Исследователи из Уфимского государственного авиационного технического университета и СПбГУ изучили влияние многократных мартенситных трансформаций на титан-никелевые сплавы. Оказалось, что с их помощью можно поднять прочность и твердость таких металлических сплавов, в особенности если размеры зерен в них менее нескольких сотен нанометров. Соответствующая статья опубликована в Materials Science & Engineering Technology.
Мартенситом называют микроструктуру игольчатого, пластинчатого или пакетного вида в закаленных металлических сплавах. Именно она доминирует, например, в закаленной стали (твердый сплав железа и углерода, при том что чистое железо мягкое), и она же, благодаря высокой твердости, считается крайне перспективной для сплавов других металлов. С превращениями мартенсита при нагреве и охлаждении связан эффект памяти металлов и сплавов. Отличие мартенсита от других структур в том, что для его образования требуется очень быстрое остывание, при котором атомы не успевают диффундировать. Отсутствие диффузии создает ряд внутренних напряжений, которые и отвечают за появление высокой твердости. Процессы перемещения атомов в мартенситах при их охлаждении почти полностью опираются на сдвиговый механизм.
Авторы новой работы взяли образцы титан-никелевых сплавов с общей формулой Ti50Ni50 и провели большое количество циклов их очень быстрого нагрева (до более чем 1000 градусов по Цельсию) и последующего очень быстрого охлаждения (до -196 градусов по Цельсию). Для скоростного охлаждения использовался жидкий азот.
При общем числе циклов нагрева-охлаждения, доходящего до 100 подряд, удалось выявить отчетливые различия в процессах образования титан-никелевых мартенситов для сплавов с разной структурой. Первые десятки циклов температура, при которой появлялась мартенситная структура, падала, а затем начала расти вновь. При этом для титан-никелевых сплавов с очень малым размером зерна (до 100 нанометров) температура достижения мартенситного состояния колебалась в меньшей мере, чем для тех же по составу сплавов с размеров зерна от микрона и более. Эти данные позволят лучше управлять процессами получения мартенситов в промышленности.
Не менее важным с практической точки зрения оказался и другой результат исследования. Выяснилось, что образование мартенситов с максимальной твердостью происходит тогда, когда размер зерна сплава минимален (до 100 нанометров). Кроме того, «мелкозернистые» сплавы более стабильны, легко прогнозировать их «поведение» при разных температурах. Данные характеристики делают их идеальными кандидатами для изготовления особо критических изделий.
Титан-никелевые сплавы обладают рядом уникальных качеств. У них ярко выражена так называемая память формы. Если сделать из таких сплавов деталь сложной формы и подвергнуть нагреву до красного каления, то она «запомнит» ее и при последующей деформации вновь восстановит первоначальную форму после повторного нагрева свыше 40 градусов Цельсия. Благодаря таким характеристикам титан-никелевые сплавы широко применяют при медицинском протезировании и в ряде других областей. Однако широкомасштабное их использование до сих пор сдерживается не вполне полным пониманием механизмов, стоящих за теми или иными свойствами подобных сплавов.