Мартенситные превращения в сплавах на основе TiNi в процессе прокатки с импульсным током

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Сплавы с памятью формы на основе TiNi обладают набором свойств, включающим в себя биосовместимость, коррозионную стойкость, низкую плотность, высокую удельную прочность, термическую стабильность, память формы и сверхупругость. Большое количество исследований в настоящее время посвящают различным деформационным способам обработки таких материалов с целью повышения механических свойств и свойств памяти формы. Одним из них является пластическая деформация с одновременным действием импульсного электрического тока. Поскольку свойства памяти формы в сплавах на основе TiNi обусловлены наличием термоупругих мартенситных превращений, то представляет интерес совместное влияние на них деформации и тока. Цель работы. Исследование особенностей проявления термических и деформационных мартенситных превращений в сплавах Ti50.0Ni50.0 и Ti49.2Ni50.8 в процессе прокатки с одновременным действием импульсного электрического тока. Методы исследования. В работе проанализированы образцы сплавов Ti50.0Ni50.0 и Ti49.2Ni50.8 после прокатки с импульсным электрическим током плотностью 100 А/мм2, длительностью импульса 100 мкс и скважностью 10 до различных степеней деформации (е = 0; 0,4; 0,8; 1,2).  Исследование стадийности мартенситных превращений проводилось методом дифференциальной сканирующей калориметрии при скорости нагрева/охлаждения 10 °С/мин в диапазоне температур –150…+150 °С. Фазовый состав изучен методом рентгеноструктурного анализа в CuKα-излучении при U = 40 кВ и I = 40 мА в диапазоне углов 2θ = 15…100° с шагом Δθ = 0,05° и временем экспозиции 5 с. Результаты и обсуждение. Показано, что прокатка с током приводит к проявлению двухстадийного прямого мартенситного превращения при охлаждении в обоих сплавах, а повышение степени деформации расширяет температурную область существования R-фазы. Показана возможность стабилизации высокотемпературной аустенитной В2-фазы в сплаве Ti49.2Ni50.8, а также возникновение циклично-протекающего деформационного превращения мартенсит→аустенит→мартенсит в сплаве Ti50.0Ni50.0. Обсуждаются возможные механизмы проявления этих особенностей.

Об авторах

А. А. Мисоченко

Email: ls3216@yandex.ru
канд. техн. наук, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Малый Харитоньевский пер, 4, г. Москва, 101990, Россия, ls3216@yandex.ru

Список литературы

  1. Shape memory alloys: fundamentals, modelling and applications / V. Brailovski, S. Prokoshkin, P. Terriault, F. Trochu. – Montreal: University of Quebec, 2003. – 844 p.
  2. Tsuchiya K., Ahadi A. Anomalous properties of TiNi processed by severe plastic deformation // Advances in Shape Memory Materials / Q. Sun, R. Matsui, K. Takeda, E. Pieczyska, eds. – Cham: Springer, 2017. – P. 191–201. – (Advanced Structured Materials; vol. 73). – doi: 10.1007/978-3-319-53306-3_14.
  3. Influence of rotary forging and post-deformation annealing on mechanical and functional properties of titanium nickelide / V.A. Andreev, R.D. Karelin, V.S. Komarov, V.V. Cherkasov, N.A. Dormidontov, N.V. Laisheva, V.S. Yusupov // Metallurgist. – 2024. – Vol. 67. – P. 1912–1919. – doi: 10.1007/s11015-024-01688-4.
  4. Grain growth in Ni50Ti30Hf20 high-temperature shape memory alloy processed by high-pressure torsion / A.V. Shuitcev, Y. Ren, D.V. Gunderov, R.N. Vasin, L. Li, R.Z. Valiev, Y.F. Zheng, Y.X. Tong // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 918. – P. 147478. – doi: 10.1016/j.msea.2024.147478.
  5. Горячая ротационная ковка прутков диаметром 2–20 мм из сплавов с памятью формы на основе никелида титана / В.А. Андреев, В.С. Юсупов, М.М. Перкас, Н.В. Якушевич // Перспективные материалы и технологии. В 2 т. Т. 1. – Витебск: Витеб. гос. технол. ун-т, 2017. – С. 61–69.
  6. Влияние режимов ротационной ковки и последеформационной термической обработки на механические и функциональные свойства никелида титана / В.А. Андреев, Р.Д. Карелин, В.С. Комаров, В.В. Черкасов, Н.А. Дормидонтов, Н.В. Лайшева, В.С. Юсупов // Металлург. – 2023. – № 12. – С. 87–92. – doi: 10.52351/00260827_2023_12_87.
  7. Влияние теплой деформации методом abc-прессования на механические свойства никелида титана / А.И. Лотков, В.Н. Гришков, А.А. Батурин, Е.Ф. Дударев, Д.Ю. Жапова, В.Н. Тимкин // Письма о материалах. – 2015. – Т. 5, № 2. – С. 170–174. – doi: 10.22226/2410-3535-2015-2-170-174.
  8. Федоткин А.А., Столяров В.В. Особенности деформационного поведения наноструктурных титановых сплавов при растяжении под действием импульсного тока // Машиностроение и инженерное образование. – 2012. – № 1 (30). – C. 28–35.
  9. Misochenko A.A., Fedotkin A.A., Stolyarov V.V. Influence of grain size and electric current regimes on deformation behavior under tension of shape memory alloy TI49,3NI50,7 // Materials Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4 (3). – P. 4753–4757. – doi: 10.1016/j.matpr.2017.04.065.
  10. Столяров В.В. Электропластический эффект в крупнозернистом и ультрамелкозернистом титане // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2023. – Т. 89, № 8. – С. 62–66. – doi: 10.26896/1028-6861-2023-89-8-62-66.
  11. In situ electro-plastic treatment for thermomechanical processing of CP titanium / M.A. Khalik, S.H. Zahiri, S.H. Masood, S. Palanisamy, S. Guliz // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Vol. 115. – P. 2639–2657. – doi: 10.1007/s00170-021-07342-6.
  12. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы / Ю.В. Баранов, О.А. Троицкий, Ю.С. Авраамов, А.Д. Шляпин. – М.: МГИУ, 2001. – 844 с.
  13. Numerical simulation and experiment of electrically-assisted incremental forming of thin TC4 titanium alloy sheet / B. Jiang, W. Yang, Z. Zhang, X. Li, X. Ren, Y. Wang // Materials. – 2020. – Vol. 13 (6). – P. 1335. – doi: 10.3390/ma13061335.
  14. Electroplasticity in electrically-assisted forming: process phenomena, performances and modelling / Z. Xu, T. Jiang, J. Huang, L. Peng, X. Lai, M.W. Fu // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2022. – Vol. 175. – P. 103871. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2022.103871.
  15. Dobras D., Zimniak Z., Zwierzchowski M. Electrically-assisted deep drawing of 5754 aluminum alloy sheet // Materials Research Proceedings. – 2023. – Vol. 28. – P. 987–1006. – doi: 10.21741/9781644902479-109.
  16. Electroplasticity mechanisms in hcp materials / S. Herbst, E. Karsten, G. Gerstein, S. Reschka, F. Nürnberger, S. Zaefferer, H.J. Maier // Advanced Engineering Materials. – 2023. – Vol. 25. – P. 2201912. – doi: 10.1002/adem.202201912.
  17. Effects of electric current on the plastic deformation behavior of pure copper, iron, and titanium / C. Rudolf, R. Goswami, W. Kang, J. Thomas // Acta Materialia. – 2021. – Vol. 209. – P. 116776. – doi: 10.1016/j.actamat.2021.116776.
  18. Stolyarov V., Calliari I., Gennari C. Features of the interaction of plastic deformation and pulse current in various materials // Materials Letters. – 2021. – Vol. 299. – P. 130049. – doi: 10.1016/j.matlet.2021.130049.
  19. Potapova A.A., Stolyarov V.V. Deformability and structural features of shape memory TiNi alloys processed by rolling with current // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 579. – P. 114–117. – doi: 10.1016/j.msea.2013.05.003.
  20. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током / В.В. Столяров, В.А. Андреев, Р.Д. Карелин, У.Х. Угурчиев, В.В. Черкасов, В.С. Комаров, В.С. Юсупов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 66–75. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-66-75.
  21. Zhu R., Tang G. The improved plasticity of NiTi alloy via electropulsing in rolling // Materials Science and Technology. – 2016. – Vol. 33 (5). – P. 1743–2847. – doi: 10.1080/02670836.2016.1231745.
  22. Potapova А.А., Resnina N.N., Stolyarov V.V. Shape memory effects in TiNi-based alloys subjected to electroplastic rolling // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23 (7). – P. 2391–2395. – doi: 10.1007/s11665-014-1046-0.
  23. Difference in recrystallization between electropulsing-treated and fur-nace-treated NiTi alloy / R.F. Zhu, Y.B. Jiang, L. Guan, H.L. Li, G.Y. Tang // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 658. – P. 548–554. – doi: 10.1016/j.jallcom.2015.10.239.
  24. Stolyarov V., Misochenko A. A pulsed current application to the deformation processing of materials // Materials. – 2023. – Vol. 16 (18). – P. 6270. – doi: 10.3390/ma16186270.
  25. Application of high-density electropulsing to improve the performance of metallic materials: mechanisms, microstructure and properties / Y. Sheng, Y. Hua, X. Wang, X. Zhao, L. Chen, H. Zhou, J. Wang, C.C. Berndt, W. Li // Materials. – 2018. – Vol. 11 (2). – P. 185. – doi: 10.3390/ma11020185.
  26. Electroplastic effect on AA1050 aluminium alloy formability / A. Ghiotti, S. Bruschi, E. Simonetto, C. Gennari, I. Calliari, P. Bariani // CIRP Annals. – 2018. – Vol. 67 (1). – P. 289–292. – doi: 10.1016/j.cirp.2018.04.054.
  27. Effect of current frequency on the mechanical properties, microstructure and texture evolution in AZ31 magnesium alloy strips during electroplastic rolling / X. Li, G. Tang, J. Kuang, X. Li, J. Zhu // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 612. – P. 404–413. – doi: 10.1016/j.msea.2014.06.075.
  28. Thermoelectric coupling deep drawing process of ZK60 magnesium alloys / L. Zhan, R. Li, J. Wang, X. Xue, Y. Wang, Z. Lv // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2023. – Vol. 126. – P. 3005–3014. – doi: 10.21203/rs.3.rs-1791252/v1.
  29. Recrystallization and microstructure evolution of the rolled Mg-3Al-1Zn alloy strips under electropulsing treatment / Y. Liu, J. Fan, H. Zhang, W. Jin, H. Dong, B. Xu // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 622. – P. 229–235. – doi: 10.1016/j.jallcom.2014.10.062.
  30. Extraordinary bending formability of Mg–2.5Nd–0.5Zn–0.5Zr alloy sheet through pulsed current / W. Zhang, S. Wang, J. Pan, J. Yang // Metals and Materials International. – 2023. – Vol. 29. – P. 3371–3384. – doi: 10.1007/s12540-023-01450-6.
  31. Texture modification of magnesium alloys during electropulse treatment / R.K. Zhang, X.H. Li, J. Kuang, X.P. Li, G.Y. Tang // Materials Science and Technology. – 2017. – Vol. 33. – P. 1421–1427. – doi: 10.1080/02670836.2017.1291164.
  32. Abnormal texture development in magnesium alloy Mg-3Al-1Zn during large strain electroplastic rolling: effect of pulsed electric current / J. Kuang, T.S.E. Low, S.R. Niezgoda, X. Li, Y. Geng, A.A. Luo, G. Tang // International Journal of Plasticity. – 2016. – Vol. 87. – P. 86–99. – doi: 10.1016/j.ijplas.2016.09.004.
  33. Dobras D., Zimniak Z., Zwierzchowski M. The effect of pulsed electric current on the structural and mechanical behavior of 6016 aluminium alloy in different states of hardening // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2023. – Vol. 23. – Art. 166. – doi: 10.1007/s43452-023-00700-z.
  34. Potapova A.A., Stolyarov V.V. Relaxation effect of pulse current on Ti50.0Ni50.0 structure during rolling // Materials Science and Technology. – 2015. – Vol. 31 (13). – P. 1541–1544. – doi: 10.1179/1743284715Y.0000000021.
  35. Мисоченко А.А., Столяров В.В. Тепловое действие импульсного тока в сплавах с различными теплофизическими свойствами // Станкоинструмент. – 2023. – № 4 (33). – С. 34–41. – doi: 10.22184/2499-9407.2023.33.4.34.41.
  36. База данных Международного центра дифракционных данных (ICDD) PDF-2. – URL: https://www.icdd.com/pdf-2/ (дата обращения: 07.12.2024).
  37. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. – Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 368 с.
  38. Effects of thermal cycling on microstructure and properties in Nitinol / A.R. Pelton, G.H. Huang, P. Moinec, R. Sinclaird // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 532. – P. 130–138.
  39. Deformation behavior, structure and properties of an equiatomic Ti–Ni shape memory alloy compressed in a wide temperature range / V. Komarov, I. Khmelevskaya, R. Karelin, R. Kawalla, G. Korpala, U. Prahl, V. Yusupov, S. Prokoshkin // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2021. – Vol. 74. – P. 2419–2426. – doi: 10.1007/s12666-021-02355-x.
  40. Сурикова Н.С., Литовченко И.Ю., Корзникова Е.А. Структурные превращения в монокристаллах никелида титана при интенсивной пластической деформации // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2013. – Т. 18, № 4-2. – С. 1966–1967.
  41. Формирование структуры и свойств СПФ Ti-Ni после ИПД методом РКУП в оболочке / Р.Д. Карелин, В.С. Комаров, И.Ю. Хмелевская, В.А. Андреев, В.С. Юсупов, С.Д. Прокошкин // Прочность неоднородных структур – ПРОСТ 2023: ХI-я Евразийская научно-практическая конференция: сборник трудов конференции, Москва, 18–20 апреля 2023 года. – М.: Студио-Принт, 2023. – С. 78.
  42. Формирование аморфной структуры в никелиде титана при пластической деформации / В.И. Зельдович, Н.Ю. Фролова, В.П. Пилюгин, В.М. Гундырев, А.М. Пацелов // Физика металлов и металловедение. – 2005. – Т. 99, № 4. – С. 90–100.
  43. Amorphization of titanium nickelide by means of shear under pressure and crystallization at the subsequent heating / N. Frolova, V. Zel'dovich, V. Pilyugin, V. Gundyrev, A. Patselov // Materials Science Forum. – 2013. – Vol. 738–739. – P. 525–529. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.738-739.525' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.738-739.525.
  44. Martensite stabilisation effect in Ni-rich NiTi shape memory alloy with different structure and martensitic transformations / S. Belyaev, N. Resnina, T. Rakhimov, V. Andreev // Sensors and Actuators A: Physical. – 2020. – Vol. 305. – P. 111911. – doi: 10.1016/j.sna.2020.111911.
  45. Influence of Ni on martensitic phase transformations in NiTi shape memory alloys / J. Frenzel, E.P. George, A. Dlouhy, C. Somsen, M.F.-X. Wagner, G. Eggeler // Acta Materialia. – 2010. – Vol. 58 (9). – P. 3444–3458. – doi: 10.1016/j.actamat.2010.02.019.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».