Влияние деформации на мартенситные превращения и эффект памяти формы в сплавах на основе никелида титана тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

' / - . / 9 п и — х

/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ

ОБРАЗОВАНИЮ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИМПЛАНТАТОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ ПРИ СИБИРСКОМ ФИЗИКО-

ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МАЛЁТКИНА Татьяна Юрьевна

ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИИ НА МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В СПЛАВАХ НА

ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА

Специальность 01.04.07 - физика твёрдого тела

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор В.Э. Гюнтер

Научный консультант -доктор медицинских наук профессор А.В. Староха

Томск - 1999

Содержание

стр.

Введение............................................................................................. 4

1. Мартенситные превращения и эффекты памяти формы в сплавах на основе ТлМ..............................................................................................................................12

1.1 Диаграмма состояния и кристаллическая структура (3-фазы

никелида титана .....................................................................

1.2. Диаграмма мартенситных превращений никелида титана и сплавов на его основе............................................................ 19

1.3. Кристаллическая структура и кристаллографические характеристики мартенситных фаз в никелиде титана................. 23

1.4. Эффекты памяти формы в сплавах на основе Тл№.............. 26

1.4.1. Влияние внешнего напряжения на мартенситные превращения .......................................................................... 26

1.4.2. Структурный механизм мартенситной деформации и эффекта памяти формы................................................... 35

1.4.3 Связь мартенситной деформации и эффектов памяти формы с механическими свойствами в сплавах на основе ТТО............................................................................... 47

1.4.4 Влияние предварительной пластической деформации на параметры эффектов памяти формы..............................

2. Постановка задачи. Материалы и методы исследования.....

2.1. Постановка задачи................................................................. 58

2.2. Материалы и методы исследований..................................... 63

3. Влияние внешней нагрузки на параметры эффекта памяти формы в сплавах на основе никелида титана................................................68

титана .....................................................................................

3.2 Влияние внешнего напряжения на параметры эффекта памяти формы и температурные интервалы мартенситных пре-

вращений сплава ТН-10....................................................................................................................75

4. Влияние деформации на мартенситные превращения и эффекты

памяти формы в двойных сплавах на основе TiNi..........86

4.1. Влияние пластической деформации на характеристические температуры мартенситных превращений в сплавах на основе TiNi ........................................................................................................................................................................86

4.2. Влияние деформации на эффекты памяти формы..........................98

5. Влияние температурно-силового воздействия на характеристики

эффекта памяти формы в сплавах на основе TiNi............107

5.1. Влияние температуры на изменение внутренних напряжений предварительно деформированного сплава на основе TiNi... ^8

5.2. Структурные превращения при эффекте памяти формы в температурном интервале Мн Md в сплавах на основе TiNi ' 17

5.3. Температурная зависимость изменения напряжений при охлаждении после деформации сплавов на основе TiNi..................* 28

5.4. Влияние деформации на характеристики кристаллических структур сплава ТН-10......................................................................................................................140

Приложение. Разработка имплантируемых конструкций дилати-

рующих систем из сплавов на основе TiNi в оториноларингологии 149

1. Эндопротез-дилататор для формирования лобно-носового соустья............................................................................................................................................................................................150

2. Дистракторы-носорасширители для эндоназальной хирургии 154

Выводы........................................................................................................................................................................................158

Литература ..........................................................................................................................................................................160

Введение

В 50 - 60-е годы были открыты необычные свойства памяти формы и сверхэластичности при фазовых превращениях мартенситного типа у целой серии сплавов на основе цветных и благородных металлов. Научной основой для понимания этих свойств в металлических материалах явилось представление о фазовых переходах в твёрдом теле и термоупругом равновесии при фазовых переходах мартенситного типа, развитое Г.В. Курдю-мовым и Л.Г. Хандросом в конце 40-х годов [1-3]. Широкие перспективы практического использования уникальных свойств сплавов активизировали экспериментальные и теоретические исследования мартенситных превращений и обусловленных ими эффектов памяти формы и сверхэластичности, что привело к созданию новых научных направлений на стыке физики, техники и медицины [4-7].

Использование сплавов с памятью формы в конкретных конструкциях и устройствах требует специального исследования, выбора и разработки сплавов с определёнными параметрами формоизменения применительно к каждому техническому решению с учётом конструктивных особенностей и условий использования.

Основные направления применения сплавов с памятью формы в медицине связаны с использованием их меняющихся физико-механических свойств при изменении температуры, напряжения и деформации. Наряду с общими требованиями высокой прочности и пластичности, упругости и жёсткости, износостойкости и вязкости разрушения к механическим свойствам сплавов, проявляющих эффекты памяти формы, предъявляются специальные требования - высокая степень восстановления формы (то есть низкий уровень недовозврата г|), большая величина обратимой деформации при нагреве (е0бр), низкие значения напряжения мартенситного сдвига в мартенситном состоянии (ст^), способность сплавов создавать в заданном температурном интервале значительные по величине напряжения

(создавать заданный уровень развиваемых усилий), большая величина максимального напряжения мартенситного сдвига и высокие значе-

ния максимальной температуры М<ь при которой возможно возникновение мартенсита под действием напряжений. Сплавы на основе интерметаллического соединения Тл№ проявляют весь комплекс данных свойств [5,8,9,10].

Имеющийся в литературе материал свидетельствует о сложных закономерностях влияния различных факторов на формовосстановление и другие характеристики эффектов памяти формы в сплавах на основе ИМ как при нагревании, так и при охлаждении.

Установлено, что закономерности проявления неупругих свойств (эффект памяти формы и сверхэластичности) зависят от состава сплавов, структуры мартенситных фаз и предмартенситных состояний, количества и последовательности мартенситных превращений, упругих и пластических свойств сплава и предшествующих термической и механической обработок.

Мартенситное превращение, являясь существенно неравновесным процессом, неизбежно сопровождается образованием дефектной макроструктуры и неоднородных полей внутренних напряжений. Анализ литературных данных показывает, что пластическая деформация в сплавах на основе никелида титана может реализовываться за счёт мартенситного превращения В2 <-» В19' [4,9]. Вклад пластической деформации в этом случае зависит от химического и фазового состава сплава и уровня его предела текучести [9,10]. Присутствие внешнего напряжения усиливает этот процесс и тем больше, чем больше величина напряжения [9-13]. При охлаждении напряжённого материала через интервал мартенситных превращений происходит накопление деформации за счёт ориентирующего роста мартенситных кристаллов, а при нагреве имеет место обратный процесс - возврат деформации. Закономерности данного обратимого эффекта изменения формы качественно достаточно хорошо изучены в эксперименте. При

этом величина внешнего напряжения выбиралась, как правило, таким образом, чтобы не превышать ресурса мартенситной деформации [9-13]. Вместе с тем при практическом использовании внешнее напряжение часто достигает таких значений, когда начинает давать свой вклад пластическая составляющая деформации, которая может как стимулировать мартенситное превращение, так и подавлять его. Параметры эффекта обратимого изменения формы при этом значительно изменяются, смещается и температурный интервал формоизменения. Таким образом, величина и параметры эффекта будут определяться результатом конкуренции двух одновременно протекающих процессов - мартенситной и пластической деформаций. Систематических исследований данного вопроса не проводилось.

Приводя к деформационному упрочнению материала, предварительная пластическая деформация вызывает рост его предела текучести и, как следствие, препятствует пластическому течению при обратимом изменении формы под постоянным внешним напряжением. В результате вклад пластической деформации сводится к минимуму и возрастает доля мартенситной деформации, обусловливающей высокую степень восстановления формы при эффекте памяти формы [14]. С другой стороны высокая плотность дефектов в результате пластической деформации препятствует реализации мартенситных превращений в полном объёме материала и может снижать параметры эффекта памяти формы. Таким образом, сочетанием предварительной деформации материала и внешней нагрузки можно не только регулировать параметры обратимого изменения, но и достичь высоких значений мартенситной деформации и степени восстановления формы. Для этого необходимо знать закономерности влияния пластической деформации на характеристики мартенситных превращений и параметры эффектов памяти формы в зависимости от величины нагрузки, фазового состава сплава, предела текучести и предварительной термомеханической обработки материала. Несмотря на практическую значимость, систематических исследований по данной проблеме проводилось очень мало. Мно-

гочисленные работы специалистов [13-26] не дают ответа на конкретные вопросы влияния деформационного наклёпа на параметры эффектов памяти формы в сплавах на ИМ. В работах [9,13-16,24] показано, что в ни-келиде титана интенсивность развития пластической деформации и, соответственно эффективность проявления свойств памяти формы, зависят от механических свойств материала, характера и условий реализации мартен-ситного превращения В2 <-» В19'. При этом главными условиями низкого вклада пластической составляющей деформации и обеспечения высоких параметров памяти являются предмартенситная неустойчивость решётки, наличие «мягкого» модуля в момент превращения и высокий предел текучести матрицы [9,12]. Понижение модуля сдвига в интервале мартенситных превращений в условиях низкого предела текучести может привести к интенсификации пластической деформации [9,25]. Исследования влияния деформации на характеристики мартенситных превращений и эффекты памяти формы проводились, как правило, после деформации материала в мартенситном состоянии [20,26]. Было обнаружено, что предварительная деформация в мартенситном состоянии значительно расширяет интервалы мартенситных превращений, смещая температуру начала фазовых переходов в область более высоких температур, а температуру их завершения в область низких температур [21]. В работе [23] сделан вывод, что температуры начала мартенситных превращений Мн и Ан изменяются только до деформации 7 %, а затем практически не изменяются. По данным разных авторов [20,22,23] величина обратимой деформации и степень восстановления формы с увеличением предварительной деформации растут и достигают максимума при деформации растяжением на 7-12 %, а увеличение деформации подавляет эффекты памяти формы. В то же время в работе [13] показано, что очень малая деформация (0.3 %) приводит к недовозврату. Можно предположить, что неоднозначность приведённых выше данных обусловлена разным составом исследуемых сплавов и различной предшествующей термомеханической обработкой, значительно изменяющей

структуру сплавов. Немаловажное значение имеет в этом случае способ деформации, её скорость и методы исследования. Практически нет экспериментальных исследований закономерностей изменения формы при напряжениях, вызывающих деформацию, превышающую ресурс мартенсит-ной деформации. Отсутствуют исследования по влиянию предварительной деформации и температуры деформирования на параметры формоизменения под постоянной нагрузкой и в условиях фиксированной деформации с одновременным исследованием параметров тонкой кристаллической структуры. Представляет несомненный интерес исследование влияния деформации на характеристики мартенситных превращений на всех стадиях деформационного упрочнения вплоть до аморфизации или разрушения материала.

В данной работе исследовано влияние деформации на мартенситные превращения и параметры эффектов памяти формы в сплавах на основе никелида титана.

Работа содержит введение, 5 глав, приложение, выводы и список цитируемой литературы. Содержание разделов следующее.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы исследования закономерностей мартенситных превращений и проявления эффектов памяти формы. Рассмотрены основные характеристики мартенситных превращений и их изменение под влиянием внешнего напряжения и деформации материала. Особое внимание уделено мартенеитным превращениям в сплавах на основе Т1№ и обусловленным ими закономерностям проявления неупругих свойств в зависимости от состава сплавов, структуры мартенситных фаз и предмартенситных состояний, количества и последовательности мартенситных превращений, упругих и пластических свойств сплава и предшествующей термической и механической обработок. Проведён критический анализ исследований по влиянию деформации на характеристики мартенситных превращений и параметры эффектов памяти формы и физико-механические свойства сплавов на основе Тл№.

В качестве наиболее информативных методов решения этих проблем выделены рентгеноструктурный анализ, методы электросопротивления и макродеформации.

Вторая глава посвящена постановке задач и обоснованию выбора материалов. Описаны способы получения сплавов, изготовления образцов для испытаний и экспериментальные методики.

В третьей главе настоящей работы изложены результаты исследования закономерностей влияния внешнего напряжения на характеристики эффекта памяти формы под постоянным внешним напряжением в широком интервале температур. Внешнее напряжение изменяет подвижность межфазных границ раздела и оказывает ориентирующее влияние на зарождение и рост мартенситных кристаллов. Установлено, что параметры эффектов памяти формы в сплавах на основе ИМ существенно зависят от величины приложенного напряжения, фазового состава сплава, температуры нагружения и величины критического напряжения мартенситного сдвига. Наибольшая деформация материала в процессе приложения нагрузки наблюдается в двухфазной области, соответствующей малым значениям критического напряжения мартенситного сдвига. При этом эффект памяти формы наиболее полно реализуется после предварительного нагружения в высокотемпературном состоянии с величиной внешней нагрузки порядка 100 МПа. При увеличении нагрузки происходит заметное накопление пластической деформации и уменьшение величины обратимой деформации.

В четвёртой главе рассмотрены особенности влияния предварительной деформации растяжением и прокаткой на характеристические температуры начала мартенситных превращений и параметры эффекта памяти формы: величину общей деформации, накопленной при термоциклирова-нии под нагрузкой, обратимую и остаточную деформации. Установлена нелинейная зависимость характеристических температур начала мартенситных превращений от величины деформации. Интенсивное понижение температур Тр> и Мн при небольшой величине предварительной деформа-

ции прокаткой связано с формированием упруго-напряжённого состояния, обусловленного накоплением необратимых дефектов дислокационной природы, препятствующих движению межфазной границы. Дальнейшее увеличение степени пластической деформации ведёт к увеличению упругих полей напряжений. В локальных областях величина внутренних напряжений становится достаточной, чтобы стимулировать образование мартенсита при более высоких температурах. Температуры начала мартенситных превращений при этом повышаются. Минимум на зависимости характеристических температур начала мартенситных превращений от степени предварительной деформации зависит от состава сплава и его предела текучести.

Предварительная пластическая деформация до уровня 20 30 % приводит к значительному снижению деформации нагружения, общей накапливаемой при формоизменени