Морфологические и структурно фазовые изменения в монокристаллическом сплаве Cu-Al-Ni

УДК 539.3:669.018.2

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНО ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СПЛАВЕ Cu-AI-Ni

© И.Э. Вяххи, Л.А. Матлахова, А.Н. Матлахов, Ф.Р.М. Диас, Л.С.Г. Монтейро, С.А. Пульнев

Vahhi I.E., Mallakhova L.A., Matlakhov A.N., Dias F.R. dc Matos, Montciro L.S. Gucdcs, Pulncv S.A. Thermal cycling and structural alterations of single crystal Cu-AI-Ni. Single crystal Cu - 13,5 % Al - 4 % Ni alloy with shape memory effect submitted to thermal completed cycling of heating and cooling at critical range was investigated. The alloy structure characteristics were studied by optical microscopy, scanning electron microscopy SEM and Л'-гау structural method. Temperatures and a calorimctric effect of the y\ <-» Pi martcnsitic reversible transformation before and after 100 thermal cycles was performed by DSC.

В настоящей работе представлены результаты исследования морфологии и структурно фазовых превращений в монокристалл и чес ком сплаве Си - 13,5 А1 -4 N1. Морфологические изменения сплава при его нагревании и охлаждении в интервале критических температур были изучены с помощью оптического микроскопа, используя специально изготовленное термическое приспособление. Структурно фазовые превращения в исходном сплаве и после его термоциклнрования были определены с помощью дифференциального калориметрического анализа (05С) и рентгеновской ди-фрактометрии.

Реализация многих применений в области техники и медицины стала возможна благодаря использованию материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) и с другими неупругимн эффектами. Эти материалы претерпевают в достаточно узком интервале температур обратимые мартенситные превращения (ОМП). Высокотемпературная и мартенситная фазы таких материалов являются упорядоченными и когерентными. Структурные изменения при ОМП сопровождаются дилатометрическими и термическими эффектами с небольшой энтальпией превращения и значительными изменениями модуля упругости, удельного электросопротивления и других свойств. Температурные интервалы ОМП зависят от состава и технологии получения сплавов, режимов их термической и термомеханической обработки и предварительной деформации [1-3].

Установлено, что ЭПФ и другие неупругие эффекты связаны с ОМП и являются реакцией материалов на деформацию и температуру. Обратимая деформация, проявляющаяся при ЭПФ, наиболее полно реализуется в монокристаллическнх материалах, в частности, в сплавах Си-А1-№, которые являются перспективными для использования в силовых и исполнительных элементах различных устройств [4].

Цель работы заключалась в изучении структурных изменений при термоцнклированнн монокристалличе-ского сплава Си-А1-№.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве материала для исследования использовали монокрнстаплическии сплав Си - 13,5 % А1 - 4 % ЬН, полученный в виде прутка диаметром 5 мм.

Металлографический анализ сплава был выполнен на цилиндрических образцах, вырезанных из прутка алмазным диском на установке МГ>ПТОМ. Залитые в эпоксидную смолу, образцы подвергались шлифованию и полированию алмазной пастой, без химического травления поверхности, и после извлечения из заливки изучались с помощью оптического микроскопа ЫЕОРНОТ-32.

Морфологические изменения поверхности сплава при его нагревании и охлаждении в интервале критических температур были изучены с помощью специального приспособления, адаптированного для микроскопа КЕОРНОТ-32, выполненного в виде термического сосуда, в нижней части которого закреплялся образец, нагреваемый и охлаждаемый смесыо вода/лёд (рис. I).

Термический сосуд ^ _ І. . .. ш Горячая вода ^ или

Образец ш-ш. •зш смесь водолея Термопара

\///////////////////////////////ж уу//////////////////////////////\

Предметный столик микроскопа

Объектив

микроскопа

Рис. 1. Приспособление для изучения морфологических изменений сплава

Критические температуры, температурные интервалы и термические эффекты ОМП в исходном сплаве и после 100 циклов нагрев/охлаждение в интервале температур от 0 до 100 °С были определены методом 1)БС на установке ОБСТОЮ, нагревая образец до 150 °С со скоростью 10°/мин и затем охлаждая до -100 °С с печыо, в парах азота.

Фазовый анализ сплава в исходном состоянии и после термоциклирования выполнен с помощью дифрактометра 1ЖГ)-65, в медном излучении серии Ки.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Металлографический анализ показал (рис. 2), что сплав в исходном состоянии имеет характерный мар-тенснтный рельеф поверхности в виде двойниковых ламелей, которые отвечают мартенситной фазе у'|.

Морфологические изменения поверхности исходного сплава при его охлаждении от комнатной температуры 20 до 10 °С, нагревании от 10 до 55 °С и повторном охлаждении от 55 до 21 °С представлены на рис. 3 и 4.

При комнатной температуре (рис. За), мартенсит-ный рельеф поверхности наблюдается, в основном, на периферийной части образца, и не является ярко выраженным в центральной части, что, по-видимому, связано с обработкой образца при его получении.

При охлаждении сплава от 20 до 10 °С, мартенсит-ный рельеф распространяется от периферии к центру образца и при 10 °С почти вся поверхность сплава имеет морфологию мартенситного типа (рис. 3). Температуру равную 10 °С, можно принять за критическую температуру завершения основного мартенситного превращения (Р| — у',).

а) 200х

При нагревании сплава от 10 до 55 °С, рельеф его поверхности изменяется в обратной последовательности. Наблюдается постепенное исчезновение, начиная от центральной части образца, мартенситных ламелей, что связано с уменьшением количества мартенситной фазы в сплаве (рис. Зс и рис. 4с1, 4Г, 4е). Однако из-за гистерезиса мартенситного превращения, структура образца при 23 °С (рис. 4(1) отличается от структуры сплава в исходном состоянии (рис. За).

При охлаждении от 55 до 21 °С, морфология сплава практически не изменяется (рис. 4§, 4Ь, 41). Количество не превращенной фазы р, остается высоким даже при 21 °С, что также связано с гистерезисом ОМП, когда критические температуры при нагревании и охлаждении не совпадают.

а) 20 °С

с) 10 °С

Рис. 3. Морфология сплава Си -3,5 А1 - 4 № при охлаждении

Ь) ЮООх

Рис. 2. Морфология исходного сплава Си - 13,5 А1 — 4 N1 662

(1) 23 °С

е) 28 °С

0 48 °С

ё) 55 °С И) 32 °С 0 21 °С

Рис. 4. Морфология сплава Си 13,5 Л1 4 N1 при нагревании и повторном охлаждении

Таким образом, проведенные металлографические исследования влияния температуры на морфологию сплава показывают, что ОМП являются кристаллографически обратимыми и имеют температурный гистерезис около 30 °С.

Наличие температурного гистерезиса в сплаве приводит к тому, что его фазовый состав и структура могут быть различными при нагревании и охлаждении до одной и той же температуры, находящейся между критическими температурными точками Му и А{. При создании исполнительных элементов с использованием сплава с ЭПФ, явлению температурного гистерезиса нужно уделять особое внимание, поскольку, имея разный фазовый состав, материал может по-разному реагировать на внешние воздействия.

По данным Э8С, при нагревании исходного сплава, эндотермическое превращение происходит в интервале от +9 до +52 °С с максимумом при 33 °С и энтальпией 7,36 Дж/г.

При охлаждении сплава, экзотермическое превращение регистрируется в интервале от +25 до -9 °С с максимумом при +14 °С и энтальпией 6,85 Дж/г. Эти термические эффекты соответствуют обратимому мар-тенситному превращению Р| <-> у'\ [5].

В сплаве после 100 циклов нагрев/охлаждение, прямое мартенситное превращение происходит в интервале от +24 до -18 °С и реализуется в два этапа с экзотермическими пиками при +15 и 6,4 °С.

В то время как обратное превращение (при нагревании) происходит от +13 до +48 °С, с пиком эндотермического эффекта при 32 °С и энтальпией 8,147 Дж/г.

Рентгеноструктурный анализ выявил изменения в фазовом составе сплава после 100 циклов нагрев/охлаждение в интервале 0-100 °С (рис. 5), в котором исходная структура у'| + Р| преобразуется в структуру р, с меньшим содержанием мартенситной фазы.

Рнс. 5. Дифрактограммы сплава Си - 13,5 Л1 - 4 ЬП в исходном состоянии и после 100 циклов нагрев/охлаждение

ВЫВОДЫ

1. Изменение морфологии поверхности исходного сплава Си - 13,5 А1 — 4 № при его нагревании и охлаждении в интервале температур от +10 до +55 °С вызывается обратимым мартенситным превращением Р, <-» у'|. Мартенситная фаза у' 1 образуется в виде внутренне пересеченных двойниковых ламел, создавая характерный рельеф поверхности сплава.

2. В исходном сплаве Си - 13,5 А1 - 4 N1, происходит обратимое мартенситное превращение у'| <-> р(, при нагреве - в интервале от +9 до +52 °С, с максимумом эндотермического эффекта при 33 °С и энтальпией превращения 7,36 Дж/г, и при охлаждении, в интервале от +25 до -9 °С, с максимумом экзотермического эффекта при 14 °С и энтальпией превращения 6,85 Дж/г.

3. Выполненные 100 циклов нагрев/охлаждение от 0 до +100 °С сплава Си - 13,5 AI - 4 Ni приводят к расширению интервала прямого мартенситного превращения (М, - Му), понижая температуру его завершения, но мало влияют на критические температуры ОМП при нагреве (А, - Ау).

ЛИТЕРАТУРА

1. Otsuka К.. Wayman С.М. Shape memory Materials. Cambridge: University Press, 1999.

2. Kovneristyi Yu.K.. Fedotov S.G.. Matlakhova L.A. Effect of deformation on phase transformations and modulus of elongation in titanium nickclidc - based alloy // Proceedings of the 5-th International Conference of Titanium. Titanium Science and Technology. Germany. 1984. V. 3. P. 1675-1681.

3. Ковнеристый Ю.К.. Федотов С.Г.. Матлахова Л.А. Эффекты запоминания формы и формообратимости сплава Ti-Ni в зависимости от деформации // Физика металлов и металловедение. 1986. Т. 62. № 2. С. 344-348.

4. Priadko A.. Putney S.. Viahhi /. Actuators based on Cu-Al-Ni single crystals // Proceedings of the International Conference «SMST-2000». USA, 2000. P. 225-233.

5. Monteiro L.S.G.. Matlakhova LA.. Matlakhov A.N., Monteiro S.N.. Rodriguez R.S.. Viahhi /. Altcracocs cstmturais de liga monocristalina Cu-Al-Ni com efeito de mcmoria de forma // 67 Congrcsso Anual -Intemacional da ABM. SSo Paulo, 2002. P. 1866-1872.

БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы благодарят сотрудников Университета Штата Рио-де-Жанейро (Бразилия) -Рубена Санчеса Родригеса, Терезу Элижио Кастилло, Эркулеса Кастро Скури и Розане да Силва Толедо, за помощь в реализации дифференциального калориметрического и рентгеноструктурного анализов.