Термоупругий мартенситный переход и эффект памяти формы в сплаве Ti2NiCu на микро- и наномасштабе
Введение
Актуальность темы диссертации
Важной фундаментальной проблемой физики конденсированного состояния вещества является изучение особенностей физических свойств различных материалов на наноуровне [1, 2]. Большое научное значение для понимания природы фазовых превращений (ФП) имеют исследования фазовых переходов в образцах нанометровых размеров [3]. Актуальной является нерешенная задача определения физических пределов минимального размера устройства на основе материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). Для решения этой задачи необходимо изучить проявления термоупругого мартенситного перехода в образцах субмикронных размеров и эффектов деформации микро- и нанообразцов при воздействии температуры и внешних механических напряжений.
Среди ФП в интерметаллических сплавах большой интерес вызывает бездиффузионный термоупругий мартенситный переход из кубической высокосимметричной фазы (аустенит) в низкосимметричную фазу (мартенсит) [4]. Этот переход сопровождается ЭПФ
Оглавление
Введение………...………………………………………………………………...3
Глава 1. Обзор литературы и основные определения….……………….....15
1.1. Основные определения…………………………………………………...15
1.2. Изучение деформаций сплавов на микроуровне………………………..21
1.3. Изучение деформаций сплавов на наноуровне…………………………27
1.4. Кинетика мартенситного перехода………………………………………33
1.5. Сплав Ti2NiCu….……………………………………………...…………..38
1.6. Моделирование сплавов семейства NiTi методом молекулярной динамики…………………………………………………………………..42
Глава 2. Методика исследования термоупругого мартенситного фазового перехода и эффекта памяти формы в сплаве Ti2NiCu на микромасштабе…………………………………………………………………45
2.1. Схема и принцип работы композита с ЭПФ………………………………45
2.2. Экспериментальное и теоретическое изучение гигантских обратимых деформаций в лентах и композитах Ti2NiCu...……………………………...…47
2.2.1 Исследование гигантских обратимых деформаций в лентах Ti2NiCu……………………………………………………………………...........47
2.2.2 Исследование гигантских обратимых деформаций в композитах на основе лент Ti2NiCu с ЭПФ…………………………………………….……49
2.2.3. Теоретическое описание гигантских изгибных деформаций биморфного композита с ЭПФ………………………………………………….53
2.2.4. Экспериментальное измерение силы, развиваемой композитом при нагреве. Сравнение с теорией……………………………………………...58
2.3. Экспериментальное и теоретическое изучение гигантских обратимых деформаций в актюаторах с малыми габаритными размерами в сплаве с ЭПФ Ti2NiCu …………...………………………………………………………………60
2.3.1. Экспериментальная методика……………………………………..60
2.3.2 Технология создания наноактюатора……………………………...62
2.3.3 Обратимые деформации композита с ЭПФ с субмикронной толщиной активного слоя и теоретический расчет прогиба композита….….63
2. 4. Математическое моделирование способа активации микромеханических устройств с ЭПФ и сравнение с экспериментом ……………………………...65
2.5 Пример применения наноактюатора для решения задач нанофизики…...74
Глава 3. Термоупругий мартенситный фазовый переход и эффект памяти формы в сплаве Ti2NiCu на наномасштабе......................................78
3.1 Обратимые термоуправляемые деформации композитов с субмикронной и нанометровой толщиной активного слоя.………………………….………...78
3.2. Экспериментальное исследование мартенситных превращений в клиновидных пластинках сплава Ti2NiCu в зависимости от температуры и толщины пластинки ……………………...………………...……………………81
3.3. Ab-initio моделирование в рамках теории функционала плотности (DFT)……………………………………………………………………………...89
3.4 Дислокационно-кинетическая теория……………………………………...97
3.5 Термодинамический подход………………………………….……………101
3.6 Молекулярная динамика…………………………………………………...102
3.7. Исследование структуры и формы наноактюаторов в ПЭМ…………...107
Глава 4. Кинетика проявления термоупругого мартенситного перехода и ЭПФ в сплаве Ti2NiCu……………………………………………….…….…111
Заключение……..…………..…………………………………….……....……118
Список литературы…………………………………………..…………….…129
Список литературы
Луцкий В.Н., Пинскер Т.Н. Размерное квантование. – М: Знание, 1983. – 64 с.
Buffat P., Borel J.P. // Physical review A. 1976. V. 13. P. 2287.
Зайцев-Зотов С.В. // Успехи физических наук. 2004. Т. 174 № 6. С. 585.
Курдюмов Г. В., Хандрос Л. Г. // ДАН СССР. 1948. Т. 60. № 2. С. 211-220.
Fu Y., Du H., Huang W., Zhang S., Hu M. // Sensors and Actuators A. 2004. V. 112. P. 395.
Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Том 5. Статистическая физика. Часть 1. Москва: Издательство «Наука», 1976. -584 с.
Glezer A.M., Blinova E.N., Pozdnyakov V.A., Shelyakov A.V. // Journal of nanoparticle research. 2003. V.5. P. 551.
Pan G., Cao Z., Wei M., Shi J., Xu L., Meng X. // Matter. Lett. 2014. V. 130. P. 285.
Ko W-S, Maisel S.B., Grabowski B., Jeon J.B., Neugebauer J. // Acta Materialia. 2017. V. 123. P. 90.
Haskins J.B., Malmir H., Honrao S. J., Sandoval L.A., Lawson J.W. // Acta Materialia. 2021. V. 212. 116872.
Wang B., Kang G., Yu C., Gu B., Yuan W. // International Journal of Mechanical Sciences. 2021. V. 211. 106777.
Hua P., Chu K., Ren F., Sun Q. // Acta Materialia. 2020. V. 185, P. 507.
Кащенко М. П., Чащина В. Г. Динамическая теория γ–α мартенситного превращения в сплавах железа и решение проблемы критического размера зерна. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевский институт компьютерных исследований, 2010. – 132 с.
S-H Song. // Scientific Reports. 2016. V. 6. 21118.
Кащенко М. П., Чащина В. Г. // Успехи физических наук. 2011. Т. 181. №. 4. – С. 345.
Кащенко М. П., Чащина В. Г. //Письма о материалах. 2011. Т. 1. №. 1. С. 7.
Chang L.C., Read T.A. // Trans. Met. Soc. AIME. 1951. V. 191. P. 47.
Suonien E.J., Genevray R.M. and Bever M.B. // Trans. AIME. 1956. V. 206. P. 283.
Burkart M.W. and Read T.A. // Trans. AIME. 1953. P. 1516.
Buehler W.J., Gilfrich J.V. and Wiley R.C. // J. Applied Physics. 1963. V. 34(5). P. 1475.
Otsuka K. and Shimizu K. // Scripta Met. 1970. Vl. 4. P. 469.
(порядка 10 Дж/г) и малый гистерезис (порядка 5 К) перехода приближают его к ФП 2-го рода. Соответственно, следует ожидать тенденции к снижению скорости движения границы зародыша ниже 103 м/с и, возможно, к переходу к атермическому характеру движения границы перехода.
Сплав Ti2NiCu
Среди множества сплавов с ЭПФ для исследования в диссертации был выбран сплав никелида титана меди, так как он: во-первых, обладает хорошим ЭПФ; во-вторых, находит достаточно широкое применение в физике, технике и медицине, он имеет температуры перехода вблизи комнатной, что делает допустимым его применение в биомедицине, и наконец, он имеет узкий температурный гистерезис.В качестве объекта для исследования были выбраны быстрозакалённые сплавы, полученные методом спиннингования. В процессе спиннингования получается либо аморфное, либо аморфно-кристаллическое состояние сплава с мелкими кристаллитами. В результате отжига происходит явление рекристаллизации, то есть зарождение и рост кристаллитов.