Об аномалиях теплового расширения/сжатия кристаллических решеток мартенсита в сплавах Ti–Ni И Ti–Nb–Zr

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами рентгеновской дифрактометрии in situ и ex situ исследованы температурно-временные изменения параметров решетки мартенсита (ПРМ) сплавов с памятью формы Ti–50.26Ni и Ti–18Zr–12Nb (ат.%) с целью проверки существования временной зависимости ПРМ и выяснения, насколько строго сохраняется правильная сингония решетки мартенсита при изменении ее параметров в ходе нагрева–охлаждения в интервале температур от –180°С до ≥As. Изменения ПРМ обратимы во всем исследованном диапазоне температур при различных комбинациях скоростей нагрева и охлаждения (от 0.03°C/с до >50°C/с), величины ПРМ не зависят от времени рентгеновской съемки или выдержки при данной температуре в интервале существования мартенсита. Ширина рентгеновских линий В19'- и αʹʹ-мартенсита при любых комбинациях скоростей нагрева и охлаждения и временах выдержки не изменяется, что указывает на отсутствие искажений решетки мартенсита, подобных предмартенситным, приводящим к обратимому уширению рентгеновских линий аустенита с приближением к точке Мs в области формирования нанодоменов промежуточной структуры сдвига. Величина критерия Фишера (F), нигде не превышающая ее критическое значение, наряду с неизменностью ширины рентгеновских линий свидетельствует о сохранении неискаженной сингонии решетки непревращенных кристаллов мартенсита и изменении решетки как целого – путем постепенного однородного сдвига – при приближении к моменту их обратного превращения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. М. Дубинский

Университет науки и технологий МИСИС

Автор, ответственный за переписку.
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Россия, Москва, 119049

А. П. Баранова

Университет науки и технологий МИСИС

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Россия, Москва, 119049

О. В. Страхов

Университет науки и технологий МИСИС

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Россия, Москва, 119049

И. В. Щетинин

Университет науки и технологий МИСИС

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Россия, Москва, 119049

А. И. Базлов

Университет науки и технологий МИСИС

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Россия, Москва, 119049

А. В. Коротицкий

Университет науки и технологий МИСИС; Московский Политехнический Университет

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Россия, Москва, 119049; Москва, 107023

С. Д. Прокошкин

Университет науки и технологий МИСИС

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Россия, Москва, 119049

Список литературы

  1. Miyazaki S., Kimura S., Otsuka K., Suzuki Y. The habit plane and transformation strains associated with the martensitic transformation in ti-ni single crystals // Scripta Metal. 1984. V. 18. P. 883–888.
  2. Saburi T., Yoshida M., Nenno S. Deformation Behavior of Shape Memory Ti–Ni Alloy Crystals // Scripta Metal. 1984. V. 18. P. 363–366.
  3. Прокошкин С.Д., Коротицкий А.В., Браиловский В., Инаекян К.Э., Дубинский С.М. Кристаллическая решетка мартенсита и ресурс обратимой деформации термически и термомеханически обработанных сплавов Ti–Ni с памятью формы // ФММ. 2011. Т. 112. С. 180–198.
  4. Kim H.Y., Miyazaki S. Martensitic transformation and superelastic properties of Ti–Nb based alloys // Mater. Trans. 2015. V. 56. P. 625–634.
  5. Dubinskiy S., Prokoshkin S., Brailovski V., Inaekyan K., Korotitskiy A. In situ x-ray diffraction strain-controlled study of Ti–Nb–Zr and Ti–Nb–Ta shape memory alloys: crystal lattice and transformation features // Materials Characterization. 2014. V. 88. P. 127–142.
  6. Konopatsky A., Dubinskiy S., Zhukova Y., Sheremetyev V., Brailovski V., Prokoshkin S.D., Filonov M.R. Ternary ti-zr-nb and quaternary Ti–Zr–Nb–Ta shape memory alloys for biomedical applications: structural features and cyclic mechanical properties // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 702. P. 301–311.
  7. Пушин В.Г., Муслов С.А., Хачин В.Н. Рентгенографическое и электронно-микроскопическое исследование B2-соединений на основе TiNi // ФММ. 1987. Т. 64. С. 802–808.
  8. Пушин В.Г., Хачин В.Н., Кондратьев В.В., Myслов С.А., Павлова С.П. Структура и свойства В2 соединений титана. I. Предмартенситные Явления // ФММ. 1988. Т. 66. С. 350–358.
  9. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: структура и свойства: М.: Наука, 1992. 160 с.
  10. Пушин В.Г., Хачин В.Н., Иванова Л.Ю., Воронин В.П., Юрченко Л.И. Особенности микроструктуры и фазовых превращений в тройных сплавах Ti50Ni50-XCox с эффектом памяти формы. II. Ромбоэдрический Мартенсит // ФММ. 1994. Т. 77. С. 130–141.
  11. Миронов Ю.П., Кульков С.Н. Исследование мартенситного превращения в TiNi методом рентгенодифракционного кино // Изв. вузов. Физика. 1994. Т. 37. С. 49–54.
  12. Пушин В.Г., Хачин В.Н., Юрченко Л.И., Муслов С.А., Иванова Л.Ю., Соколова А.Ю. Микроструктура и физические свойства сплавов системы Ti 50 Ni 50-X Fe x с эффектами памяти формы. Сообщение II. Упругие Свойства // ФММ. 1995. Т. 79. С. 70–76.
  13. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. Екатеринбург: УрО РАН, 1998, 368 с.
  14. Prokoshkin S.D., Brailovski V., Turenne S., Khmelevskaya I.Y., Korotitskiy A.V., Trubitsyna I.B. Concentration, temperature and deformation dependences of martensite lattice parameters in binary Ti–Ni shape memory alloys // J. Phys. IV. 2003. V. 112. P. 651–654.
  15. Prokoshkin S., Korotitskiy A., Brailovski V., Turenne S., Khmelevskaya I.Y., Trubitsyna I.B. On the lattice parameters of phases in binary Ti–Ni shape memory alloys // Acta Mater. 2004. V. 52. P. 4479–4492.
  16. Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Валиев Р.З., Браиловский В., Валиев Э.З., Волков А.Е., Глезер А.М., Добаткин С.В., Дударев Е.Ф., Жу Ю.Т., Зайнулин Ю.Г., Колобов Ю.Р., Кондратьев В.В., Королев А.В., Коршунов А.И., Коуров Н.И., Кудреватых Н.В., Лотков А.И., Мейснер Л.Л., Попов А.А., Попов Н.Н., Разов А.И., Хусаинов М.А., Чумляков Ю.И., Андреев С.В., Батурин А.А., Беляев С.П., Гришков В.Н., Гундеров Д.В., Дюпин А.П., Иванов К.В., Итин В.И., Касымов М.К., Кашин О.А., Киреева И.В., Козлов А.И., Кунцевич Т.Э., Куранова Н.Н., Пушина Н.Ю., Рыклина Е.П., Уксусников А.Н., Хмелевская И.Ю., Шеляков А.В., Шкловер В.Я., Шорохов Е.В., Юрченко Л.И. Сплавы никелида титана с памятью формы. Ч. 1. Структура, Фазовые Превращения и Свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.
  17. Гундырев B.М., Зельдович В.И., Коротицкий А.В., Прокошкин С.Д., Федоров С.В. Низкотемпературное рентгенографическое исследование концентрационных и температурных зависимостей параметров решетки мартенсита бинарных сплавов Ti–Ni // Изв. РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. С. 1349–1354.
  18. Bönisch M., Panigrahi A., Stoica M., Calin M., Ahrens E., Zehetbauer M., Skrotzki W., Eckert J. Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys // Nature Comm. 2017. V. 8. P. 1429.
  19. Prokoshkin S.D., Korotitskiy A.V., Gundyrev V.M., Zeldovich V.I. Low-temperature X-ray diffraction study of martensite lattice parameters in binary Ti–Ni alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 481. P. 489–493.
  20. Petrzhik M.I., Fedotov S.G. Thermal Stability and Dynamics of Martensitic Structure in Ti – (Ta, Nb) Alloys // Proc. XVI Conf. on Applied Crystallography World Sci. Publ. 1995. P. 273–276.
  21. Khromova L.P., Dyakonova N.B., Rodionov Y.L., Yudin G.V., Korms I. Martensitic transformations, thermal expansion and mechanical properties of titanium-niobium alloys // J. Phys. IV. 2003. V. 112. P. 1051–1054.
  22. Дьяконова Н.Б., Лясоцкий И.В., Родионов Ю.Л. Исследование орторомбического мартенсита и со-фазы в закаленных и деформированных сплавах титана с 20–24 ат.% Nb // Металлы. 2007. № 1. С. 61–70. [D’yakonova N.B., Lyasotskii I.V., Rodionov Y.L. Orthorhombic martensite and the ω phase in quenched and deformed titanium alloys with 20–24 at% Nb // Russian Metallurgy (Metally). 2007. № 1. P. 51–58.]
  23. Qiu S., Krishnan V.B., Padula S.A., Noebe R.D., Brown D.W., Clausen B., Vaidyanathan R. Measurement of the lattice plane strain and phase fraction evolution during heating and cooling in shape memory NiTi // Appl. Phys. Letters. 2009. V. 95. P. 141906.
  24. Monroe J.A., Gehring D., Karaman I., Arroyave R., Brown D.W., Clausen B. Tailored thermal expansion alloys // Acta Mater. 2016. V. 102. P. 333–341.
  25. Ahadi A., Matsushita Y., Sawaguchi T., Sun Q.P., Tsuchiya K. Origin of zero and negative thermal expansion in severely-deformed superelastic NiTi alloy // Acta Mater. 2017. V. 124. P. 79–92.
  26. Ahadi A., Khaledialidusti R., Kawasaki T., Harjo S., Barnoush A., Tsuchiya K. Neutron diffraction study of temperature-dependent elasticity of B19ʹ NiTi-elinvar effect and elastic softening // Acta Mater. 2019. V. 173. P. 281–291.
  27. Li Q., Deng Z., Onuki Y., Wang W., Li L., Sun Q. In-Plane low thermal expansion of NiTi via controlled cross rolling // Acta Mater. 2021. V. 204. P. 116506.
  28. Gehring D., Ren Y., Barghouti Z., Karaman I. In-situ investigation of anisotropic crystalline and bulk negative thermal expansion in titanium alloys // Acta Mater. 2021. V. 210. P. 116847.
  29. Kim H.Y., Wei L., Kobayashi S., Tahara M., Miyazaki S. Nanodomain structure and its effect on abnormal thermal expansion behavior of a Ti-23Nb-2Zr-0.7Ta-1.2O alloy // Acta Mater. 2013. V. 61. P. 4874–4886.
  30. Nelson J.B., Riley D.P. An experimental investigation of extrapolation methods in the derivation of accurate unit-cell dimensions of crystals // Proceed. Phys. Soc. 1945. V. 57. P. 160–177.
  31. Prokoshkin S., Brailovski V., Inaekyan K., Korotitskiy A., Kreitcberg A. Thermomechanical treatment of Ti–Ni intermetallic-based shape memory alloys. Mater. Sci. Found. 2015. V. 81. P. 260–341.
  32. Montgomery D.C. Design and analysis of experiments // John Wiley & Sons, 1983. 649 с.
  33. Куранова Н.Н., Гундеров Д.В., Уксусников А.Н., Лукьянов А.В., Юрченко Л.И., Прокофьев Е.А., Пушин В.Г., Валиев Р.З. Влияние термообработки на структурные и фазовые превращения и механические свойства сплава TiNi, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением // ФММ. 2009. Т. 108. С. 589–601. [Kuranova N.N., Gunderov D.V., Uksusnikov A.N., Luk’Yanov A.V., Yurchenko L.I., Prokof’Ev E.A., Pushin V.G., Valiev R.Z. Effect of heat treatment on the structural and phase transformations and mechanical properties of TiNi alloy subjected to severe plastic deformation by torsion // Phys. Met. Metal. 2009. V. 108. P. 556–568.]
  34. Зельдович В.И., Пушин В.Г., Фролова Н.Ю., Хачин В.Н., Юрченко Л.И. Фазовые превращения в сплавах никелида титана. I. Дилатометрические Аномалии // ФММ. 1990. С. 90–96.
  35. Pushin V.G. Structures, properties, and application of nanostructured shape memory TiNi‐based alloys // Proceed. Nanomater. Severe Plastic Deformation. 2004. P. 822–828.
  36. Ahadi A., Sun Q. Stress-induced nanoscale phase transition in superelastic NiTi by in situ x-ray diffraction // Acta Mater. 2015. V. 90. P. 272–281.
  37. Prokoshkin S., Dubinskiy S., Korotitskiy A., Konopatsky A., Sheremetyev V., Shchetinin I., Glezer A., Brailovski V. Nanostructure features and stress-induced transformation mechanisms in extremely fine-grained titanium nickelide // J. Alloys and Compounds. 2019. V. 779. P. 667–685.
  38. Dubinskiy S., Prokoshkin S., Sheremetyev V., Konopatsky A., Korotitskiy A., Tabachkova N., Blinova E., Glezer A., Brailovski V. The mechanisms of stress-induced transformation in ultimately fine-grained titanium nickelide, and critical grain size for this transformation // J. Alloys and Compounds. 2021. V. 858. P. 157733.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. К определению характеристических температур обратного мартенситного превращения. Калориметрические кривые нагрева и охлаждения сплава Ti–50.26Ni (а); температурная зависимость удельного электрического сопротивления R/R0 при нагреве сплава Ti–18Zr–12Nb (б).

Скачать (135KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограммы сплавов Ti–50.26Ni (а) и Ti–18Zr–12Nb (б) при Ткомн и в области обратных превращений соответственно B2→B19′ и α"→β.

Скачать (192KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Рентгенограммы СПФ Ti–50.26Ni (а) и Ti–18Zr–12Nb (б), полученные в ходе эксперимента с выдержкой при температуре начала потери стабильности мартенсита в течение 12 ч.

Скачать (159KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Рентгенограммы СПФ Ti–50.26Ni (а) и Ti–18Zr–12Nb (б), полученные в ходе эксперимента с выдержкой при Ткомн в течение 30 дней.

Скачать (148KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Параметры решетки мартенсита, критерий Фишера и ширина рентгеновских линий мартенсита (002)B19′ СПФ Ti–50.26Ni (а) и (111)α" Ti–18Zr–12Nb (б) в ходе выдержки по режиму 1 при температурах потери стабильности мартенсита.

Скачать (177KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Параметры решетки мартенсита, критерий Фишера и ширина на половине высоты рентгеновских линий мартенсита (002)B19′ СПФ Ti–50.26Ni (а) и (111)α" Ti–18Zr–12Nb (б) в ходе выдержки по режиму 2 при Ткомн.

Скачать (188KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Схемы эксперимента по поиску скоростной зависимости параметров решетки мартенсита в СПФ Ti–50.26Ni и Ti–18Zr–12Nb: а–г – в интервале от Ткомн до температуры нестабильности мартенсита; д, е – в интервале стабильного существования мартенсита от Ткомн. до ≤ –180°С; а, д – медленные нагрев и охлаждение, б – медленный нагрев и быстрое охлаждение; в – быстрый нагрев и медленное охлаждение; г, е – быстрые нагрев и охлаждение.

Скачать (166KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Рентгенограммы СПФ Ti–50.26Ni, полученные по схемам: а, б – в интервале от Ткомн. до 70°С, в, г – в интервале стабильного существования мартенсита от Ткомн до ≤ –180°С; а, в – медленные нагрев и охлаждение; б, г – быстрые нагрев и охлаждение.

Скачать (458KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Рентгенограммы СПФ Ti–18Zr–12Nb, полученные по схемам: а, б – в интервале от Ткомн. до 150°С; в, г – в интервале стабильного существования мартенсита от Ткомн. до ≤ –180°С; а, д – медленные нагрев и охлаждение; б, г – быстрые нагрев и охлаждение.

Скачать (430KB)
Метаданные
11. Рис. 10. (а) параметры решетки B19′-мартенсита a, b, c, β, объем элементарной ячейки мартенсита ω=a·b·c·sinβ, критерий Фишера (F) и ширина рентгеновской линии B002B19′ СПФ Ti–50.26Ni; (б) параметры решетки α"-мартенсита a, b, c, объем элементарной ячейки мартенсита ω=a·b·c, критерий Фишера (F) и ширина рентгеновской линии B111α" СПФ Ti–18Zr–12Nb, полученные по разным схемам нагрева–охлаждения.

Скачать (374KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Температурные зависимости параметров решетки B19′-мартенсита, критерия Фишера F и максимальной деформации решетки εmax при B2↔B19′-превращении в закаленных от 700°С сплавах Ti–(50.0–51.05)% Ni. Расчет по рентгенограммам из работы [3].

Скачать (414KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Температурные зависимости долей R-фазы и B2-аустенита (а) (○, △) – исходное состояние после закалки при Ткомн перед последующим глубоким охлаждением (•, ▲) – после глубокого охлаждения и в ходе последующего отогрева, угловых координат линий (330)R, (30)R, (444)R, (550)R и (50)R (б) и ширины рентгеновских линий (444)R, (550)R (в) R-фазы сплава Ti-50.61Ni после е=1.7 +450 °С, 1 ч. На основе рентгенограмм, полученных в работе [3].

Скачать (186KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Температурные зависимости угловых координат (а) и ширины (б) рентгеновских линий (020) и (200) α"-фазы сплава Ti–22Nb. На основании данных из [28].

Скачать (83KB)
Метаданные