Анализ двойникования кристаллов мартенситной фазы в сплавах с эффектами памяти формы (1102346), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Снятие внешней нагрузки может приводить кобратному процессу в том случае, если деформированная двойникованиемобласть находится внутри кристаллической среды, её возникновениепорождает упругие напряжения, стремящиеся вернуть формоизмененнуюобласть в исходное состояние. Изменение формы генетически присущелюбому мартенситному превращению, однако мартенситное превращение вотсутствие внешней нагрузки (мартенсит охлаждения) не приводит кмакроскопическому формоизменению. Причина состоит в том, что в рамкахзаданного ориентационного соотношениям между решетками аустенита имартенситаравновероятнореализуютсявсекристаллографическиэквивалентныевариантывзаимнойориентации,компенсируямакроскопическое формоизменение.
При протекании мартенситногопревращения в поле внешних напряжений кристаллографически7эквивалентные варианты перестают быть эквивалентными энергетически.Прямое мартенситное превращение, приводящее к макроскопическомуизменению формы, может протекать при охлаждении под нагрузкой, либобез охлаждения в результате формирования мартенсита напряжений илимартенсита деформации.Область эффектов памяти формыσОбластьσyM сверхупругостиσyAМартенситнапряженияσcrMfMMsσtrAAs AfМартенситдеформациM sσMdTРисунок 1. Области реализации эффектовпамяти формы и сверхупругостиДетальное изучение неупругой деформации, её сохранения послеснятия нагрузки и последующего восстановления формы показываетнеоднозначность механизма эффекта памяти. Если снять нагрузку доначала пластической деформации мартенсита, то при температуреиспытания Af < T < Мd можно наблюдать явление сверхупругости восстановление формы в ходе разгрузки. При снятии нагрузки в областиболее низких температур неупругая деформация сохраняется в силунезавершённости обратного мартенситного превращения в областитемператур Т < Аf ; при этом остаточная деформация может исчезнутьпочти полностью, если после снятия нагрузки нагреть образец дотемпературы, превышающей Аf.
Снимаемая таким образом деформацияхарактеризует эффект памяти формы – восстановление первоначальнойформы деформированного образца в результате его нагрева после снятиянагрузки.Эффект памяти формы проявляется и при деформации в области болеенизких температур Тдеф < Мf, когда образец до деформации полностью8находится в мартенситном состоянии. В этом случае эффект памяти связан сособенностями деформации мартенситных кристаллов. К основнымструктурным механизмам обратимой деформации гетерофазной структуры,обеспечивающим проявление памяти формы, можно отнести:- деформационное двойникование и образование кристаллов мартенситановых ориентационных вариантов в существующем мартенсите принагружении;- движение границ между имеющимися двойниками превращения;- движение когерентной границы между кристаллами мартенсита разныхориентировок;- движение когерентной межфазной границы мартенсита с аустенитом приснятии нагрузки.Рассмотрение механизмов неупругой деформации и эффектов памятиформы позволяет выделить несколько факторов, влияющих накристаллографическую обратимость мартенситного превращения инеупругой деформации, в том числе возможностью формированиесамоаккомодационных комплексов, отдельные кристаллы мартенсита вкоторых, разделены плоскостью двойникования [1,2].
Это накладываетопределенные ограничения на ориентационные соотношения – не все из нихдопускают формирование самоаккомодационных комплексов. В отличие отостальныхфактороввозможностьсамоаккомодацииподдаетсяпрогнозированию путём соответствующего кристаллографического расчёта,что и определило цель диссертации: установить корреляцию междунаблюдением эффектом памяти формы в сплавах с неупорядоченнойрешеткой с особенностью двойниковой структуры мартенситных кристаллов- возможностью формирования самоаккомодационных комплексов.Вторая глава диссертации содержит изложение матричного методаописания кристаллических решеток, ориентационных соотношений,операторов симметрии и двойникования, соответствующую методикурасчёта характеристик самоаккомодационных комплексов мартенситныхкристаллов.
Обращается внимание на необходимое условие формированиясамоаккомодационныхкомплексов:возможностьпереходамеждукристаллографическиэквивалентнымивариантамиориентационногосоотношения путём двойникования, т.е. наличие плоскостей двойникования,параллельных плоскостям симметрии решетки аустенита.
Т.к. во всех9сплавах с эффектами памяти формы аустенит имеет кубическую решетку,фактически речь идёт о девяти плоскостях аустенита типа {100} и {110}.Обращается внимание, что самоаккомодационное двойникованиекристаллов мартенсита, не приводит к появлению дополнительныхрефлексов на картинах дифракции, на чём основывается используемоепредставление результатов анализа двойниковой структуры кристалловмартенсита в виде модельных рентгенограмм, допускающих сравнение сэкспериментальными.
(В отличие от традиционного построения совместныхстереографических проекций, на которых отмечаются выходы нормалей кплоскостям решетки аустенита и различных вариантов ориентации решетокмартенсита с учётом их двойникования).В настоящей работе был использован разработанный на кафедре физикитвердого тела физического факультета МГУ пакет программ длямоделирования точечных картин дифракции на двухфазных кристаллах,дополненный блоком учёта двойникования кристаллов мартенсита.Моделирование дифракционной картины в масштабе реальногоэксперимента с выводом её на дисплей занимает около 1 секунды - основноевремя тратится на ввод необходимых параметров в интерактивное окнопрограммы (рис. 2).Использование программы облегчает процедуру расчёта и имеет целыйряд ценных для анализа возможностей.
Например, она позволяетпрактически мгновенно решить вопрос о параллельности плоскостидвойникования мартенсита одной из плоскостей симметрии аустенита. Дляэтого надо сравнить модельную рентгенограмму без учета двойникования смодельнойрентгенограммой,учитывающейдвойникованиепоинтересующей плоскости. В случае совпадения этих рентгенограмм, т.е. еслидвойникование не добавляет рефлексов, параллельность выполняется точно(рис. 3 а, б). Небольшое распараллеливание плоскости двойникованиямартенсита и плоскости симметрии аустенита (осуществленное путёмизменения индексов плоскости (1 0 −8) 18R на индексы (1 0,01 −8) 18R ,чтосоответствует углу поворота менее 1°), приводит к кардинальнымизменениям на модельной рентгенограмме, которые без усилийраспознаются визуально (рис. 3 в).
Значения параметров решеток,ориентационное соотношение, плоскость двойникования, границы спектра10рентгеновского излучения, ориентация кристалла аустенита относительнопервичного пучка представлены в окне программы.Рисунок 2 . Интерактивное окно программы моделирования точечныхкартин дифракции на двухфазных кристаллах11бавРисунок 3Модельная рентгенограммамонокристалла аустенита сплаваCu-Ni-Al с рефлексами мартенситаа. без учёта двойникования;б.
сдвойникованного по плоскости(1 0 −8) 18R , параллельнойплоскости симметрии аустенита;в. небольшое распараллеливаниеприводит к видимым изменениямна модельной рентгенограмме.Третья глава содержит результаты расчётов и анализа выполнениякристаллографических условий самоаккомодации в твёрдых растворах наоснове d-переходных металлов (Mn, Co, Fe, Ni, Zr), которые представляют12наибольший интерес с точки зрения перспективы их применения всовременной технике и медицине.Практически во всех сплавах с эффектами памяти высокотемпературнаяфаза является кубической, а около ¾ структур металлов принадлежат кодному из трех типов (ГЦК, ОЦК, ГПУ), Поэтому, прежде всего, былирассмотрены взаимные сопряжения трёх типов решеток на конкретномпримере мартенситных превращений в кобальте (ГЦК→ ГПУ), железе(ГЦК→ ОЦК) и титане (ОЦК→ ГПУ). В сплавах других металловразнообразия ориентационных соотношений между этими типами решетокожидать не следует, т.к.
сопряжение обычно происходит поплотноупакованным плоскостям решеток мартенсита и аустенита. Например,наличие плотноупакованных плоскостей в ГЦК и ГПУ структурахобусловливает взаимную ориентацию решеток β-ГЦК и α-ГПУ фаз вкобальте. В ОЦК решетке наибольшей плотностью упаковки обладаетплоскость (110), что и определяет сопряжение кристаллических решетокпри перестройках ОЦК → ГПУ, ОЦК→ ГЦК, ГЦК → ОЦК.Вторую группу объектов составляют сплавы, в которых мартенситноепревращение вызывает дисторсию решетки аустенита, понижая кубическуюсимметрию до тетрагональной, орторомбической, ромбоэдрической,моноклинной.
При небольших дисторсиях величина угла междупроизвольной плоскостью решетки аустенита и плоскостью решеткимартенсита с теми же индексами Миллера будет незначительной. Этокасается и плоскостей симметрии решетки аустенита, для каждой из которыхнайдется «почти параллельная» ей плоскость решетки мартенсита, имеющаяте же индексы Миллера. В таких сплавах необходимые условиясамоаккомодации будут выполняться, но выполняться лишь приблизительно.Поэтому анализируя сплавы, где самоаккомодация зафиксированаэкспериментально, можно оценить допустимую величину угловраспараллеливания между плоскостями симметрии аустенита и плоскостямидвойникования мартенсита, при которых самоаккомодация ещё возможна.Такая оценка проведена при рассмотрении сплавов на основе γ-марганца.Твердые растворы на основе γ-марганца испытывают мартенситныепревращения, связанные с изменениями магнитной структуры (переход13парамагнетик – антиферромагнетик) и приводящие к тетрагональному илиорторомбического искажению γ-ГЦК решетки аустенита.В сплавах Mn – Cu в процессе охлаждения реализуется мартенситноепревращение ГЦК → ГЦТ с отношением c/a < 1 ; В системе Mn–Fe взависимости от концентрации реализуются тетрагональные структурымартенсита как с отношением c/a < 1 , так и с отношением c/a > 1.Орторомбический мартенсит формируется в сплавах системы Mn – Ni.
Длясплавов всех трех систем характерно непрерывное изменение параметроврешетки мартенсита в области температур непосредственно нижетемпературы начала мартенситного превращения Ms [3].Мерой величины тетрагонального искажения может служить отношениепараметров решетки cτ /aτ = τ . Матрицы ориентационных соотношенийрассчитывались для предельно большого значения отношения τ с цельюоценки предельных значений углов распараллеливания, при которыхсамоаккомодационные комплексы наблюдались экспериментально [3] .Возможно несколько форм записи ориентационные соотношения междуаустенитом и тетрагональным мартенситом, например{100}〈0 1 1〉 A || {100}〈0 1 1〉 M ,{011}〈0 1 1〉 A || {011}〈0 1 1〉 M ,{111}〈1 1 0〉 A || (111)[1 1 0]M ,{011}〈1 1 1〉 A || (011)[1 1 1] M ,{111}〈10 1〉 A || (111)[10 1 ]M .Определить, какое именно из этих ориентационных соотношенийвыполняется в конкретном сплаве, достаточно сложно, т.к.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
