Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 10, стр. 1410-1415

ВВЕДЕНИЕ

Современные металлические материалы в процессе получения или эксплуатации могут испытывать комплексное внешнее воздействие различной природы, например, связанное с механическими напряжениями и деформациями, электромагнитными полями и акустическими волнами, вибрациями. Поведение материалов в столь сложных условиях требует анализа влияния внешних факторов на их физико-механические свойства. Наличие в материалах структурно-фазовых превращений накладывает дополнительные требования к прогнозированию технологических и эксплуатационных откликов на внешние воздействия. Одной из актуальных задач в технологии получения изделий из данных сплавов является повышение деформируемости и снижение усилий в процессах обработки металлов давлением, например, при прокатке или волочении длинномерных изделий тонкого сечения.

В работах [1, 2] был продемонстрирован эффект от совместного применения интенсивной пластической деформации (ИПД) и ультразвука (УЗ) – структурные изменения в чистом никеле, снижение напряжений течения, процессы релаксации и упрочнения материала в зависимости от амплитуды ультразвука. Совместное применение ИПД и импульсного тока (электропластического эффекта) также зарекомендовало себя как метод улучшения технологических, функциональных свойств, а также микроструктуры различных материалов: в TiNi сплаве [3], в ТРИП и нержавеющих сталях [4], в алюминиевых [5–7] и магниевом сплаве [8].

В последние десятилетия активно исследуется возможность комбинированного воздействия различных методов на материалы с целью получения требуемых технологических и функциональных характеристик. Применительно к чистым меди [9] и никелю [10, 11] такая возможность была показана на примере последовательного применения ультразвука и импульсного тока, которое приводило к усилению эффекта снижения напряжений течения.

Особая роль в настоящее время принадлежит конструкционным сплавам с памятью формы Ti_50 – хNi_50 + х, которые могут испытывать термоупругие мартенситные обратимые превращения, как во время получения, так и в процессе эксплуатации. Потенциальным методом повышения деформируемости сплавов Ti_50 – хNi_50 + х является применение электропластического (ЭПЭ) и акустопластического (АПЭ) эффектов [12–14].

Цель настоящей работы – исследовать деформационное поведение при растяжении сплавов Ti_50 – хNi_50 + х в аустенитном и мартенситном состояниях при последовательном воздействии импульсного тока и ультразвука.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования были сплавы с памятью формы в аустенитном (Ti_49.3Ni_50.7) и мартенситном (Ti_50.0Ni_50.0) состояниях при комнатной температуре в форме проволоки диаметром ∅ 1.5 мм после закалки от 800°С с размером зерен ~50 мкм. В соответствии с сертификатом качества, температурами начала мартенситного (М_н) и окончания аустенитного (А_к) превращений для сплава Ti_49.3Ni_50.7 являются М_н = 6°С и А_к = 26°С, а для сплава Ti_50.0Ni_50.0 М_н = 45°С и А_к = 75°С, соответственно. Растяжение выполняли при 20 и 200°С на испытательной машине ИР 5081-20. Нагрев образцов производили техническим термофеном BOSCH GHG 660, температуру измеряли контактным измерителем UT321 при помощи прикрепленной в центре образца термопары. При растяжении импульсный ток и ультразвуковые колебания в различной последовательности вводили в образец на разных стадиях деформации и фиксировали амплитуду скачка напряжений от ЭПЭ или АПЭ эффекта. Режимы импульсов тока и ультразвука были выбраны так, чтобы наблюдаемые эффекты были соизмеримы по интенсивности: для тока – частота 0.8–1 кГц, плотность тока j = 150 А/мм², длительность импульса τ = 100 мкс; для ультразвука – частота 20 кГц, длительность 1 с, амплитуда 5 и 20 мкм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Растяжение при комнатной температуре

На рис. 1 представлены кривые растяжения “напряжение–деформация” сплава Ti_50.0Ni_50.0. После закалки при 800°С сплав характеризуется высокой пластичностью (δ > 30%) при прочности ~800 МПа; площадка переориентации мартенсита наблюдается при 190 МПа (кривая 1). Также необходимо отметить уменьшение модуля упругости в начале кривой и на двух стадиях деформационного упрочнения. Введение импульсов тока приводит к двукратному уменьшению относительного удлинения до разрушения, а также к появлению разнонаправленных скачков напряжения на стадии переориентации мартенсита и деформационного упрочнения (кривая 2). Скачки “вниз” расположены ниже кривой 1 и имеют на порядок меньшую амплитуду (∆σ ~ 10–25 МПа), по сравнению со скачками “вверх” (∆σ ≤ 200 МПа), пики которых лежат выше кривой 1. В отличие от воздействия тока, введение УЗ приводит только к однонаправленным скачкам напряжения “вниз” с амплитудой ∆σ ~ 10–20 МПа на всей стадии растяжения вплоть до разрушения (кривая 3). Отметим, что вся кривая 3 расположена ниже кривой 1. При комбинированном воздействии импульсов тока и УЗ наблюдается преимущественное влияние тока, при котором присутствуют разнонаправленные скачки напряжения: “вниз” от УЗ и “вверх” от тока (кривая 4).

Рис. 1.

Инженерные кривые растяжения сплава Ti_50.0Ni_50.0 при комнатной температуре: 1 – без воздействий, 2 – с током, 3 – с УЗ, 4 – ток + УЗ. (а) общий вид, (б) увеличенная область для кривых 2 и 4. Стрелками указаны скачки напряжения от тока и УЗ.

Сплав Ti_49.3Ni_50.7 также характеризуется высокими пластичностью (δ > 30%) и прочностью (800 МПа) (рис. 2, кривая 1). Однако характер кривой отличается от кривой для эквиатомного сплава: плато, соответствующее мартенситному превращению, короткое, практически переходящее в точку перегиба. Одиночные импульсы тока приводят к уменьшению пластичности и разнонаправленным скачкам напряжения: “вниз” (∆σ ~ 30–40 МПа) и “вверх” (∆σ ~ 50–60 МПа) (рис. 2, кривая 2). Смена направления скачков приблизительно соответствует деформации 10%, а пиковые значения напряжений осциллируют вокруг кривой 1. Применение УЗО (рис. 2, кривая 3) или комбинированного воздействия тока и УЗО (рис. 2, кривая 4) приводит к резкому охрупчиванию и разрушению практически в упругой области. Все скачки, вызванные УЗ, направлены “вниз” и имеют меньшую амплитуду напряжений (∆σ ~ 5–15 МПа), чем скачки от тока (∆σ ~ 35–45 МПа). Совместное воздействие УЗ и тока схоже по характеру с кривой 3, (рис. 2, кривые 3 и 4).

Рис. 2.

Инженерные кривые растяжения сплава Ti_49.3Ni_50.7 при комнатной температуре: 1 – без воздействий, 2 – с током, 3 – с УЗ, 4 – ток + УЗ. (а) общий вид, (б) увеличенная область для кривых 2, 3 и 4. Стрелками указаны скачки напряжения от тока и УЗ.

Растяжение при 200°С

При аналогичных испытаниях при температуре 200°С, вид кривых растяжения и направленность скачков напряжения обоих сплавов меняются. Прежде всего это проявляется в отсутствии плато, связанного с мартенситным превращением или переориентацией мартенсита, а также в однонаправленности скачков напряжения “вниз” от воздействия тока и УЗ (рис. 3 и 4). Отметим также, что все кривые растяжения при воздействии тока и УЗ лежат выше кривой 1 или практически с ней совпадают.

Рис. 3.

Инженерные кривые растяжения сплава Ti_50.0Ni_50.0 при температуре 200°С: 1 – без воздействий, 2 – с током, 3 – с УЗ, 4 – ток + УЗ. (а) общий вид, (б) увеличенная область для кривых 2, 3 и 4. Стрелками указаны скачки напряжения от тока и УЗ.

Рис. 4.

Инженерные кривые растяжения сплава Ti_49.3Ni_50.7 при температуре 200°С: 1 – без воздействий, 2 – с током, 3 – с УЗ, 4 – ток + УЗ. (а) общий вид, (б) увеличенная область для кривых 2 и 4. Стрелками указаны скачки напряжения от тока и УЗ.

Сплав эквиатомного состава Ti_50.0Ni_50.0, как и при комнатной температуре, проявляет высокую пластичность, которая в три раза снижается при введении одиночных импульсов тока и практически отсутствует при воздействии УЗ (рис. 3, кривые 2, 3). Амплитуда скачков напряжения от тока (∆σ ~ 20 МПа) заметно выше амплитуды скачков от УЗ (∆σ ~ 5 МПа). При комбинированном воздействии тока и УЗ наблюдается также хрупкое разрушение образца.

Сплав Ti_49.3Ni_50.7, по сравнению с комнатной температурой, проявляет меньшую пластичность (δ ~ 17%) при практически одинаковом уровне прочности (850 МПа) (рис. 4, кривая 1). Воздействие импульсов тока приводит к скачкам напряжения “вниз” амплитудой ∆σ ~ 35–40 МПа, (рис. 4, кривая 2). В случае введения УЗ разрушение материала происходит уже в упругой области при напряжениях ниже 300 МПа (рис. 4, кривая 3). Совместное воздействие тока и УЗО (рис. 4, кривая 4) пластифицирует сплав, пластичность которого по сравнению с комнатной температурой возрастает с 2.5 до 7.5%. Амплитуда скачков напряжения от тока (∆σ ~ 35–45 МПа), как и для сплава Ti_49.3Ni_50.7, выше амплитуды скачков от УЗ (∆σ ~ ~ 10 МПа).

ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим кривые растяжения обоих сплавов при комнатной температуре без внешних воздействий (рис. 5, кривые 1 и 2). Известно, что в мартенситном состоянии при комнатной температуре в сплаве Ti_50.0Ni_50.0 наблюдаемое плато на кривой растяжения обусловлено переориентацией мартенситных пластин [15]. Видно, что модуль упругости мартенсита Е_м после плато ниже, чем модуль мартенсита до плато из-за увеличения объемной доли ориентированных вдоль направления растяжения пластин. Стадия пластической деформации мартенсита начинается в области ε ~ 10%.

Рис. 5.

Кривые растяжения без внешних воздействий для сплава Ti_50.0Ni_50.0 (сплошные линии) и для сплава Ti_49.3Ni_50.7 (пунктирные линии): 1, 2 – при комнатной температуре, 3, 4 – при температуре 200°С.

Для сплава Ti_49.3Ni_50.7 в аустенитной фазе при комнатной температуре отмечается не типично короткое плато, обусловленное фазовым превращением А → М, что, вероятно, связано с близостью температуры деформации и А_к (26°С). Различие в модулях упругости до и после плато объясняется существованием, соответственно, аустенита и мартенсита, для которых верно соотношение Е_А > Е_М [15]. С этим же связано различие в наклоне кривых в области упругой деформации в сплавах Ti_49.3Ni_50.7 и Ti_50.0Ni_50.0 (рис. 5, кривые 1 и 2).

Сравнение кривых растяжения при повышенной температуре для обоих сплавов свидетельствует об их близком деформационном поведении при температуре 200°С, которая по многим литературным данным выше температуры M_d и соответствует стабильному аустениту, не способному испытывать мартенситные превращения. Этим и обуславливается отсутствие плато от мартенситного превращения и плато от переориентации мартенсита.

Теперь сравним деформационное поведение сплавов при введении импульсов УЗ и/или тока. Для сплава Ti_50.0Ni_50.0 введение одиночных импульсов тока при комнатной температуре приводит к разнонаправленным скачкам напряжения, вызванным причинами различной физической природы. ЭПЭ вызывает скачки “вниз” на стадии переориентации мартенсита, а обратное фазовое превращение М → А приводит к скачкам “вверх” на стадии деформационного упрочнения [12]. Введение УЗ вызывает возникновение скачков напряжения “вниз”, связанных с АПЭ, величина которого в данном случае заметно меньше ЭПЭ. Отметим, что, несмотря на общую тепловую природу УЗ и тока, они имеют особенности деформационного воздействия: это и упругая деформация решетки, и пластическая деформация за счет дислокаций. Возможно поэтому при токовом воздействии преобладает упрочнение за счет мартенситного превращения, а при УЗ воздействии преобладает релаксационный эффект, вызывающий разупрочнение (рис. 1, кривые 2 и 3).

В аустенитном состоянии сплава Ti_49.3Ni_50.7 наблюдаемые особенности деформационных кривых при воздействии тока и УЗ аналогичны и вызваны комбинацией проявления мартенситного превращения, ЭПЭ и АПЭ.

При повышенной температуре деформации скачки напряжения в обоих сплавах имеют одинаковое направление “вниз” независимо от области деформации. Направление скачков “вниз” указывает на отсутствие мартенситного превращения, что связано с существованием стабильного мартенсита при температуре деформации Т_d > M_d. В то же время ЭПЭ и АПЭ при этом продолжают действовать.

Введение одновременно УЗ и тока не выявило заметных различий в деформационном поведении сплавов, кроме проявления повышенной хрупкости (δ < 5%), обусловленной малоцикловой усталостью в процессе воздействия УЗ. Тем не менее, совместное использование АПЭ и ЭПЭ требует дополнительных тщательных исследований при относительно близком уровне вводимой энергии или при других видах обработки металлов давлением.

ВЫВОДЫ

1. Повышение температуры деформации от комнатной до 200°С приводит к повышению напряжений течения в обоих сплавах, при этом в сплаве Ti_50.0Ni_50.0 оно проявляется в области деформации менее ε ~ 20%. При этом исчезает плато вследствие стабилизации аустенита, а также уменьшается пластичность в сплаве Ti_49.3Ni_50.7.

2. Направление скачков напряжения от введения УЗ и/или тока в сплавах Ti_50.0Ni_50.0 и Ti_49.3Ni_50.7 определяется фазовым состоянием материала и степенью деформации. При температуре 200°С скачки напряжения имеют одинаковое направление (вниз) независимо от степени деформации. При комнатной температуре до начала деформационного упрочнения скачки напряжения также имеют одинаковое направление (вниз), а затем они становятся разнонаправленными (“вниз” от УЗ и “вверх” от тока).

3. Различное направление скачков напряжения в сплавах с памятью формы связано с положением температуры деформации относительно температуры образования мартенсита деформации. При температуре деформации Т_d < M_d направление скачков “вверх” обусловлено обратным мартенситным превращением, вызванным тепловым эффектом тока. И наоборот, если температура деформации Т_d > M_d направление скачков “вниз” соответствует отсутствию мартенситного превращения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-58-48001-ИНД_оми и проекта БРФФИ № Т16Р-152.