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.

Приведены результаты исследования влияния трансформации зёренной структуры от крупнозернистой до субмикрокристаллической образцов сплава Ti49.8Ni50.2 (ат. %) в процессе abc-прессования при 723 К на проявления эффектов сверхэластичности и памяти формы при кручении. Показано, что величина неупругой деформации, включающей в себя сверхэластичность и эффект памяти формы, составляет 18.0 % в исходных образцах, 15.8 % в образцах после abc-прессования с е = 0.62 и монотонно увеличивается до 18.3 % при увеличении деформации до е = 8.44.

Исследовано влияние тёплой изотермической (723 К) прокатки в ручьевых вальцах на зёренную структуру, температуры мартенситных превращений и неупругие свойства сплава Ti49,2Ni50,8 (ат. %). Показано, что в результате прокатки с интенсивной деформацией до 1,8 происходит переход от исходной крупнозернистой структуры к формированию микро- и субмикрокристаллической структуры образцов. Проведены исследования неупругих свойств (эффекты сверхэластичности и памяти формы) образцов при деформировании кручением. Величину эффекта сверхэластичности (включая и упругую деформацию), определяли в изотермических (295 К) циклах “нагружение - разгрузка"; величина эффекта памяти формы равна возврату деформации при нагреве разгруженных образцов, а накопленная пластическая деформация соответствовала остаточной деформации после завершения формовосстановления при нагреве. Полная неупругая деформация при кручении прокатанных образцов достигает 8,5 - 9,5 % (при степени формовосстановления 99 %), величина эффекта памяти формы при этом составляет 5-6 %, а сверхэластичности — 3-4 %.

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.??.

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.

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).

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.

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.??.

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.??.

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 е2 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.

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.

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 ионно-модифицированного поверхностного слоя на пластичность, эффект памяти формы и мезоструктуру поверхности разрушения сплава Ni50Ti40Zr10. Установлено, что ионная имплантация приводит к повышению микротвердости поверхностного слоя и к общей пластификации сплава. Мезоструктуры поверхностей излома исходных и имплантированных образцов имеют принципиальные различия. В имплантированных образцах непосредственно под облученной поверхностью формируется слой толщиной, кратной размеру зерна В2-фазы, с характерным мезорельефом, отличным от рельефа неимплантированных образцов, и иными пластическими свойствами. В результате данной поверхностной обработки параметры эффекта памяти формы в образцах не ухудшаются, циклическая термостойкость возрастает.

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.

Методами дифракции обратнорассеянных электронов проведено исследование изменения микроструктуры приповерхностного слоя никелида титана после импульсных воздействий на поверхность образцов сплава потоками ионов кремния средних энергий. Показано, что после ионно-пучкового облучения поверхности образцов наблюдается изменение и фрагментация структуры приповерхностного слоя на глубину 5-15 мкм, меньшую среднего размера исходного зерна исследуемого сплава. Установлено, что характерными особенностями слоя с фрагментированной структурой являются присутствие в нем мартенситной фазы В19' и высокая концентрация межфазных и внутрифазовых границ раздела, линейные размеры фрагментов превышают 1 мкм, измельчение структуры слоя под облученной поверхностью неоднородно и зависит от кристаллографической ориентации исходного зерна. Высказано предположение, что одной из причин интенсивной фрагментации отдельных зерен исходной фазы В2 после ионно-пучковой обработки является близость ориентации основных систем скольжения направлению воздействия ионными пучками. Возможно, это привело к более раннему, по сравнению с остальными зернами, запуску процесса пластической деформации таких зерен и, как результат, частичной фрагментации их структуры.

Исследовано проявление неупругих эффектов (эффект памяти формы и сверхэластичность) в сплаве Ti50Ni47,3Fe2,7 (ат.%) с ультрамелкозернистой микроструктурой, полчуенной при РКУ-прессовании. Показано, что внешние напряжения способны инициировать формирование деформационного мартенсита В19 (моноклинная фаза). Результаты исследований показали, что ультрамелкозернистый сплав Ti50Ni47,3Fe2,7 (ат.%), не испытывающий в ненагруженном состоянии мартенситное превращение в фазе В19 при охлаждении до 77 К, обладает практически значимой величиной эффекта сверхэластичности при 296 К.

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.

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.

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.??.

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.

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.

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.

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.

Исследованы закономерности влияния интенсивной пластической деформации (ИПД) при ультразвуковой обработке (УЗО) на эволюцию дефектов кристаллического строения в поверхностных слоях никелида титана со структурой моноклинного мартенсита В19'. Установлено, сто при возрастании величины ИПД резко увеличивается концентрация как вакансионных, так и плотность дислокационных дефектов и одновременно происходит сильная фрагментация зеренно-субзеренной структуры. В наноструктурном состоянии преимущественно наблюдаются дефекты вакансионного типа на границах зерен, средний объем которых меньше объема равновесных вакансий в TiNi и сравним с величиной свободных объемов в аморфизированных сплавах на основе никелида титана. Обсуждается роль дефектов кристаллического строения в механизмах формирования наноструктурного состояния при ИПД.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование микрополосовых наноструктурных состояний, формирующихся при комнатной температуре в процессе больших деформаций прокаткой сплава V-4Ti-4Cr (ФГУП-ВНИИНМ)ю Показано, что характерными особенностями этих состояний являются: высокие значения кривизны кристаллической решетки; границы с переменными векторами разориентации и высокой плотностью частичных дисклинаций; локальные внутренние напряжения; преимущественный характер переориентации вокруг направлений с высокой плотностью высокоугловых границ . Высказано предположение, что эти особенности, а также возможность очень больших деформаций сплава прокаткой при комнатной температуре, являются результатом пластической деформации и переориентации кристаллической решетки механизмами прямых плюс обратных (по альтернативным системам) мартенситных превращений в полях высоких локальных напряжений.

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 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.

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.

Изучено влияние интенсивной пластической деформации и изотермических отжигов на формирование дислокационной субструктуры в сплаве на основе никелида титана с термоупругим мартенситным превращением. Показано, что особенностью исследованного сплава является высокая скалярная плотность дислокаций, которая сохраняется вплоть до температур 1073 K. Уменьшение плотности дислокаций происходит только в результате термообработок при температуре 1373 K. Установлено, что изменение микроструктуры приводит к изменению скорости накопления остаточной деформации при квазистатическом и циклическом нагружении. На основании экспериментальных данных сделаны предположения о возможности развития дислокационного и мартенситного механизмов деформации.

Проведено электронно-микроскопическое исследование микроструктуры аустенитной стали 02Х17Н14М2 после больших пластических деформаций прокаткой и кручением под давлением в наковальнях Бриджмена. Показано, что основными механизмами формирования дефектной структуры являются механическое двойникование и формирование полос локализации деформации. Обнаружено явление механического двойникования в нанокристаллическом состоянии. Обсуждаются механизмы деформации и формирования наноструктурных состояний.