The shape memory effect, superelasticity and temperature range of superelasticity were investigated on [001]-oriented single crystal of FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta) alloy, aged at temperature of T=973 K for 0,5, 3 and 5 h. The maximum value of superelasticity εSE=7,8 % was observed after aging for 0,5 h, the temperature range of its manifestations ΔTSE=156K. With increasing of aging time the εSE value is reduced to 3,2 % and ΔTSE is increased to 246 K

Куксгаузен, И. В.

Подгорный, М. Е.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 282  Россия, Томск, 25-28 апреля 2017 г. Том 1. Физика  ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ В МОНОКРИСТАЛЛАХ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА М.Е. Подгорный, И.В. Куксгаузен Научные руководители: гл.н.с., д.ф.-м.н. И.В. Киреева, профессор, д.ф.-м.н. Ю.И. Чумляков Национальный исследовательский Томский государственный университет,   Россия,  г. Томск, пр. Ленина, 36, 634050 E-mail: pdgmaksim@yandex.ru   EFFECT OF THE HEAT TREATMENT ON MARTENSITIC TRANSFORMATIONS IN SINGLE CRYSTALS OF IRON-BASED ALLOY M.E. Podgorniy, I.V. Kuksgauzen  Scientific Supervisors: chief researcher, Dr. I.V. Kireeva, professor, Dr. Yu.I. Chumlaykov National Research Tomsk State University, Russia, Tomsk Lenin str., 36, 634050 E-mail: pdgmaksim@yandex.ru    Abstract. The shape memory effect, superelasticity and temperature range of superelasticity were investigated on [001]-oriented single crystal of FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta) alloy, aged at temperature of T=973 K for 0,5, 3 and 5 h. The maximum value of superelasticity εSE=7,8 % was observed after aging for 0,5 h, the temperature range of its manifestations ∆TSE=156K. With increasing of aging time the εSE value is reduced to 3,2 % and ∆TSE is increased to 246 K.  Введение. Известно, что в моно- и поликристаллах сплавов на основе железа наблюдается обратимая деформация превращения величиной до 13–15 % [1, 2], поэтому они представляют большой интерес для их практического применения в качестве демпферов и сенсорных материалов в авиакосмической промышленности. В настоящей работе представлены результаты по исследованию влияния термообработки на эффект памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичность (СЭ) при деформации растяжением в [001]- монокристаллах сплава FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta).  Материал и методика исследования. В качестве материала для исследования были выбраны [001]- монокристаллы сложнолегированного сплава Fe41Ni28Co17Al11,5(Ti+Nb+Ta)2,5 (ат. %). Выбор ориентации монокристаллов определялся максимальным теоретическим значением деформации решетки ε0 при деформации растяжением в ориентации [001]: ε0=8,7% при γ-α’–мартенситном превращении (МП) [1]. Испытания проводили после предварительной термообработки: гомогенизация 1553 К, 10 ч, отжиг при T=1553 К, 1,5 ч с последующей закалкой в воду и старении при T=973 К в течение 0,5 ч, 3 ч и 5 ч в атмосфере гелия. Механические свойства исследовали на испытательной машине типа «Поляни»  в интервале температур от 77 до 523 К. ЭПФ под нагрузкой исследовали на специально сконструированной установке для термоциклирования при постоянной нагрузке со скоростью охлаждения/нагрева 20 К/мин в температурном интервале от 77 до 373 К.  Результаты и их обсуждения. На рис. 1 представлены результаты исследований температурной зависимости критических напряжений σ0,1 в температурном интервале T=77–573 К для состаренных при T=973 К  в  течение  t=0,5, 3 и 5ч  [001]- монокристаллов  сплава  FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta)  при деформации XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 283  Россия, Томск, 25-28 апреля 2017 г. Том 1. Физика  растяжением. При всех временах старения зависимость σ0.1(T) имеет вид характерный для сплавов, испытывающих МП под нагрузкой, и состоит из двух стадий. На первой стадии 77 К<T<Md (Md – температура, при которой напряжения высокотемпературной фазы оказываются равными напряжению, необходимому для образования мартенсита под нагрузкой) напряжения σ0,1 растут с увеличением температуры испытания. Такая зависимость σ0,1(T) описывается соотношением Клайперона-Клаузиуса [3]:  001,0THdTdεσ ∆= , где ∆H – изменение энтальпии, T0 – температуры химического равновесия γ- и α’-фаз. При T>Md наблюдается вторая стадия, характерная для ГЦК-материалов, в которой наблюдается падение σ0,1 с ростом температур.  Анализ температурной зависимости σ0,1(T) показывает, что с увеличением времени старения температура начала прямого МП Т(Ms), температура T(Md) и уровень напряжений σ0,1(Md) увеличиваются (табл. 1). Из рис.1 видно, что напряжения σ0,1 при одной температуре испытания, например при T=77 К, уменьшаются с увеличением времени старения и, следовательно, температура Ms повышается. При Т>Md напряжения σ0,1 после старения в течение 3-5 ч выше на 110-130МПа, относительно старения t=0,5 ч. Рост напряжений высокотемпературной фазы и T(Md) приводит к увеличению температурного интервала развития МП под нагрузкой, а следовательно и температурного интервала проявления СЭ ∆TСЭ (табл. 1). Таблица 1 Механические и функциональные свойства [001]-монокристаллов FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta), состаренных при T=973 К Термообработка T(Md), К σ0,1(Md), МПа εЭПФмакс, %. εСЭмакс, %. TСЭ1, К TСЭ2, К ∆TСЭ, К 973 К, 0,5 ч 250 961 - 7,8 ≤77 233 156 973 К, 3 ч 297 987 1,2 3,4 ≤77 283 206 973 К, 5 ч 323 1002 1,7 3,2 ≤77 323 246  На рис. 2 представлены результаты исследования ЭПФ при охлаждении/нагреве под постоянной внешней растягивающей нагрузкой σвн для состаренных при T=973 К, t=0,5, 3 и 5ч [001]- монокристаллов сплава FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta). Видно, что с увеличением времени старения напряжения, необходимые для появления первой петли ЭПФ, уменьшаются, что коррелирует с повышением температуры Ms (рис. 1). При времени старения t=0,5 ч при охлаждении под нагрузкой σвн=775 МПа (рис.2, а) наблюдается изменение размеров образца на 0,9 %, однако при нагреве до Т=373 К деформация не возвращается, следовательно ЭПФ не реализуется. Отсутствие ЭПФ при данном времени старения связано, во-первых, с не достижением температур обратного МП из-за широкого температурного гистерезиса превращения  Рис.1. Температурная зависимость критических напряжений σ0,1 для состаренных при Т=973 К 0,5 ч (кривая 1), 3 ч (кривая 2) и 5 ч (кривая 3) [001]- монокристаллов сплава FeNiCoAl(Ti+ Nb+Ta) при растяжении XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» 284  Россия, Томск, 25-28 апреля 2017 г. Том 1. Физика  ∆Т, и во-вторых, с низкими прочностными свойствами высокотемпературной фазы. При увеличении времени старения до 3-5 ч напряжения высокотемпературной фазы возрастают, и при изучении ЭПФ при охлаждении/нагреве под нагрузкой наблюдается одностадийное γ-α’–МП, которое является полностью обратимым и характеризуется узким температурным гистерезисом ∆Т=75 К, а следовательно наблюдается ЭПФ (рис. 2, б, в). После старения в течение t=3 ч (рис. 2, б) εЭПФ=0,6 % реализуется при напряжениях σвн=600 МПа, а при σвн=650 МПа достигается максимальная величина обратимой деформации, равная 1,2 %. После старения t=5ч (рис.2, в) величина ЭПФ при σвн=650 МПа увеличивается до 1,7 %, по сравнению со старением в течение 3 ч. Значения εЭПФ для всех времен старения не достигают теоретической величины деформации решетки ε0 при γ-α’ МП для соответствующей ориентации.      Рис.2. ɛ(T) кривые, полученные при охлаждении/нагреве под постоянной растягиваюющей нагрузкой для состаренных при Т=973 К в течение а) 0,5 ч, б) 3 ч и в) 5 ч [001]-монокристаллов FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta)  Исследования СЭ в [001]-монокристаллах сплава FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta), состаренных при T=973 К, t=0,5, 3 и 5 ч показали, что величина СЭ εСЭ и ее температурный интервал ∆TСЭ зависят от времени старения (табл. 1). Из экспериментов по термоциклированию при температуре T=77 К было установлено, что величина εСЭ при времени старения t=0,5 ч равна 7,8 %, что близко к теоретическому значению ε0. С увеличением времени старения величина СЭ уменьшается до 3,4 % при t=3 ч и до 3,2 % при t=5 ч, что связано с уменьшением объема материала, который испытывает МП под нагрузки, за счет увеличения объёмной доли частиц γ’-фазы. СЭ после старения 0,5 ч наблюдается от TСЭ1=77 К до TСЭ2=233 К. После старения в течение 5 ч последняя температура наблюдения СЭ TСЭ2 возрастает до 323 К, так что интервал СЭ увеличивается до ∆TСЭ=246 К, по сравнению с ∆TСЭ=156 К при времени старения 0,5 ч. Заключение. Итак, экспериментально на [001]- монокристаллах сплава FeNiCoAl(Ti+Nb+Ta) при деформации растяжением было установлено, что изменяя время старения при одной и той же температуре можно управлять уровнем напряжений высокотемпературной фазы, температурами T(Md) и T(Ms), величиной ЭПФ и СЭ, а также температурным интервалом СЭ.  Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 14-29-00012.  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Tanaka Y., Himuro Y., Kainuma R. et.al. Ferrous polycrystalline shape-memory alloy showing huge superelasticity // Science. – 2010. – Vol. 327. – P. 1488–1490. 2. Чумляков Ю.И., Киреева И.В., Поклонов В.В. и др. Эффект памяти формы и сверхэластичность в монокристаллах ферромагнитного сплава FeNiCoAlTi // Письма в ЖТФ. – 2014. – Т. 40, Вып. 17. – С. 47–53. 3. Otsuka K., Wayman C.M. Shape memory materials. – Cambrige: Cambrige University Press, 1998. – 284 p. а б в) 

Effect of the heat treatment on martensitic transformations in single crystals of iron-based alloy

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University