Анализ двойникования кристаллов мартенситной фазы в сплавах с эффектами памяти формы

• Автор: Чжэн Шаотао
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

ГЛАВА 1. Мартснситныс превращения и эффект памяти формы в металлических

сплавах (литературный обзор)

§ 1.1 Эффект памяти формы в металлических сплавах

§1.2 Кинетика мартен ситных превращений

§ 1.3 Механизмы неупругой деформации в металлических сплавах

§ 1.4 Классификация эффектов памяти формы в металлических сплавах

§ 1.5 Условия обратимости неупругой деформации

ГЛАВА 2. Методика расчёта характеристик самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов и

возможности экспериментальной проверки

§2.1 Описание кристаллических решеток с помощью матриц
§ 2.2 Ориентационные соотношения между кристаллическими решетками
§ 2.3 Двойникование кристаллов мартенсита
§ 2.4 Кристаллографические условия формирования самоаккомодационных
комплексов мартенситных кристаллов
§ 2.5 Постановка задачи диссертации и методика расчёта
§ 2.6 Апробация методики расчёта на примере самоаккомодационных комплексов
в сплаве Си-И1-А
ГЛАВА 3. Самоаккомодация мартенситных кристаллов как
необходимое условие эффекта памяти формы в сплавах
с неупорядоченной кристаллической решеткой
§ 3.1. Мартенситные превращения в полиморфных металлах и неупорядоченных
твердых растворах на их основе
§ 3.2. Закономерности сопряжения кристаллических решеток
при мартенситных превращениях дисторсионного типа
§ 3.3. Анализ ориентационного соотношения в неупорядоченных твердых
растворах на основе кобальта
§ 3.4. Анализ ориентационных соотношений в неупорядоченных твердых
растворах на основе железа
§ 3.5. Ориентационные соотношения, допускающие самоаккомодацию
мартенситных кристаллов в сплавах на основе у-железа
§ 3.6 Анализ ориентационных соотношений при мартенситных превращениях
Р —у а', Р —* а" в сплавах на основе титана и циркония
§ 3.7 Мартенситное превращение Р —> а" в сплавах системы Т1-Та
с эффектом памяти формы
Основные результаты и выводы
Литература

Введение
Одной из важнейших прикладных задач физики конденсированного состояния является создание новых материалов с комплексом заданных физико-химических свойств. Решение этой задачи восходит к фундаментальной проблеме установления взаимосвязи между составом, структурой и физическими свойствами конденсированных сред. В настоящее время развитие теории не позволяет рассчитывать на решение этой задачи в общем виде, т.е. исходя из характеристик атомов, молекул или ионов, составляющих твердое тело, определять его структуру и рассчитывать свойства. В такой ситуации остается подходить к решению указанной проблемы феноменологически — для выбранного узкого круга объектов проводить классификацию и осмысление накопленных экспериментальных данных, на основе чего и осуществлять целенаправленный поиск новых материалов.
Сплавы с эффектами памяти формы и сверхупругостью относятся к наиболее перспективным материалам, разработанным в XX веке. Уникальные физические свойства этих материалов (эффект памяти формы и сверхупругость) представляют собой близкие по физической природе явления, обусловленные термоупругими мартенситными превращениями, которые наблюдаются в большой группе сплавов и интерметаллических соединений [1-7].
Необходимым условием реализации эффекта памяти является кристаллографическая обратимость мартенситного превращения. Такая обратимость всегда имеет место при термоупругой кинетике превращения, когда кристаллы мартенсита растут путем скольжения межфазной границы, скорость которой определяется скоростью охлаждения. В частности, их рост останавливается при прекращении охлаждения, а последующий нагрев приводит к движению межфазной границы в обратную сторону и сопровождается уменьшением размеров кристаллов мартенсита.
Известно, что термоупругость мартенситного превращения свойственна всем без исключения сплавам с упорядоченной кристаллической решеткой высокотемпературной фазы - аустенита. Можно сказать, что тсрмоупругость - закономерная особенность мартенситных превращений в упорядоченных сплавах, обусловленная тем, что реализация обратного превращения не по тому же самому, а по кристаллографически эквивалентному пути, приводит к нарушению упорядоченного расположения атомов в исходной структуре аустенита, что энергетически невыгодно.
В сплавах с неупорядоченной кристаллической решеткой механизм реализации кристаллографической обратимости, связанный с упорядоченным расположением атомов

в структурах аустенита и мартенсита, работать не может. Тем не менее, в некоторых неупорядоченных твердых растворах: Мп-Си, 1п-Т1, Ре-Рс1, ТР-МЬ, ТРТа, наблюдается кристаллографическая обратимость и эффект памяти формы [8-11]. Причиной кристаллографической обратимости в этих сплавах принято считать наследование структурных дефектов, в основном, дислокаций. Дислокации в процессе мартенситного превращения в силу . его сдвигового бездиффузионного механизма наследуются структурой мартенсита. Протекание обратного превращения не по пути прямого, а по кристаллографически эквивалентному пути, приводит к преобразованию наследуемых дислокаций в несвойственные данной кристаллической структуре, т.е. энергетически невыгодные. Именно такой механизм отвечает за обратимый (двусторонний) эффект памяти формы [3]. Реализация обратимого эффекта памяти формы требует специальной термомеханической обработки образцов, например, сильной деформации мартенситной фазы, или отжига под нагрузкой, который приводит к формированию текстурированной системы частиц фазы выделения.
Однако неясно, можно ли оперируя наследованием дислокаций одновременно обосновать обратимый характер мартенситных превращений в одних неупорядоченных твердых растворах (Мп-Си, 1п—Т1, Ре-РсГ) и отсутствие обратимости в других неупорядоченных твердых растворах на основе железа, титана, циркония, и других полиморфных элементов (Ре—С, Ре-Ш, Ре-Мп, И-У, 7г-РЬ и т. д.). Возможно, для решения этого вопроса полезен будет новый подход - обратить более пристальное внимание на особенности двойникования кристаллов мартенсита в самоаккомодационных комплексах мартенситных кристаллов и связать с ними возможность реализации эффектов памяти. Двойникование кристаллов мартенсита является закономерностью любых мартенситных превращений, как с термоупругой, так и нетермоупругой кинетикой.
Известно, что в сплавах с термоупругим превращением кристаллы мартенсита образуют самоаккомодационные комплексы [3], в которых кристаллы мартенсита путем двойникования разбиваются на домены, представляющие собой различные кристаллографически эквивалентные варианты одного и того же ориентационного соотношения. При этом граница между доменами является плоскостью двойникования решетки мартенситной фазы. Другими словами двойникование переводит один из вариантов ориентационного соотношения в другой. Деформация таких кристаллов протекает путем перераспределения вещества между доменами, т.е. роста одних доменов за счет других путем скольжения плоскости двойникования, и является обратимой. Таким образом, формирование самоаккомодационных комплексов способствует обратимости неупругой деформации, но при этом появляются жесткие требования: двойникование
результаты дифракционного эксперимента. Однако методически более верным и продуктивным представляется моделирование самих дифракционных картин и сравнение их с экспериментальными рентгенограммами и микроэлектронограммами. Для этого в настоящей работе был использован разработанный на кафедре физики твердого тела физического факультета МГУ пакет программ для моделирования точечных картин дифракции на двухфазных кристаллах, дополненный блоком учёта двойникования кристаллов мартенсита [66, 67]. В настоящий момент моделирование дифракционной картины в масштабе реального эксперимента с выводом её на дисплей занимает около 1 секунды - основное время тратится на ввод необходимых параметров в интерактивное окно программы (рис.2.3).
МаїїегкН 4.
Сохранить
Выход
Ориентационное соотношение
Основная фаза Выдел, фаза
( ГГПГ[сГ } м < [ТГГм^РшГ ) <Го~ГсГГТ’ > и < [~Т [“о [~о і
Параметры основной фазы а! Ы с
13-м [ 3.26 13.26 * гцк
а1?а1 Ье*а1 датгг.з 1 оцк
[5о [90 г Примитивная
Параметры выделяющейся фазы
э2 Ь2 сг
І 3.19 (5.34 14.58 ( гцк
а№а2 Ье1а2 датта2 & ОЦК
(90 | 90 [90 г
Примитивная
Поворот на углы альфа бета

Поворот выдел, фазы вокруг
направления основной фазы
<ГТ~ ГГ” ГГ“
Тета | О Двойниковать | Поворот
Ориентировка основной -фазы
по вертикали
<( і 1 > ! 0 >
по лучу
<1 1 1-1 1 0 >
Количество уз лее
выдел фазы | 7 осн. фазы [
Г" Матрица симметрии
Параметры излучения и размеры узлов обратной решетки фаз
основной фазы основной фазы
выделяющейся фазы
ггФпип [0.69 літах [0
РА 10.
выделяющейся фазы
Двойникование
плоскость двойникования ( | Г”” [ 1 [і ) Г~ Двойникование
Предварительный расчет
Рисунок 2.
Интерактивное окно программы моделирования рентгенограммы монокристалла аустенита никелида титана с выделениями моноклинного мартенсита В19' в 24-х вариантах ориентационного соотношения с учётом двойникования по плоскости (101) в!9’ •