Файл: Анализ процесса формирования структуры и свойств сплава ТН-10 при современных и перспективных методах получения и обработки материалов.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (национальный исследовательский университет)» (МАИ)

Кафедра «Материаловедение и технология обработки материалов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов»

на тему:

«Анализ процесса формирования структуры и свойств сплава ТН-10 при современных и перспективных методах получения и обработки материалов»

Москва 2018

Оглавление

Введение

В настоящее время одной из ключевых задач материаловедения является создание новых конструкционных и функциональных материалов и технологий их получения, необходимых для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных секторов экономики. Приоритетным направлением является разработка интеллектуальных материалов, в том числе с эффектом памяти формы (ЭПФ), к которым относятся сплавы на основе никелида титана.

В данной курсовой работе приведена история возникновения сплава никелида титана, описан механизм эффекта памяти формы никелида титана. Также в работе дается анализ химического состава сплава ТН-10 и приводится информация про легирование различными химическими элементами данного сплава. Рассмотрены технологические свойства, термическая обработка (ТО) и процессы, происходящие при ТО, сплава ТН-10.

1 Сведения о никелиде титана

Сплавы на основе никелида титана являются перспективным материалом для различных сфер применения: авиационнная, космическая и автомобильная техника, роботехника, гидравлика, тепловая сигнализация и медицина, так как они являются сплавами с эффектом памяти формы (ЭПФ), обладают сверхупругостью и биологически совместимостимы с тканями человеческого организма.

Уникальные свойства сплавов на основе никелида титана позволяют успешно применять их в медицине уже много лет в качестве материала для изготовления имплантатов и различных медицинских инструментов [1].

Историческая справка

Более 40 лет назад впервые для использования в клинической практике в различных направлениях медицины в России стал применяться новый класс биосовместимых материалов – суперэластичные сплавы с памятью формы. В Сибири были развернуты широкомасштабные исследования по внедрению в медицине нового поколения материалов. Сотни исследователей объединились общей идеей создания для здравоохранения нового уровня техники и технологий на основе свойств новых материалов и изготовленных из них имплантатов. Были разработаны сотни имплантатов, аппаратов и эффективных технологий.

В основе такого «бума» лежало открытие явления гистерезисного запаздывания биологических тканей, которое впервые было сделано В.Э. Гюнтером. Представления о гистерезисном поведении биологических систем и тканей поставили проблему биосовместимости материалов и тканей на новый уровень. Биомеханическое гистерезисное поведение тканей предъявляет и особенные требования гистерезисного поведения для любых имплантатов и имплантируемых в организм материалов. Понимание фундаментальных основ природы запаздывающих явлений позволило создать новый класс материалов и имплантатов, гармонично функционирующих с тканями организма. С помощью новых имплантатов можно было не только стабилизироваь работу органа, но и создавать условия для длительного функционирования в заданном режиме.

Основу для создания нового поколения медицинских материалов составими никелид титана и его сплавы. За довольно короткий промежуток времени удалось разработать материалы с физико-механическими свойствами, близкими к тканям организма [2].

Одним из базовых сплавов, разработанных для медицины в НИИ медицинских материалов (г. Томск), является сплав на основе никелида титана ТН-10, состав которого представляет собой сложную систему, в которую входят не только титан и никель, но и Мо, Fе, Со, Cu, Аl [3].

Сплав ТН-10 отвечает многим медико-техническим требованиям в различном интервале температур и, кроме того, характеризуется оптимальным сочетанием удельного веса, прочности и пластичности, износо- и циклостойкости, значительным сопротивлением усталости, особенно в сверхэластичном состоянии [4].

2 Эффект памяти формы и его механизм

Эффект заключается в способности ненагруженного материала под воздействием внешнего напряжения и изменения температуры накапливать деформацию (10–15%), обратимую либо при нагреве, либо в процессе снятия внешнего напряжения (сверхэластичность). Деформация может накапливаться при активном нагружении, а также при изменении температуры сплава, находящегося под воздействием одноосного или сдвигового напряжения. Типичный рабочий цикл для такого материала представлен на рис. 2.1. Деформация на этапе б–в (рис. 2.1) накапливается за счет переориентации кристаллов мартенсита (эффект мартенситной неупругости) и остается после снятия нагрузок. Эффект памяти формы проявляется на этапе в–г (рис. 2.1), где материал самостоятельно восстанавливает свою форму и может развить значительные усилия.

Рисунок 2.1 – Схема деформирования стержня с эффектом памяти формы (а–г) и зависимость объемной доли мартенсита q от температуры Т (д) [4, с. 10]

В основе эффекта памяти формы лежат мартенситные превращения, для которых типичны слабая зависимость температур начала и окончания превращения от скорости изменения температуры, чаще всего обратимый характер превращения, заметное несовпадение (гистерезис) температур прямой и обратной реакции и другие признаки. Высокотемпературную модификацию принято называть аустенитом, а низкотемпературную – мартенситом (рис. 2.1). Температуры мартенситных превращений сильно зависят от химического состава сплавов, их термической и механической обработки. Например, характеристические температуры никелида титана лежат в пределах 30–80°С, редко выходя за этот интервал, однако легирование железом снижает их примерно на 150–200 °С, то есть до –170 … –70 °С.

Кинетика мартенситных превращений имеет ярко выраженный гистерезис (рис. 2.1 д). Если материал охлаждать из аустенитного состояния, то вначале каких-либо фазовых преобразований не происходит. Однако, начиная с некоторой характеристической температуры, которую принято обозначать M_s, появляются первые кристаллы мартенсита, следовательно, увеличивается и доля мартенситной фазы в объеме материала. По мере дальнейшего охлаждения их размеры и количество увеличиваются, пока кристаллы не заполнят при температуре M_f весь объем. Такое превращение называется прямым и при наличии внешней нагрузки сопровождается появлением большой деформации (эффект пластичности превращения). При последующем нагреве, начиная с температуры A_s, мартенсит начинает переходить в аустенит. При этом накопленная деформация начинает медленно исчезать, до тех пор, пока температура не станет выше A_f и произойдет восстановление формы [5].

При применении сплавов с ЭПФ в медицине необходимо, чтобы они обеспечивали не только надежность выполнения механических функций, но и химическую надежность (сопротивление ухудшению свойства в биологической среде, сопротивление разложению, растворению, коррозии), биологическую надежность (биологическую совместимость, отсутствие токсичности, канцерогенности, сопротивление образованию тромбов и антигенов). Простые металлические элементы имеют сильное токсичное действие, но в соединении с другими элементами обнаруживается эффект взаимного ослабления токсичности. Однако большее значение, чем образование ионов, имеет растворимость пассивирующих пленок, возникающих на поверхности металлов [6].

3 Анализ химического состава сплава на основе никелида титана

В сплавах на основе TiNi температуры проявления неупругости резко понижаются при увеличении содержания никеля и исчезают в сплавах, содержащих никеля более 51,5 ат. % (55,6 вес. %). В сплавах с низким содержанием Ni (< 54,8%) температурный интервал мартенситных превращений (ТИМП) резко повышается. Микродобавки третьих элементов (даже в пределах нескольких %) значительным образом изменяют всю картину температурного превращения. Проблема точности получения заданного состава связана в первую очередь с технологиями получения сплавов TiNi. Определенные препятствия могут быть вызваны несколькими факторами, основными из которых считаются: обеспечение содержания титана на необходимом уровне для проявления неупругих свойств и попадания в строго заданный ТИМП, а также наличие, объем и состав побочных фаз.

Кислород присутствует в никелиде титана в виде примесей внедрения - включений оксидов – Ti₄Ni₂O и TiO₂. Формирование оксида первого типа ведет к обеднению TiNi-матрицы титаном и способствует понижению температуры M_н. Допустимый уровень содержания кислорода в TiNi выдерживается в определенных пределах (табл. 3.1).

Формирование оксида TiO₂ второго типа имеет благоприятное действие. Из окружающей среды азот образуется в таком же составе, как кислород, оказывая дополнительно с ним отрицательный эффект. Легирование азотом приводит к усилению эффектов нестабильности В2-фазы, к резкому уменьшению пластичности до разрушения при Т=0,4-0,5Т_пл, снижает энергию дефекта упаковки в сплавах TiNi. Легирование азотом приводит к смене механизма деформации В2-фазы никелида титана от скольжения к механическому двойникованию, меняет характер разрушения от вязкого, «ямочного», к хрупкому, чисто скольному. С другой стороны, азотирование и карбонитрирование довольно широко применяется для повышения износостойкости сплава TiNi. В сплаве TiNi титан связывает углерод в прочный карбид титана TiC с температурой плавления 3450 К, способствует улучшению свариваемости и сопротивления коррозии. Приведенные данные из различных источников можно обобщить в виде таблицы влияния на функционально-механические свойства (табл. 3.1) [7].

Таблица 3.1 – Влияние включений и легирующих элементов в сплавах на основе никелида титана с ЭПФ [7, c. 50]

ТН-10 является сплавом с интерметаллидным типом упрочнения. Его состав приведен в табл. 3.2

Таблица 3.2. – Состав сплава ТН-10 [2, c. 12]

4 Влияние легирующих элементов в сплаве ТН-10

Сплавы на основе никелида титана являются классом материалов, которые характеризуются высокими физико-механическими свойствами. Легирование никелида титана различными элементами периодической системы дает возможность направленного регулирования свойств памяти формы в этих сплавах и их успешного применения. Так, легирование никелида титана железом приводит к снижению температур мартенситного перехода, что фиксируется вплоть до 5 ат. % железа, когда эти температуры «уходят» ниже точки кипения жидкого азота. Переход идет по типу B2→R→B19^/. Характер превращений по сравнению с двойной системой TiNi, по существу, не меняется.

Аналогичное влияние на мартенситное превращение оказывает замена никеля кобальтом. При легировании железом до 2% прочность резко увеличивается, а при легировании кобальтом снижается.

Легирование TiNi молибденом до 2% вызывает заметное изменение характера и последовательности мартенситных превращений. Изменяя концентрацию молибдена до 2 ат.%, можно снижать характеристические температуры прямых и обратных мартенситных превращений, либо при определенном соотношении компонентов снижать температуры прямых превращений M_н, M_к и, наоборот, повышать температуры обратных превращений аустенита A_к, A_н. Такое «разнесение» температурных интервалов прямых и обратных превращений имеет большое практическое значение, так как позволяет создавать материалы с заданными интервалами формоизменения и управляемыми физико-механическими свойствами. Более того, легирование молибденом значительно улучшает технологические характеристики сплавов на основе TiNi - качество проката, волочения и экструзии. Эффективное влияние легирования молибденом в соединении TiNi на физико-механические свойства и параметры формоизменения при эффектах памяти формы и сверхэластичности связано с особенностями равновероятного размещения атомов молибдена на подрешетке титана и подрешетке никеля в В2 структуре соединения TiNi. В реальной ситуации на практике чаще всего используются в медицинских целях сплавы на основе TiNiMoFe, т.е. более сложные и адаптированные к тканевым системам.

Гомогенность тройного сплава по разрезу TiNi-TiCu сохраняется при замене до 12 ат.% никеля медью. При дальнейшем увеличении концентрации меди происходит распад твердого раствора с выделением фазы, структура которой не идентифициро­вана. Замена никеля медью существенно меняет характер и последовательность мартенситных пере­ходов. По мере увеличения концентрации меди последовательность переходов B2→B19^/ (характерная для двойных сплавов) меняется на B2→B19→B19^/.

Замена никеля медью в системе Ti (Ni, Сu) позволяет регулировать температурный интервал и гистерезис проявления эффекта памяти формы. Большим недостатком системы TiNi (Cu) является низкая технологичность и большая хрупкость сплавов после превышения мартенситной деформации.

В системе TiNiZr, где легирование осуществляется цирконием вместо никеля, мартенситные переходы и ЭПФ наблюдаются вплоть до содержания циркония 15 ат. %. При дальнейшем увеличении концентрации циркония сплавы перестают испытывать мартенситные переходы и ЭПФ отсутствует [9].

В сплаве ТН-10 малые добавки алюминия могут внести контролируемые изменения в свойства сплава. Алюминий расширяет температурный интервал превращений в никелиде титана. В сплавах системы ТiNiА1 при большей, чем 4-5 ат. % концентрации алюминия мартенситные превращения не завершаются полностью, вплоть до температуры жидкого азота ‒196 °С, наблюдается один переход В2↔R. Существует корреляция между содержанием алюминия в сплаве и пределом прочности на сжатие. Так с увеличением количества алюминия прочность увеличивается. Причиной увеличения прочности на сжатие является содержание в матрице вторичных фаз NiTi₂ (Аl) и дисперсных частиц в матрице NiTi₂ (Аl) [3].