Научная проблема заключается в разработке способов повышения стабильности функциональных свойств сплавов с памятью формы на основе TiNi, что позволит расширить области их применения в различных наукоемких технологиях для техники, медицины и повседневной жизни.
Научная значимость решения проблемы заключается в том, что при ее решении будут определены структурные факторы, ответственные за улучшение функциональной стабильности сплавов с памятью формы, и разработаны способы создания сплавов с модифицированной структурой, проявляющих стабильные функциональные свойства при термо- и механоциклировании.
Актуальность решения проблемы заключается в том, что сплавы с памятью формы, демонстрирующие высокую стабильность функциональных свойств при термо и механоциклировании, весьма востребованы в технике и медицине. Однако, сплавы на основе TiNi, которые обладают наилучшим сочетанием эксплуатационных и функциональных свойств, проявляют низкую стабильность функциональных свойств при термо и механоциклировании и ее причины до сих пор не выявлены.
Конкретная задача проекта заключается в исследовании функциональной стабильности сплавов Ti-Ni-Hf-Cu с памятью формы при повторяющихся мартенситных превращениях в различных режимах и определение физических факторов, ответственных за их стабильное поведение.
Для решения поставленной цели необходимо решить три задачи:
1. Исследовать влияние способа формирования зерен при кристаллизации на изменение структуры, мартенситные переходы и функциональные свойства при термоциклировании.
2. Исследовать влияние концентрации легирующих элементов на изменение структуры, мартенситные переходы и функциональные свойства при термоциклировании.
3. Определить оптимальный состав четырехкомпонентного сплава и способ формирования его структуры, при которых наблюдается наилучшая стабильность параметров мартенситных переходов и исследовать в этом сплаве стабильность функциональных свойств при термоциклировании под различными нагрузками и механоциклировании до различных деформаций.
Научная новизна проекта заключается в том, что будут синтезированы новые четырехкомпонентные сплавы системы Ti-Hf-Ni-Cu с различной концентрацией гафния и меди, что позволит установить влияние концентрации легирующих элементов на стабильность мартенситных превращений и функциональные свойства. Впервые будет исследовано влияние способа формирования ультрамелкозернистого состояния на стабильность мартенситных превращений и функциональные свойства в сплавах на основе Ti-Hf-Ni-Cu.
Достижимость решения поставленной задачи определяется большим опытом участников проекта в изучении сплавов с памятью формы и наличием всего необходимого оборудования.
Исследованию стабильности функциональных свойств в сплавах на основе TiNi посвящено большое количество работ, которые показывают, что свойства этих сплавов изменяются при поторяющихся мартенситных превращениях. Установлено, что при термоциклировании через температурный интервал мартенситных переходов без напряжения, температуры превращений уменьшаются, а их последовательность либо остается неизменной, как в сплавах TiNi с избытком никеля, или меняется, как в сплавах эквиатомного состава. Температуры мартенситных переходов изменяются неодинаково, что приводит как к изменению гистерезиса перехода (разности между температурой начала прямого перехода при охлаждении и температурой окончания обратного перехода при нагревании), так и к изменению температурных интервалов прямого и обратного переходов (разностей между температурами начала и окончания переходов). Если термоциклирование проводить под напряжением, помимо изменения температур переходов, меняется и величина обратимой деформации. Кроме этого, может наблюдаться необратимая деформация, т.е. восстановление деформации при нагревании может происходить неполностью. Изменение обратимой и необратимой деформации с циклами зависит от напряжения, действующего при охлаждении и от химического состава сплава. В сплавах эквиатомного состава при термоциклировании обратимая деформация возрастает (эффект тренировки), если напряжение не превосходит величину предела переориентации мартенсита, а величина необратимой деформации уменьшается с циклами. При механоциклировании в сплавах на основе TiNi уменьшается критическое напряжение для наведения мартенсита, увеличивается коэффициент деформационного упрочнения на участке наведения мартенсита и уменьшается обратимая деформация. Одновременно может наблюдаться необратимая деформация. Полагают, что увеличение плотности дислокаций приводит к увеличению вклада нехимической энергии в термодинамическом балансе сил при мартенситном превращении, что понижает температуры мартенситных переходов при термоциклировании. Кроме этого, дислокационное скольжение при мартенситном переходе под нагрузкой приводит к появлению необратимой деформации, что влияет на изменение обратимой деформации и критического напряжения для наведения мартенсита при термо- и механоциклах.
Поскольку увеличение плотности дислокаций предполагают основной причиной низкой стабильности функциональных свойств сплавов на основе TiNi, то одним из способов увеличения стабильности свойств считают увеличение предела дислокационного предела текучести. Традиционно, этим параметром можно управлять за счет изменения размера зерна, упрочнения частицами вторичных фаз, изменения начальной плотности дислокаций и легирования сплавов.
Кроме того, что каждый из способов увеличения дислокационного предела текучести имеет свои ограничения, до конца не ясен механизм влияния плотности дислокаций на изменение свойств при термо- или механоциклировании. Таким образом, результаты анализа многочисленной литературы показали, что механизмы влияния изменения плотности дислокаций на стабильность функциональных свойств до конца неясны. Исследование влияние способа формирования ультрамелкозернистой структуры на стабильность свойств не проводили. Все это препятствует выявлению структурных факторов, ответственных за стабильность функциональные свойств, что позволили бы получить сплавы на основе TiNi со стабильными свойствами, необходимыми для применения этих материалов в устройствах многократного действия.
Методы и подходы: Для достижения целей проекта необходимо исследовать влияние концентрации легирующих элементов в сплаве Ti-Hf-Ni-Cu и способа формирования зеренной структуры на изменение плотности дислокаций и параметры мартенситных переходов при циклировании с тем, чтобы установить физические факторы, ответственные за стабильность свойств сплавов на основе TiNi. На основе данных первого и второго этапов будет выбран оптимальных химический состав и структура сплава, в котором будет исследована стабильность функциональных свойств при термоциклировании под напряжением и механоциклировании при большом количестве циклов. Для исследования стабильности функциональных свойств при термоциклировании под напряжением первоначально будет исследовано влияние напряжения на обратимую и необратимую деформации. Это позволит определить напряжение *, при котором достигается максимальная обратимая деформация при минимальной необратимой деформации. После этого будет исследовано изменение деформации при охлаждении и нагревании под двумя напряжениями * и 0,5* в 500 термоциклах. После 1, 10, 100, 500 цикла будет проведено исследование материала методом рентгеноструктурного анализа для определения полуширины рентгеновских линий, что позволит определить изменение плотности дислокаций.
План проекта по годам:
2023 год
1. Получить сплав Ti40,7Hf9,5Ni44,8Cu5 в трех состояниях (крупнозернистом, ультрамелкозернистом после интенсивной пластической деформации и последующего отжига или ультрамелкозернистом после кристаллизации быстрозакаленных аморфных лент)
2. Исследовать структуру сплава Ti40,7Hf9,5Ni44,8Cu5 в трех состояниях (крупнозернистом, ультрамелкозернистом после интенсивной пластической деформации и последующего отжига или ультрамелкозернистом после кристаллизации из аморфного состояния)
3. Исследовать механические свойства (дислокационный предел текучести в аустенитном и мартенситном состояниях, предел переориентации мартенсита, деформацию до разрушения) сплава Ti40,7Hf9,5Ni44,8Cu5 в трех состояниях при различных температурах.
4. Исследовать изменения характеристик мартенситных переходов (температуры, температурные интервалы, гистерезис, энтальпию и последовательность) при термоциклировании образцов сплава Ti40,7Hf9,5Ni44,8Cu5 в трех состояниях.
5. Исследовать структуру образцов сплава Ti40,7Hf9,5Ni44,8Cu5 в трех состояниях после 1-го, 10-го, 100-го и 500-го цикла и определить изменение плотности дефектов при термоциклировании.
6. Исследовать изменение деформации при охлаждении и нагревании образцов сплава Ti40,7Hf9,5Ni44,8Cu5 с разной структурой через интервал мартенситных превращений под напряжением 200 МПа (10-20 циклов).


2024
1. Получить сплавы Ti50,2-xHfxNi49,8-yCuy (x = 1 и 9.5 ат. %, и y = 1, и 10 ат.%) по оптимальной технологии и с оптимальной структурой, определенными на предыдущем этапе.
2. Исследовать структуру сплавов Ti50,2-xHfxNi49,8-yCuy (x = 1 и 9.5 ат. %, и y = 1, и 10 ат.%)
3. Исследовать механические свойства (дислокационный предел текучести в аустенитном и мартенситном состояниях, предел переориентации мартенсита, деформацию до разрушения) сплавов Ti50,2-xHfxNi49,8-yCuy (x = 1 и 9.5 ат. %, и y = 1, и 10 ат.%) при различных температурах.
4. Исследовать изменения характеристик мартенситных переходов (температуры, температурные интервалы, гистерезис, энтальпию и последовательность) при термоциклировании образцов сплавов Ti50,2-xHfxNi49,8-yCuy (x = 1 и 9.5 ат. %, и y = 1, и 10 ат.%)
5. Исследовать структуру образцов сплавов Ti50,2-xHfxNi49,8-yCuy (x = 1 и 9.5 ат. %, и y = 1, и 10 ат.%) после 1-го, 10-го, 100-го и 500-го цикла и определить изменение плотности дислокаций.
6. Исследовать изменение деформации при охлаждении и нагревании образцов сплавов Ti50,2-xHfxNi49,8-yCuy (x = 1 и 9.5 ат. %, и y = 1, и 10 ат.%) через интервал мартенситных превращений под напряжением 200 МПа (10-20 циклов).


2025 год
1. На основании результатов первых двух этапов выбрать химический состав сплава и структуру, при которых параметры мартенситных переходов и обратимая деформация наиболее стабильны при термоциклировании.
2. Исследовать влияние напряжения на обратимую и необратимую деформации при охлаждении и нагревании под напряжением. Определить напряжение *, при котором достигается максимальная обратимая деформация при минимальной необратимой деформации.
3. Исследовать стабильность функциональных свойств (температуры переходов, обратимую и необратимую деформации) при термоциклировании под напряжением 0,5* и * (500 циклов)
4. Исследовать структуру сплава после 1, 10, 100 и 500 термоциклов под напряжением и определить влияние номера цикла на изменение плотности дефектов при термоциклировании.
5. Исследовать влияние температуры деформирования на проявление эффекта псевдоупругости, определить температурное окно псевдоупругости и максимальную псевдоупругую деформацию *.
6. Исследовать стабильность функциональных свойств (критическое напряжение для наведения мартенсита, обратимую и необратимую деформации) при механоциклировании до деформации 0,5* и * (500 циклов).
7. Исследовать структуру сплава после 1, 10, 100 и 500 механоциклов и определить влияние номера цикла на изменение плотности дефектов при механоциклировании.
8. Выявить структурные факторы, отвечающие за стабильность функциональных свойств в четырехкомпонентном сплаве Ti-Hf-Ni-Cu.
Задел коллектива
Авторы проекта исследуют структуру и свойства аморфных, аморфно-кристаллических и кристаллизованных из аморфного состояния многокомпонентных сплавов на протяжении более 10 лет. Ранее основное внимание авторов было направлено на изучение влияния доли кристаллической фазы на мартенситные превращения и эффекты памяти формы, а также на исследование изотермических превращений в сплавах на основе Ti-Hf-Ni-Cu. В процессе исследований было обнаружено, что четырехкомпонентные сплавы демонстрируют стабильные свойства при термоциклировании без напряжения, однако никаких детальных исследований проведено не было. В настоящем проекте авторы впервые планируют исследовать стабильность свойств сплавов на основе Ti-Hf-Ni-Cu и установить влияние факторов, ответственные за высокую стабильность свойств четырехкомпонентных сплавов при термо- и механоциклировании.
Авторы проекта имеют большой опыт в исследовании стабильности мартенситных превращений и эффектов памяти формы в бинарных сплавах TiNi при термоциклировании без напряжения, под напряжением и в режиме работы силовых приводов. Установлено, что основное изменение плотности дефектов происходит на завершающей стадии прямого мартенситного превращения. Уменьшение доли прямого перехода при охлаждении позволяет существенно уменьшить необратимую деформацию и улучшить стабильность свойств сплава TiNi. Показано, что уменьшение доли обратного перехода менее эффективно для стабилизации свойств сплавов, поскольку это влияет только на степень разупрочнения при обратном переходе.
Коллектив проекта имеет все необходимые навыки, опыт и оборудование для исследования структуры, мартенситных превращений, механического поведения и функциональных свойств сплавов с памятью формы на основе TiNi. Авторами проекта азработана методика контролируемой кристаллизации аморфных лент сплавов с памятью формы в дифференциальном сканирующем калориметре. Авторами проекта разработаны методики приготовления тонких фольг для проведения in situ экспериментов по охлаждению и нагреванию или деформирования в колонне просвечивающего электронного микроскопа и по охлаждению и нагреванию в колонне сканирующего электронного микроскопа. Авторы проекта обладают всеми методиками, необходимыми для изучения мартенситных переходов, исследования механических и функциональных свойств как тонких лент, так и массивных образцов. Авторы проекта имеют большой опыт проведения совместных исследований и публикации статей.