WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Нгуен Ван Тхуан

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В СПЛАВАХ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ NiAl и NiTi

Специальность 01.04.07 –

физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре материаловедения Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

и

на кафедре общей физики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Крапошин Валентин Сидорович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Хмелевская В.С.

Обнинский государственный технический университет атомной энергетики

кандидат физико-математических наук

Лясоцкий И.В.

ФГУП ЦНИИЧМ им. И.П. Бардина

Ведущая организация

Государственный технологический университет «Московский государственный институт стали и сплавов»

Защита диссертации состоится «___» ___________ 2007 г. в «____» часов на заседании диссертационного совета Д212.141.17 при Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 248600, г. Калуга, ул. Баженова, д.2. МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал

(г. Калуга, ул. Баженова, 2)

Автореферат разослан «___» _____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к. т. н., доцент

Лоскутов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Фазовые и структурные превращения определяют возможность управления свойствами металлических материалов при термической обработке, поэтому изучение механизма фазовых превращений, в том числе полиморфных превращений, всегда является актуальным.

В промышленности широко используется группа сплавов, имеющих высокотемпературную фазу с объемноцентрированной кубической (ОЦК) решеткой, которая в результате мартенситного превращения при охлаждении переходит в фазы с разной симметрией, но всегда может быть разбита подобно гексагональной плотноупакованной (ГП) структуре на октаэдрические кластеры, объединенные по граням вдоль одного из направлений, либо подобно гранецентрированной кубической структуре разбивается на октаэдрические кластеры, объединенные только по ребрам. Сюда относятся: титан и цирконий с низкотемпературной гексагональной фазой, сплавы на их основе, все сплавы с эффектом памяти формы, магнитострикционные сплавы Fe-Al и другие. Практически во всех указанных системах сплавов, наряду с собственно мартенситными превращениями, наблюдается образование «промежуточных» мартенситов» (R-фаза в NiTi, многослойные мартенситы в NiAl). Кроме того, не только в этих сплавах, но и других сплавах с высокотемпературной фазой на основе ОЦК-решетки отмечаются многочисленные аномалии, имеющие общее название предмартенситных явлений. До настоящего времени эти явления не получили полного и непротиворечивого объяснения. Одной из причин незавершенности наших представлений об этих метастабильных состояниях является отсутствие единого подхода в описании этих структурных состояний.

Именно поэтому ранее были предложены модели полиморфных превращений в сплавах на основе железа (превращение ГЦК-ОЦК) [1,2] и титана [3,4], основанные на математическом аппарате обобщенной кристаллографии, в качестве которого выступает алгебраическая геометрия, а сами превращения описываются как взаимные реконструкции координационных полиэдров через промежуточную структуру (прафазу),

группа симметрии которой содержит в себе в качестве подгрупп группы симметрии обеих фаз, участвующих в превращении. Использование указанной политопной концепции оказалось успешным. Однако для описания структурных особенностей мартенситных превращений в сплавах с памятью формы на основе NiAl и NiTi эта концепция до сих пор не использовалась. Этим определяется актуальность настоящей работы,

посвященной разработке структурных моделей превращений в сплавах на основе NiAl и NiTi на основе концепций алгебраической геометрии.

Целью диссертационной работы является разработка в рамках политопного подхода структурных моделей метастабильных состояний, возникающих в ходе мартенситных превращений в сплавах с эффектом памяти формы на основе NiAl и NiTi и в других сплавах с высокотемпературной фазой на базе ОЦК-решетки, а также сопоставление параметров модели с экспериментальными данными для образования семислойного мартенсита в NiAl, мартенситной R-фазы в NiTi, структурных аномалий в других сплавах с высокотемпературной фазой на базе ОЦК-решетки. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

  • объяснить появление метастабильных структурных состояний в сплавах с высокотемпературной фазой со структурой на основе ОЦК-решетки на основе политопного подхода с использованием 8-мерной решетки алмаза Е8 в качестве прафазы для фаз, участвующих в полиморфном превращении;
  • разработать геометрическую модель моноклинного семислойного 7R-мартенсита в NiAl и промежуточного R-мартенсита в NiTi на основе представлений о полиморфном превращении как реконструкции координационных полиэдров;
  • сопоставить параметры разработанных структурных моделей с экспериментальными данными 7R-мартенсита NiAl и R-мартенсита NiTi;
  • разработать геометрическую модель -фаз (одномерных квазикристаллов) в системе Al-Cu-Ni как эффекта неполного превращения координационных полиэдров и не использующую представления об одномерном упорядочении вакансий.

Научная новизна полученных в работе результатов заключена в следующем:

  • впервые в рамках политопного подхода построены модели кристаллических структур семислойного 7R-мартенсита в NiAl и R-мартенсита в NiTi;
  • впервые предложена трехмерная геометрическая модель, объясняющая явление т.н. одномерных квазикристаллов (-фаз) в сплавах Al-Cu-Ni, не использующая представлений об одномерном упорядочении вакансий;
  • согласно предложенным моделям структуры всех рассмотренных метастабильных состояний впервые описаны с единых позиций как продукты незавершенного превращения координационных полиэдров исходной ОЦК-решетки.

Практическая ценность работы определяется разработкой в ней структурных моделей промежуточных метастабильных состояний при мартенситных и других превращениях в технически важных сплавах с эффектом памяти формы, уже применяющихся в промышленности. Полученные данные являются составной частью научных основ легирования и термической обработки технически важных сплавов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Структурная модель семислойного мартенсита 7R в сплавах с эффектом памяти формы на основе интерметаллида NiAl.
  2. Структурная модель промежуточного R – мартенсита в сплавах с эффектом памяти формы на основе интерметаллида NiTi.
  3. Структурная модель одномерно упорядоченных -фаз (одномерных квазикристаллов) в сплавах Al-Cu-Ni.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на IV Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черноголовка, 4-8 сентября 2006г.) и «Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвященных 35-летию лаборатории ТМО МИСиС» (г. Москва, 25 - 26 октября 2006 г).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 печатные работы, список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, списка использованных литературных источников и Приложения.

Представленная работа содержит 146 страниц машинописного текста, включая 65 рисунков, 6 таблиц и 107 наименований использованных литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ литературы, рассмотрены фазовые превращения в сплавах с эффектом памяти формы на основе NiAl и NiTi, аномальные структурные эффекты в других сплавах с высокотемпературной фазой со структурой на основе ОЦК-решетки (упорядоченной и неупорядоченной), связанные с образованием -кластеров (т.н. «несоразмерная -фаза»), -фазы в системе Al-Cu-Ni с одномерным упорядочением вакансий вдоль оси симметрии 3-го порядка (одномерные квазикристаллы).

Краткое рассмотрение известных кристаллических структур аустенитных и мартенситных фаз в сплавах с эффектом памяти формы на основе NiAl и NiTi показало следующее. Практически во всех указанных системах сплавов, наряду с собственно мартенситными превращениями, наблюдается образование «промежуточных» мартенситов» (R-фаза в NiTi, многослойные мартенситы в NiAl). Кроме того, не только в этих сплавах, но и других сплавах с высокотемпературной фазой на основе ОЦК-решетки отмечаются многочисленные аномалии, имеющие название предмартенситных явлений, эффектов несоразмерной -фазы, -кластеров, одномерных квазикристаллов (-фаз). До настоящего времени эти явления не получили полного и непротиворечивого объяснения. Одной из причин незавершенности наших представлений об этих метастабильных состояниях является отсутствие непротиворечивых моделей их атомного строения.

Образование в сплавах с эффектом памяти формы наряду с мартенситами L10 в NiAl и В19 (В19’) в NiTi и других мартенситных фаз («промежуточных мартенситов»), а именно ряда многослойных мартенситов вплоть до моноклинного семислойного 7R-мартенсита в NiAl, мартенситной тригональной R-фазы в NiTi. Образование этих мартенситов никак не вытекает из широко распространенного представления о мартенситном превращении как превращении с инвариантной плоскостью. Отмечается, что невозможность единого описания структурных эффектов при мартенситных превращениях в сплавах с эффектом памяти формы, диффузных аномалий т.н. несоразмерной -фазы, образования -фаз и других явлений, обусловлены ограничениями традиционного кристаллографического подхода в описании полиморфных превращений. Основное ограничение традиционной кристаллографии – теория пространственных групп оперирует лишь с бесконечными системами точек, тогда как для описания локальных преобразований координационных полиэдров необходим аппарат, описывающий симметрийные особенности конечных систем точек. В связи с этим в обзоре указаны возможности политопного подхода в описании этих явлений, основанного на рассмотрении геометрии 4-мерных полиэдров, трехмерные проекции которых совпадают со структурой различных конденсированных фаз, и дано краткое объяснение сущности политопной концепции как специального раздела алгебраической геометрии.

Недостаточность имеющихся к настоящему времени описаний мартенситных превращений обусловлена рассмотрением лишь деформации плоских сеток плотноупакованных плоскостей {111} ГЦК-решетки аустенита, как в случае мартенсита в сплавах на основе железа, или плоскостей {110} аустенита в сплавах с высокотемпературной фазой со структурой на основе ОЦК-решетки (упорядоченной или неупорядоченной). Такие двумерные модели не описывают развития превращения в объеме, с их помощью нельзя понять, как деформация данной плоской сетки повлияет на деформацию соседних, смежных с ней плоских сеток.

С другой стороны, новые методы современной кристаллографии, основанные на использовании политопного подхода, оказались плодотворными при описании атомных структур аморфных металлических сплавов, интерметаллидов со сложными кристаллическими решетками, квазикристаллов, т.е. объектов, которые не могут быть однозначно описаны в традиционной кристаллографии методами теории групп.

В основе этого подхода лежит использование специальной алгебраической конструкции, именно решетки корней Е8 (максимально простая алгебра Ли). Первая координационная сфера решетки Е8 содержит 240 вершин, принадлежащих двум вставленным друг в друга 4-мерным аналогам икосаэдра (политопам {3,3,5}). Согласно политопной концепции экспериментально реализуемые структуры разных фаз могут трактоваться как подструктуры (фрагменты) четырехмерных полиэдров (политопов), спроектированные в трехмерное пространство [5]. Атомные кластеры, образующие кристаллические структуры многих интерметаллидов, совпадают с теоретически предсказанными фрагментами четырехмерных полиэдров, что подтверждает политопную концепцию. Анализ литературы показывает, что политопная концепция позволяет описать полиморфные превращения как взаимные превращения координационных полиэдров фаз-партнеров по превращению [1-4].

Применимость концепции прафазы для описания превращения между кубической и гексагональной фазами, не имеющими общих подгрупп симметрии, впервые показана в [3,4]. Согласно этим работам превращение ОЦК-ГП в реальном 3-мерном пространстве описывается как взаимная реконструкция координационных полиэдров кубической и гексагональной решеток через промежуточную конфигурацию кристаллической структуры -фазы. При этом были найдены 2 разбиения кристаллического пространства -фазы, на 14- или 11-вершинные кластеры, позволившие установить связь структуры этой фазы с конструкциями политопов, а также последовательность атомных реконструкций при превращении ОЦК-ГП. Предложенный в [3,4] сценарий превращения соответствует известной последовательности мартенситных превращений в титановых сплавах, описываемой как (ОЦК) (ГП). Проведенное в этих работах сопоставление геометрических параметров модели превращения с экспериментальными данными по ориентационным соотношениям между решетками аустенита и мартенсита и габитусам мартенсита показало, что эта модель описывает не только превращения в сплавах на основе титана или циркония, но может описать также и превращения в сплавах с эффектом памяти формы, таких как NiTi и других, поскольку правильно предсказывает экспериментально наблюдаемый габитус мартенсита в этих сплавах.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»