Методом оптической микроскопии in-situ и рентгеноструктурного анализа исследовано развитие термоупругого мартенситного превращения при изотермическом нагружении сплава Ti49.4Ni50.6 в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Приведены данные, свидетельствующие об эстафетном механизме распространения мартенситного превращения при обеих зеренных структурах. Рассмотрены обнаруженные особенности локализации мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях при субмикрокристаллической структуре. Установлена взаимосвязь между локализацией мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях и деформационным поведением сплава Ti49.4Ni50.6 в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Развита концепция, согласно которой локализация мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях при изотермическом нагружении в предмартенситном состоянии является следствием неоднородности напряженного состояния поликристаллического агрегата.

На основе результатов экспериментальных исследований температурной зависимости предела текучести монокристаллов TiNi сплавов и механизма механического двойникования В2-фазы как локального обратимого фазового превращения мартенситного типа проведено исследование асимметрии механического поведения при растяжении и сжатии указанных мматериалов в направлении [001], показано, что особенностью этого механизма является то, что критической модой дисторсии, определяющей напряжения механического двойникования, является однородная деформация превращения типа деформации Бейна. Для анализа асимметрии этих напряжений при растяжении и сжатии введено понятие фактора нормальных напряжений. приведенных к главным осям тензора однородной деформации превращения. Показана возможность использования этого фактора для анализа асимметрии механического поведения монокристаллов сплавов TiNi.

Исследована температурная зависимость напряжений предела текучести/мартенситного сдвига, кривых сжатия s(e) и механизмов пластической деформации в монокристаллах сплава TiNi(Fe, Mo), ориентированных вдоль направления [001]. Показано, что инициированное напряжением мартенситное В2 ® В19¢ превращение и механическое двойникование в В2-фазе являются основными микромеханизмами деформации во всем исследованном интервале температур (300-773 K). Переход к локальному действию этих механизмов на мезоуровне деформации при Т > Мd приводит к изменению наклона кривых s0.1(Т) при сжатии.

Представлен обзор современных ключевых проблем, касающихся теоретических и экспериментальных физических исследований сплавов на основе никелида титана, рекордных по конструкционным и функциональным характеристикам среди материалов с термоупругими мартенситными превращениями и эффектами памяти формы, широко применяемых в технике и социально значимых сферах деятельности. Обсуждаются общие подходы к описанию фазовых переходов мартенситного типа, вопросы устойчивости кристаллической решетки при термоупругих мартенситных превращениях, микроскопические модели предпереходного состояния, механизмы зарождения и роста мартенситных фаз в сплавах на основе TiNi. Подробно освещены закономерности стуруктурообразования, фазовых превращений (бездифффузионных и диффузионно контролируемых), влияние многокомпонентного легирования. Приведены фазовые диаграммы бинарных сплавов, тройных и ряда четверных, охватывающие практически все важные материалы на основе никелида титана. Рассмотрены неупругое поведение и эффекты памяти формы, сверхупругости, сверхпластичности, физические и механические свойства сплавов. Отдельно исследуются поведение и свойства монокристаллов данных сплавов. Анализируются электронные свойства, природа и роль точечных дефектов в сплавах, метастабильных по отношению к мартенситным переходам. Монография адресована широкому кругу специалистов в области физики сплавов, материаловедения, инженерных и медицинских наук, а также преподавателям, аспирантам и студентам физических, металлургических, технических и медицинских вузов.

Методом оптической металлографии in-situ исследованы закономерности развития мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях в крупнозернистом и субмикрокристаллическом никелиде титана в ходе изотермического нагружения при 295 K. Установлены особенности развития мартенситного превращения в субмикрокристаллическом состоянии по сравнению с крупнозернистым состоянием.??.

В работе представлены результаты исследований влияния трехсторонней ковки при 873...673 K на микроструктуру, фазовый состав и мартенситные превращения в никелиде титана. Показано, что при понижении температуры ковки увеличивается объемная доля субмикрокристаллической фракции, а после ковки при 673 K субмикрокристаллическая фракция преобладает, присутствует наноструктурная фракция (~30 %) и встречаются единичные зерна размером ~ 1 мкм. Установлена корреляция размеров фрагментов зеренно-субзеренной структуры TiNi с их фазовым составом. Обнаружена смена последовательности мартенситных превращений при охлаждении образцов, деформированных при 873...673 K.

Исследовано структурно-фазовое состояние и механические свойства композиционных материалов TiC-TiNi, легированных железом. Установлено, что при спекании каркаса карбида титана с железом и последующей пропитке никелидом титана атомы железа диффундируют в матрицу, образуя градиентную по химическому составу и свойствам В2 структуру с различными температурами мартенситного превращения, что проявляется в расширении и смещении в область низких температур гистерезиса мартенситных превращений при увеличении концентрации железа. Показано, что при комнатной температуре прочностные свойства композиционных материалов TiC-TiNI с радиентной матрицей возрастает при увеличении концентрации железа.

В приближении малых деформаций с использованием модели мартенситных превращений, основанной на концепции «замерзания» кооперативных тепловых колебаний атомов плотноупакованных плоскостей в металлах, проведен теоретический анализ тензора дисторсии при образовании {113}-двойника деформации механизмом прямого плюс обратного (по альтернативной системе) мартенситного превращения в В2-фазе никелида титана. Показано, что в рамках этого механизма хорошо описывается не только угол переориентации, но и плоскость габитуса двойника.??.

Исследованы эволюция микроструктуры и изменение температур мартенситных превращений сплава Ti49.2Ni50.8 (ат. %) с увеличением величины деформации при изотермической прокатке в ручьевых вальцах (Т= 723 К). Обнаружено, что на начальных стадиях деформации увеличивается размер зёрен. Показано, что при е > 0.2 во всем объёме образца происходит измельчение зёренной структуры по механизму непрерывной динамической рекристаллизации. Установлено, что до деформации е ~ 0.2 температуры мартенситных превращений изменяются немонотонно и далее практически остаются постоянными, что объясняется протеканием процессов динамической рекристаллизации.

Методами оптической и электронной просвечивающей микроскопии, рентгеноструктурного анализа, наноиндентирования, определения величины износа, механических испытаний на одноосное растяжение изучено влияние ультразвуковой ударной поверхностной обработки на тонкую структуру и механические характеристики поверхностных слоев и деформационное поведение объемных образцов монокристалла TiNi(Fe, Мо).

Проведено электронно-микроскопическое исследование структурных превращений в [001] монокристаллах TiNi(Fe,Mo) при интенсивной пластической деформации кручением под давлением (ИПДК) в зависимости от степени деформации.

Исследовано влияние больших пластических деформаций при "abc"-прессовании в интервале температур 873-573К на микроструктуру и мартенситные превращения в никелиде титана. Показано, что при пониженных температурах деформирования формируется смешанное ультрамелкозернистое состояние сплава на основе субмикрокристаллической и наноструктурной фракций. Построена диаграмма мартенситных превращений при охлаждении и нагреве деформированных образцов. Изучено влияние температуры "abc"-прессования на эффект памяти формы в никелиде титана.

Методами электронной просвечивающей микроскопии исследованы механизмы пластической деформации кристаллов TiNi(Fe, Mo) при сжатии в интервале мартенситного превращения, наведенного напряжением. Установлено, что важным механизмом деформации в этом интервале, наряду с механическим (1000 двойникованием мартенсита В19. является формирование двойников В2-фазы путем обратного мартенситного превращения по другой системе.

Показано, что холодная прокатка формирует нанокристаллическую структуру в субмикрокристаллическом исходном сплаве Ti49.2Ni50.8 (ат. %) с последовательностью мартенситных превращений В2<->R<->В19` (кубическая, ромбоэдрическая и моноклинная фазы, соответственно) и монофазной структурой В19` ниже 260 K. 90 % объема нанокристаллического сплава сохраняют В2-структуру с высоким уровнем остаточных напряжений при 140 K. Увеличение объемной доли нанокристаллического сплава с мартенситными превращениями В2<->R<->В19` и повышение температур этих мартенситных превращений коррелирует с релаксацией искажений кристаллической решетки В2-фазы в процессе последующих отжигов до начала активного роста зерен.??.

Термоупругие мартенситные превращения в сплавах на основе никелида титана - сложный иерархический процесс, происходящий на разных масштабно-структурных уровнях. Однако возможность протекания и температуры данных превращений во многом обусловлены особенностями электронной структуры данных сплавов. В данном обзоре на основе собственных экспериментальных результатов по исследованию электронной структуры и анализа зонно-структурных расчетов анализируется природа структурной нестабильности высокотемпературной В2-фазы сплавов на основе TiNi и В2-интерметаллидов титана. Показано, что представление о том, что в основе мартенситных превращений в интерметаллидах TiMe лежит склонность титана к полиморфному превращению, которое становится возможным в решетке соединения, позволяет сформулировать критерии, опираясь на которые, можно управлять температурами мартенситных превращений. Анализируются также особенности электронной структуры, обусловливающие прекурсорные эффекты в данных сплавах.

Электронно-микроскопическим и рентгенодифракционным методами исследованы микроструктура и фазовый состав сплава Ni50Ti40Zr10, изучены особенности его атомно-кристаллической и тонкой структур, сформировавшихся после применения двух термообработок, различающихся только скоростями охлаждения образцов после отжига при одинаковой температуре. Сделан вывод и о сильном влиянии скорости охлаждения на полноту мартенситного превращения (МП). Учитывая, что в сплавах на основе никелида титана изменение химического соотношения компонентов Ni и Ti является главным рычагом в управлении МП, можно предполагать, что неполное МП в закаленном сплаве и, напротив, почти полное МП в медленно охлажденном сплаве являются следствием различия химического состава исходной фазы В2, установившегося после образования вторичных фаз.

Нейтронографически исследовано влияние изохронного отжига на атомный порядок, предмартенситные явления и мартенситные превращения (МП) закаленного сплава Ti49Ni51. Обнаружено, что в результате отжигов изменяется не только последовательность МП, но и тип предмартенситных структур сдвига. Эволюция предмартенситных явлений, МП и параметров реальной структуры никелида титана обсуждается в тесной связи.

Экспериментально исследована эволюция параметра атомного дальнего порядка S и температуры начала мартенситного превращения (МП) из В2-фазы в моноклинный мартенсит В19 (Мн) в монофазных двойных сплавах на основе TiNi (50-52 ат.% Ni). На основе этих данных построен полином Мн (X,S), связывающий Мн, состав В2-фазы (Х) и параметр S. Проанализирован прогнозируемый полином Мн (X,S), характер изменения Мн при протекании различных физических процессов: разупорядочения при неизменном составе В2-фазы, концентрационные зависимости Мн при постоянном S и различные варианты возможных воздействий на В2-фазу. в результате которых изменения S и Х реализуются одновременно, но синхронизированы различного типа зависимостями S(X). Определена область значений Х и S. Вклад от изменений S в общее изменение Мн (Х,S). когда Х и S меняются одновременно, быстрое уменьшается при увеличении Х от 0,5 в сплавах с 50,0-50,5 ат.% N до 0,18 при Х=53 ат.%Ni. Полученные при анализе Мн (X,S) следствия сопоставлены с немногочисленными результатами качественных наблюдений, в которых фиксировали разупорядочение TiNi.

В продолжение исследований высокотемпературных сплавов с ЭПФ Ti50-xNi50Zrx (разрез TiNi-ZrNi на тройной диаграмме Ti-Ni-Zr) в настоящей работе изучены сплавы Ti50-xNi50Zrx (разрез TiNi-TiZr, х=1, 4, 6, 10 ат. % Zr). Обнаружено, что максимальная растворимость Zr в В2-фазе вдоль разреза TiNi-TiZr достигает 6 ат.%. Сплавы с содержанием Zr менее 6 ат.% характеризуются практически однофазной высокотемпературной В2-струтурой. Сплавы с содержанием Zr от 6 аот. % и выше содержат кроме основных В2- и В19'-фаз до 40 об. % вторичных фаз, что оказывает существенное влияние как на характер протекания МП, так и на физические свойства сплавов. Так, с увеличением концентрации Zr уменьшается полнота МП, понижаются температуры МП, увеличивается до 70 град гистерезис МП. С практической точки зрения, ценными являются обнаруженные в настоящей работе факты: а) уменьшение фазового наклепа в высоколегированных цирконием сплавах, означающего, что эти сплавы обладают более высокой циклостойкостью, по сравнению с низколегированными; б) наличие в них широкого гистерезиса.

По данным испытаний малоразмерных образцов с шевронным надрезом определены характеристики трещиностойкости технического титана ВТ1-0, титанового сплава ВТ6, трубной стали 12ГБА и сплава Fe-Ni с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, полученной методами интенсивной пластической деформации (ИПД). В качестве основной характеристики трещиностойкости определена удельная энергия разрушения. Предложена новая характеристика вязкости разрушения при испытании малоразмерных образцов с шевронным надрезом — относительная величина смещений точек приложения нагрузки, не связанная с изменением податливости образца в результате распространения трещины. Исследовано изменение удельной энергии разрушения в процессе нагружения образцов с шевронным надрезом.

Исследованы эволюция микроструктуры и изменение температур мартенситных превращений сплава Ti49,8 Ni50,2 (ат. %) с увеличением степени деформации при изотермическом аЬс-прессовании (Т = 723 К). Обнаружено, что на начальных стадиях abc-прессования в области ковочного креста происходит резкое увеличение размера зерен, в некоторых случаях превышающий исходный размер почти на порядок. Проанализированы возможные механизмы формирования такой структуры. Показано, что при степенях истинной деформации е>2 во всем объеме образца происходит измельчение зеренной структуры по механизму непрерывной динамической рекристаллизации, приводящее к формированию однородной мелкозернистой структуры с высокой объемной долей субмикрокристаллической и наноструктурной фракций. Установлено, что при всех исследованных степенях деформации температуры мартенситных превращений практически остаются постоянными, что объясняется интенсивным протеканием процессов динамического и постдинамического возврата, а также образованием мартенситной фазы при охлаждении от температуры прессования.

Методом нейтронографии с привлечением методов рентгенографии и электросопротивления на образце монокристалла сплава Ti49Ni51, закаленного из области гомогенности В2-фазы. исследована широкая область обратного пространства В2 структуры в плоскости (001) перед мартенситным превращением.

Экспериментально исследованы закономерности развития В2-В19' мартенситных превращений под сжимающей нагрузкой в монокристаллах Ni45.3Ti29.7Hf20Pd5 (ат. %) после отжига при 1173 К в течение 3 ч в зависимости от ориентации - [1 17] и [011]. Наблюдается сильная ориентационная зависимость уровня критических напряжений образования мартенсита под нагрузкой сигма сг, величины механического гистерезиса Дельта сигма и обратимой деформации эпсилон tг. Значения коэффициента альфа = 5-6 МПа/К, описывающего рост напряжений образования мартенсита с увеличением температуры, слабо зависят от ориентации и наблюдается развитие высокотемпературной свехэластичностью (выше 373 К) до 425-450 К.??.

В приближении малых деформаций с использованием модели мартенситных превращений, основанной на концепции "замерзания" кооперативных тепловых колебаний атомов плотно упакованных плоскостей в металлах, проведен теоретический анализ тензора дисторсии при образовании {113} двойника деформации механизмом прямого плюс обратного (по альтернативной системе) мартенситного превращения в В2-фазе никелида титана. Показано, что в рамках этого механизма хорошо описывается не только угол переориентации, но и плоскость габитуса двойника.

Представлены экспериментальные данные о формировании наноструктуры в крупнозернистом и субмикрокристаллическом никелиде татана при глубокой пластической деформации в предмартенситном состоянии и последующем отжиге. Рассмотрено влияние размера зерен при нано- и субмикрокристаллической структурах на развитие мартенситных превращений.

Теоретически и экспериментально изучен характер структурно-фазовых превращений в поверхностном слое инструментальной металлокерамики "карбид титана-никель-хромовая связка" при электронном облучении. Математически проанализировано термическое влияние электронного облучения на структуру приповерхностного слоя композиционного материала дисперсного строения, проведены количественные оценки глубины зоны структурно-фазовых превращений. Экспериментально исследованы микроструктура и концентрационный профиль распределения титана в металлическом связующем после импульсного электронного облучения.

Исследованы особенности формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в двойном сплаве на основе никелида титана при ступенчатом теплом (673-573 К) abs-прессовании. Установлено, что в результате прессования возникает микроструктура смешанного типа на основе субмикрокристаллической (СМК) и нанозеренной составляющих, причем последняя наблюдается в основном в микрополосах локализации деформации. Изучено изменение фазового состава никелида титана при 295 К после abs-прессования.

Методом дифракционного кино с использованием синхротронного излучения исследовано in situ деформационное мартенситное превращение в TiNi с различным фазовым составом при комнатной температуре. Показано, что в сплавах с температурным мартенситным превращением возникают апериодические колебания интенсивности рефлексов.

Исследованы кристаллографические особенности распределения зон локализации деформации при растяжении металлических монокристаллов с различной ориентировкой оси растяжения и с разными механизмами пластического течения (дислокационное скольжение и мартенситное превращение). Показано, что кристаллографическая ориентация зон локализации, трактуемых как картины самоорганизации пластического течения, сохраняется на всем протяжении процесса. Рассмотрены некоторые особенности динамики движения очагов локализации деформации.

Книга посвящена одному из современных методов исследований в материаловедении - моделированию атомной структуры дефектов. Включает в себя методически последовательное изложение взаимосвязанных разделов в физике реальных кристаллов, таких как структура и энергия точечных и планарных дефектов, структура ядра дислокаций, компьютерное моделирование взаимодействия дефектов, динамические процессы радиационных повреждений в металлах и сплавах; атомистические расчеты структуры основного состояния микрокластеров и кинетики их превращений и др. Перечисленные разделы являются достаточно устоявшимися направлениями в физике реальных кристаллов и ведены в курсы лекций для студентов физико-технического и металлургического факультетов УрФУ. Большое внимание уделяется связи результатов атомистических расчетов с особенностями поведения реальных металлов и сплавов при деформации, разрушении, радиационном повреждении, фазово-структурных превращениях. Систематизирован богатый литературный материал и результаты работы авторов по изучению дислокационной структуры, особенностей деформации и разрушения монокристаллического Ti3Al. Книга адресована научным работникам, магистрам, аспирантам и студентам старших курсов физико-технических специальностей, а также изучающим дефекты и их влияние на свойства твердых тел.