СПФ Ti-Ni и дополнительных возможностей управления ими будет использован последеформационный отжиг.
Мегапластическая деформация кручением будет проведена на комплексе физического моделирования термомеханических процессов MDS-830 BÄHR (многофункциональный вертикальный дилатометр). Далее для исследования структуры и свойств образцов будет использован широкий спектр современных методов: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия, дифференциальная сканирующая калориметрия, световая микроскопия; механические и специальные (функциональные) термомеханические испытания.
В результате всестороннего анализа полученных результатов будут разработаны рекомендации по выбору режимов мегапластической деформации кручением с целью получения СПФ Ti-Ni, с повышенными функциональными характеристиками, которые станут основой для создания нового поколения изделий, действующих на основе эффекта памяти формы, с высокой степенью надежности и недостижимыми ранее характеристиками. Полученные экспериментальные зависимости деформационного поведения СПФ Ti-Ni от режимов термомеханической обработки в дальнейшем могут быть использованы для математического моделирования, корректировки существующих и разработки новых рациональных технологий процессов ОМД в широком интервале температур и степеней деформаций.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:
1. Впервые будет опробована схема мегапластической деформации кручением сплава с памятью формы (СПФ) системы Ti-Ni (Ti - 50.0 ат.% Ni и Ti - 50.8 ат.% Ni) на комплексе физического моделирования термомеханических процессов MDS-830 BÄHR
2. Будет проведена мегапластическая деформации кручением на серии образцов СПФ Ti-Ni по различным температурным режимам, определены критические режимы, приводящие к разрушению образца
3. Будут получены, построены и проанализированы параметры и закономерности изменения диаграмм деформации кручением СПФ Ti-Ni в широких интервалах степеней и температур деформации. Будет подготовлен массив данных для использования в программах математического моделирования процессов ОМД.
4. Будут получены зависимости температур обратного мартенситного превращения СПФ Ti-Ni от режимов мегапластической деформации кручением.
5. Будут получены закономерности изменения структуры, механических и функциональных свойств СПФ Ti-Ni в результате мегапластической деформации кручением по различным режимам
6. Будет изучена стабильность полученных в результате мегапластической деформации кручением структуры и свойств СПФ Ti-Ni и дополнительные возможности управления ими путём использования последеформационного отжига.
7. Будут разработаны рекомендации по выбору режимов мегапластической деформации кручением с целью получения СПФ Ti-Ni с повышенными функциональными характеристиками.
Результаты работы позволят заложить научно-технологические основы получения объёмных и образцов никелида титана с ультрамелкозернистой структурой и высоким комплексом функциональных свойств для создания нового поколения изделий, действующих на основе эффекта памяти формы, с высокой степенью надежности и недостижимыми ранее характеристиками. Полученные экспериментальные зависимости деформационного поведения СПФ Ti-Ni от температуры и степени деформации в дальнейшем будут служить основой для математического моделирования, корректировки существующих режимов ОМД и разработки новых рациональных технологий процессов ОМД в широком интервале температур и степеней деформаций с целью оптимизации технологического процесса.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На первом этапе реализации проекта проведен анализ научных публикаций по тематике проекта и подтверждена перспективность использования деформации кручением, как перспективного способа измельчения структуры и повышения функциональных свойств никелида титана. Данный метод ранее не применялся к сплавам TiNi, но был использован для создания ультрамелкозернистой структуры в объемных прутках из углеродистой стали, алюминиевых и магниевых сплавов. Проведена контрольная термическая обработка прутков никелида титана, экспериментально определен оптимальный размер рабочей части образцов.
Впервые к сплавам с памятью формы на основе Ti-Ni успешно применена мегапластическая деформация кручением на комплексе физического моделирования термомеханических процессов MDS-830 BÄHR и осуществлён подбор оптимальных параметров работы установки (скорость деформации – 0,1 с-1, и скорость нагрева/охлаждения – 5 K/сек).
Проведена мегапластическая деформации кручением серии образцов эквиатомного никелида титана по различным температурным режимам. Деформацию кручением проводили при температурах 300-600 °C до разрушения или фиксированного количества оборотов. При температурах деформации 350-600 °С удалось провести 14 оборотов без разрушения образцов СПФ TiNi.
Построены диаграммы деформации СПФ TiNi околоэкваитомного состава («истинное напряжение истинная деформация») и проанализированы параметры и закономерности их изменения в зависимости от температуры проведения мегапластической деформации кручением. В результате проведения эксперимента установлен критический температурный режим, при котором происходит хрупкое разрушение образца СПФ TiNi при малых степенях деформации (e<0,23) – 300 °С. Максимальное напряжение сопротивления деформации при понижении температуры с 600 до 300 °С возрастает более чем в три раза (380 до 1174 МПа). Значение истинной деформации, соответствующее пику на кривых течения также возрастает с e = 0,07 до 0,19 при понижении температуры деформации с 600 до 300 °С. Это является свидетельством более раннего начала протекания динамических процессов разупрочнения при более высокой температуре. Анализ диаграмм деформации, позволяет сделать выводы о возможности накопления больших степени деформации (e > 4,3) при деформации кручением при температуре 350-600 °С и скорости деформации = 0,1 с-1. Проведение деформации кручением в интервале температур 350-600 °С приводит к формированию установившейся стадии деформации, а следовательно, возможности формирования благоприятной динамически полигонизованной субструктуры при степенях деформации e = 0,6 и более.
Установлено, что понижение температуры деформации и соответствующее увеличение дефектности решетки сопровождается уменьшением температур обратного мартенситного превращения (МП). После деформации кручением при 350 и 400 °С температуры As и Af уменьшаются на 17-21 и 14-15 °C, соответственно. Увеличение температуры деформации до 500-600 °С приводит к менее значительному снижению температур As и Af, что объясняется меньшим изменением дефектности решетки при данных температурах деформации. Методом ДСК было выявлено изменение стадийности МП при охлаждении (обратное МП). Исследованы закономерности изменения структуры и механических и функциональных свойств никелида титана в результате различных режимов мегапластической деформации кручением. Показано, что уменьшение температуры деформации кручением с 600 до 350 °С приводит к увеличению твердости с 184 до 242 HV. Это свидетельствует об увеличении деформационного наклепа образцов, деформированных при более низких температурах и об увеличении интенсивности протекания динамических процессов упрочнения. Методами рентгенофазового анализа установлено, что деформация кручением при 350-600 ° С приводит к образованию некоторого количества ромбоэдрической R-фазы и B2-аустенита и формированию наиболее дефектной структурой (по сравнению с другими режимами обработки) после деформации при 350 °С.
Методами просвечивающей электронной микроскопии показано, что деформация при температуре 500 °C за 30 оборотов приводит к формированию структуры со средним размер структурных элементов около 500 нм. Деформация при 350 °C за 14 оборотов способствует получению более мелкодисперсной структуры со средним размером зёрен/субзёрен 250 мн. Максимальная полностью обратимая деформация образцов после деформации кручением была значительно выше по сравнению с контрольной обработкой: 5.8-7.9% и 2%, соответственно. Высокие значения максимальной полностью обратимой деформации были достигнуты благодаря образованию субмикрокристаллической структуры и соответствующему более полному протеканию МП. Максимальные значения восстановления формы – 7,9% были достигнуты при деформации кручением при самой низкой температуре – 350 °C.
По полученным результатам подготовлена и подана статья «Effect of Severe Torsion Deformation on Structure and Properties of Nickel Titanium Shape Memory Alloy» в журнал Metals (Q1). Результаты первого этапа реализации проекта были представлены виде устного доклада на международной конференции NANO SPD 2023 (Бангалор, Индия), "Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2023" (устный доклад) и научно-техническом семинаре Бернштейновские чтения (стендовый доклад).
Все научные показатели проекта достигнуты в полном объёме, кроме того, выполнен задел на следующий этап реализации проекта.
Публикации
1. Исследование деформационного поведения, структурообразования и свойств никелида титана, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением Study of the Deformation Behavior, Structure Formation, and Properties of Titanium Nickelide Subjected to Severe Plastic Torsion Deformation Abstract Book of NanoSPD8 conference, Abstract Book of NanoSPD8 conference - p. 110 (год публикации - 2023)
2. Комаров В.С., Карелин Р.Д., Черкасов В.В., Постников И.А., Хмелевская И.Ю. Исследование возможности применения мегапластической деформации кручением в цикле термомеханической обработки никелида титана Сборник тезисов научно-технического семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов», Сборник тезисов – Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». М: НИТУ «МИСиС», 2022, 199 с. Москва. 25-27 октября 2022 г. стр.125 (год публикации - 2022)
3. Комаров В.С., Постников И.А., Карелин Р.Д., Черкасов В.В., Хмелевская И.Ю., Прокошкин С.Д. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ TiNi Сборник трудов ХI-ой Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» - ПРОСТ 2023 – Москва, НИТУ МИСИС.– М.: ООО «Студио-Принт», 2023.– 256 с., Сборник трудов ХI-ой Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» - ПРОСТ 2023 – Москва, НИТУ МИСИС.– М.: ООО «Студио-Принт», 2023.– стр. 79 (год публикации - 2023)