Анализ двойникования кристаллов мартенситной фазы в сплавах с эффектами памяти формы

На правах рукописиЧжэн ШаотаоАНАЛИЗ ДВОЙНИКОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВМАРТЕНСИТНОЙ ФАЗЫ В СПЛАВАХС ЭФФЕКТАМИ ПАМЯТИ ФОРМЫСпециальность: 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наукХунджуа Андрей ГеоргиевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Кульницкий Борис Арнольдовичдоктор технических наук,Корнеев Алексей ЕвгеньевичВедущая организация:Федеральное Государственноеобразовательное учреждение высшегопрофессионального образованияНациональный исследовательскийтехнологический университет «МИСиС»Защита диссертации состоится 27 апреля 2011 г. в 15 часов 30 минут назаседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московскомгосударственного университета им.

М.В. Ломоносова по адресу:119 991 ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет,аудитория_ЮФА_.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан«»марта 2011 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат физико-математических наук2Лаптинская Т.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииОдной из важнейших прикладных задач физики конденсированногосостояния является создание новых материалов с комплексом заданныхфизико-химических свойств. Многочисленные исследования природымартенситных превращений и обусловленных ими свойств сверхупругости ипамяти формы привели к созданию нового класса сплавов, нашедших широкоепрактическое применение.

Необходимым условием реализации эффектапамяти является кристаллографическая обратимость мартенситногопревращения. Такая обратимость всегда имеет место при термоупругойкинетике превращения, присущей превращениям в сплавах с упорядоченнойструктурой. Эффект памяти формы реализуется далеко не во всех сплавах снеупорядоченной структурой, испытывающих мартенситной превращение.Обратимости неупругой деформации способствует еще один фактор формирование самоаккомодационных комплексов, в которых кристаллымартенсита путем двойникования разбиваются на домены, представляющиесобойразличныекристаллографическиэквивалентныевариантыориентационного соотношения между решетками аустенита и мартенсита,для чего необходимо, чтобы плоскость двойникования решетки мартенситабыла параллельна одной из плоскостей симметрии решетки аустенита.

Этоусловие может быть выполнено не для каждого ориентационногосоотношения между решетками аустенита и мартенсита. Таким образом,кристаллографический анализ позволяет выявить ориентационныесоотношения, для которых возможно формирование самоаккомодационныхкомплексов, способствующих обратимости неупругой деформации, и темсамым очертить круг поиска новых сплавов с эффектами памяти формы.Цель работыЦелью настоящей работы является установление корреляции междунаблюдением эффекта памяти формы в сплавах с неупорядоченной решеткойи особенностью двойниковой структуры мартенситных кристаллов возможностью формирования самоаккомодационных комплексов.В качестве конкретных примеров рассмотрены мартенситныепревращения в твердых растворах на основе железа (ГЦК→ ОЦК), титана3(ОЦК→ ГПУ), кобальта (ГЦК→ ГПУ), γ-марганца. Наибольший интереспредставляют твердые растворы, в которых в зависимости от состава вместес параметрами решетки мартенситной фазы могут меняться и углы междуплоскостями кристаллической решетки.

В результате чего в твердыхрастворах можно путем изменения состава способствовать илипрепятствовать формированию самоаккомодационных комплексов и, вконечном счете, обратимости неупругой деформации.Для достижения цели был разработан алгоритм решения вопроса овыполнении необходимых условий формирования самоаккомодационныхкомплексов, включающий:1. построение матрицы ориентационного соотношения (матрицы перехода отбазиса решетки мартенсита к базису решетки аустенита);2. нахождение индексов плоскостей решетки мартенсита, параллельныхплоскостям симметрии кубической решетки аустенита;3. рационализация (фактически округление) найденных индексов плоскостей сцелью получения целочисленных индексов реальной плоскости двойникованиякристалла мартенсита;4. анализ возможности двойникования по рассчитанной плоскости.Научная новизна1.

Разработан алгоритм решения вопроса о возможности формированиясамоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов, исходя изизвестных параметров решетки мартенсита и ориентационного соотношениямежду решетками аустенитной и мартенситной фаз.2. Установлена корреляция между выполнением кристаллографическихусловийформированиясамоаккомодационныхкомплексовиэкспериментально наблюдаемыми эффектами памяти формы в твердыхрастворах с неупорядоченной структурой.3. Показано, что выполнение ориентационных соотношений Вассермана(мартенситное β → α превращение в сплавах на основе кобальта),Курдюмова - Закса и Нишиямы (γ → α превращение в сплавах на основежелеза) и Бургерса (β → α′ превращение в сплавах на основе титана ициркония) не удовлетворяет кристаллографическим условиям формированиясамоаккомодационных комплексов.4Научная и практическая значимость работ состоит в том, что- разработанный подход из множества факторов, влияющих навозможностьреализацииэффектапамятиформы,выделяеткристаллографическиеусловия,необходимыедляформированиясамоаккомодационных комплексов.

Выполнение этих условий поддаётсядостаточно простому расчёту, позволяющему, в конечном счёте, проводитьпрогнозирование и давать рекомендации по составам сплавов (в том числевыявлять заведомо неподходящие системы);- применение разработанного алгоритма расчёта к ориентационнымсоотношениям между решетками аустенита и мартенсита в сплавах снеупорядоченной решеткой позволило установить допустимые значенияуглов распараллеливания между плоскостями симметрии решетки аустенитаи плоскостями двойникования решетки мартенсита, при которыхсамоаккомодация может иметь место;- для мартенситного превращения β → α′″ в твёрдых растворах на основетитана (циркония) показана возможность исходя из параметров решетки α″мартенсита выявлять наиболее подходящие с точки зрения самоаккомодациисоставы сплавов.

В частности показано, что α″-мартенсит в твёрдыхрастворах на основе титана более склонен к самоаккомодации, по сравнениюсо сплавами на основе циркония; из двухкомпонентных систем наиболееперспективными с точки зренияреализации эффекта памяти формыявляются сплавы системы Ti-Ta.Основные положения, выносимые на защиту1.

Методика анализа выполнения кристаллографических условийформирования самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллови обоснование плодотворности её использования для неупорядоченныхтвёрдых растворов с эффектами памяти формы.2. Результаты расчёта выполнения кристаллографических условийформирования самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов втвёрдых растворах на основе марганца, железа, кобальта, титана и циркония.3. Результаты расчёта ориентационных соотношений между ГЦКаустенитом и ОЦК мартенситом, совместимые с условиями формированиясамоаккомодационных комплексов и анализ вероятности их реализации дляслучая γ → α превращения в сплавах на основе железа.54.Результатыанализавыполненияусловийформированиясамоаккомодационных комплексов в зависимости от значений параметроврешетки α″-мартенсита в твёрдых растворах на основе титана и циркония.ДостоверностьДостоверность определяется проверкой результатов численного расчётапутём моделирования рентгенограмм и анализа изменений конфигурациирефлексов в результата учёта двойникования кристаллов мартенсита.Правильностьработыиспользуемойпрограммымоделированияконтролировалась путём сравнения модельных рентгенограмм сэкспериментальными.Личный вклад соискателя заключается в проведении расчётов, анализеполученных результатов, написании литературного обзора по темедиссертации, в совместной с научным руководителем А.Г.

Хунджуапостановке текущих задач, формулировке выводов и положений, выносимыхна защиту, написании статей по теме диссертации.Апробация работыОсновные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались иобсуждались на следующих конференциях:- Ломоносовские чтения (Москва, 2009).- VII национальная конференция РСНЭ (Москва, 2009).- Ломоносовские чтения (Москва, 2010).- V Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородныхструктур» (Москва, 2010).ПубликацииОсновное содержание диссертации отражено в 7 печатных работах,включающих 2 статьи в российских журналах, входящих в перечень ВАК, и 5тезисов докладов в сборниках трудов и материалах международных ироссийских конференций.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёхглав, выводов и списка цитируемой литературы из 104 наименований. Объёмдиссертации составляет 115 страниц, в том числе 77 рисунков, 22 таблицы.6ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность новизна и практическая ценностьработы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.Первая глава диссертации содержит обзор литературных данных окристаллической структуре и морфологических особенностях строениякристаллов мартенсита в сплавах с эффектами памяти формы. Приведенысведения об истории открытия термоупругого равновесия, эффектов памяти,кинетических и структурных характеристиках мартенситных превращений всплавах c упорядоченной и неупорядоченной структурой аустенита.В основе любого механизма восстановления формы лежит обратноедвижение «носителей» деформации: межфазных, межкристальных идвойниковых границ.

Поэтому для понимания структурных механизмоввосстановления формы и температурных условий их реализации необходимознание структурных механизмов первоначальной неупругой деформации.Микроскопическое рассмотрение неупругой деформации, как результатавнешнего механического воздействия, позволяет выявить три механизмаформоизменения: скольжение, двойникование и фазовое превращениесдвигового типа (мартенситное превращение).Обратимостью обладает деформация, связанная с двойникованием имартенситным превращением.