Хунджуа А.Г. Структурная физика сплавов с эффектами памяти формы Изд. 2, перераб. и доп.

URSS. 2023. 208 с. ISBN 978-5-9710-5562-4.

Серия: Классический учебник МГУ

Белая офсетная бумага

Твердый переплет

Неупругие явления в металлических сплавах • Кристаллическая структура сплавов с эффектами памяти формы • Двойникование мартенситных кристаллов • Мартенситные превращения в сплавах с эффектами памяти формы.

Аннотация

В учебном пособии дано изложение некоторых важных разделов структурной физики материалов с особыми физическими свойствами: сверхупругостью и эффектами памяти формы. Рассмотрены общие вопросы кристаллографии и термодинамики структурных фазовых превращений в сплавах с эффектами памяти формы, двойникования и самоаккомодации мартенситных кристаллов. Теоретические выводы проиллюстрированы экспериментальным материалом, в том числе и... (Подробнее)

Оглавление

Предисловие ко второму изданию				10
Предисловие				11
Глава 1. Неупругие явления в металлических сплавах				12
§ 1.1. Неупругая деформация скольжением и двойникованием				12
1. Упругая и неупругая деформация				12
2. Деформация скольжением				14
3. Деформация двойникованием				15
§ 1.2. Мартенситные превращения				18
1. Общие закономерности мартенситных превращений				19
§ 1.3. Феноменологическая теория мартенситных превращений				21
1. Деформация с инвариантной плоскостью				21
2. Деформация с инвариантной решеткой				23
3. Эллипсоид деформации				23
4. Структура межфазной границы				25
5. Формоизменение при мартенситном превращении				27
§ 1.4. Термодинамика мартенситных превращений				30
1. Характеристические точки мартенситных превращений				30
2. Мартенситные превращения со взрывной кинетикой				32
3. Особенности термоупругих мартенситных превращений				33
§ 1.5. Мартенсит охлаждения, напряжения и деформации				35
1. Мартенсит охлаждения				36
2. Мартенсит напряжения (область температур М_s^σ > Т_деф > M_s)				36
3. Мартенсит деформации (область температур Т_деф > М_s^σ)				38
4. Деформация мартенсита охлаждения (Т_деф < Мf и Мf < Т_деф < M_s)				38
§ 1.6. Обратимость неупругой деформации и эффекты памяти формы				39
1. Обратимость неупругой деформации				39
2. Сверхупругость и односторонний эффект памяти формы				41
3. Сверхупругость в области низких температур				45
4. Эффект памяти формы при деформации мартенситных кристаллов				47
5. Обратимый эффект памяти формы				50
§ 1.7. Условия обратимости неупругой деформации				51
Глава 2. Кристаллическая структура сплавов с эффектами памяти формы				54
§ 2.1. Мартенситные превращения в сплавах с атомно-упорядоченной решеткой				54
1. Перестройка структуры при мартенситном превращении				54
2. Расчет структурного фактора				59
§ 2.2. Кристаллографическая обратимость мартенситных превращений в сплавах с упорядоченной решеткой				60
§ 2.3. Взаимная ориентация решеток аустенита и мартенсита				62
1. Преобразования координат				62
2. Матрица ориентационного соотношения				64
3. Эквивалентные варианты ориентационного соотношения				66
4. Анализ близких ориентационных соотношений				68
§ 2.4. Эффект памяти формы в атомно-неупорядоченных твердых растворах				69
Глава 3. Двойникование мартенситных кристаллов				72
§ 3.1. Кристаллография двойникования кристаллов				72
1. Оператор двойникования				72
2. Двойниковая связь вариантов ориентационного соотношения				74
§ 3.2. Самоаккомодационные комплексы кристаллов мартенсита				77
1. Двойниковая структура мартенситных кристаллов				77
2. Кристаллы мартенсита с одной плоскостью двойникования				79
3. Комплексы с двумя плоскостями двойникования				83
4. Тетрагональная и орторомбическая дисторсия				83
5. Ромбоэдрическая дисторсия				86
6. Угол между плоскостями двойникования 90°				87
7. Угол между плоскостями двойникования 60°				90
8. Угол между плоскостями двойникования 45°				90
9. Комплексы с тремя плоскостями двойникования				91
§ 3.3. Релаксация упругих напряжений при самоаккомодации — общий случай				92
§ 3.4. Экспериментально наблюдаемые самоаккомодационные комплексы мартенситных кристаллов				96
1. Релаксация упругих напряжений при двойниковании R-мартенсита в никелиде титана				96
2. Самоаккомодационные комплексы в сплавах Cu-Ni-Al и Cu-Zn				98
Глава 4. Мартенситные превращения в сплавах с эффектами памяти формы				112
§ 4.1. Мартенситные превращения в твердых растворах с распадающейся высокотемпературной фазой				112
1. Зависимость характеристических точек мартенситных превращений от концентрации				113
2. Аддитивная модель мартенситных превращений в концентрационно неоднородных системах				114
3. Изотермическое старение при Ta > T0				115
4. Изотермическое старение при Ta < T0				119
§ 4.2. Мартенситные превращения в В2-соединениях титана				121
1. Последовательности мартенситных превращений в В2-соединениях титана и квазибинарных твердых растворах				121
2. Кристаллическая структура мартенситных фаз В19 и В19'				122
3. Кристаллическая структура R-мартенсита				124
4. Неустойчивость ОЦК структуры в B2-соединениях титана				126
§ 4.3. Мартенситные превращения в твердых растворах Ti-Ni				129
1. Диаграмма состояний системы Ti-Ni				129
2. Мартенситные превращения в твердых растворах системы Ti-Ni				130
3. Растворимость легирующих элементов в никелиде титана				130
§ 4.4. Распад метастабильной аустенитной В2-фазы в твердых растворах на основе никелида титана				132
1. Распад метастабильной В2-фазы				132
2. Тонкая кристаллическая структура b-фазы на стадии предвыделения X-фазы (соединения Ni4Ti3)				133
3. Кристаллическая структура X-фазы (соединения Ni4Ti3)				137
4. Изменения характеристик мартенситных превращений в процессе выделения X-фазы (соединения Ni4Ti3)				138
§ 4.5. Мартенситные превращения в сплавах на основе TiNi, полученных методом сверхбыстрой кристаллизации расплава				140
1. Сплавы системы TiNi-Nb				141
2. Сплавы системы TiNi-V				143
3. Естественное старение сплавов системы TiNi-V				145
§ 4.6. Аномальный температурный гистерезис превращения В2→ R в сплавах системы TiNi-V				148
1. Наблюдение аномального температурного гистерезиса				148
2. Условия реализации аномального температурного гистерезиса				152
§ 4.7. Закономерности мартенситных превращений в неоднородных твердых растворах на основе никелида титана				155
§ 4.8. Кристаллическая структура и мартенситные превращения в твердых растворах на основе меди				156
1. Сплавы системы Cu-Al				157
2. Сплавы системы Cu-Zn				159
§ 4.9. Кристаллическая структура и мартенситные превращения в твердых растворах на основе марганца				160
1. Кристаллическая и магнитная структура твердых растворов на основе g-марганца				161
2. Двойниковая структура кристаллов мартенсита				164
3. Влияние распада на характеристики мартенситных превращений в твердых растворах на основе марганца				165
§ 4.10. Мартенситные превращения в ферромагнитных сплавах на основе соединения Ni2MnGa				166
§ 4.11. Возможности и пути создания новых материалов с памятью формы на основе неупорядоченных твердых растворов				170
1. Кристаллография формирования самоаккомодационных комплексов мартенситных кристаллов				171
2. Анализ ориентационных соотношений при мартенситных превращениях β → a' и β → a'' в сплавах на основе титана и циркония				175
3. Мартенсит a''				175
4. Мартенсит a'				179
Приложение 1. Матричный метод описания кристаллических структур				181
1. Модель кристаллической решетки				181
2. Неоднозначность базиса				181
3. Обратная решетка				182
4. Описание ГЦК и ОЦК решеток в ромбоэдрическом базисе				183
5. Фундаментальный метрический тензор				185
6. Период идентичности				187
7. Объем элементарных ячеек прямого и обратного базиса				187
8. Межплоскостное расстояние				187
9. Индексы нормали к плоскости				188
10. Угол между прямыми				188
11. Угол между плоскостями				189
12. Угол между прямой и плоскостью				189
Приложение 2. Экспериментальные методы исследования структурных фазовых переходов и моделирование дифракционных картин				190
§ П.2.1. Дифракция рентгеновских лучей и электронов				190
1. Дифракция на кристаллической решетке				190
2. Уравнения Лауэ				192
3. Построение Эвальда				195
§ П.2.2. Экспериментальные методы исследования структурных фазовых переходов				197
1. Рентгеноструктурный анализ				197
2. Рентгеновский дифракционный анализ зерна поликристалла				198
3. Электронная микроскопия				199
§ П.2.3. Моделирование картин дифракции рентгеновских лучей и электронов				200
1. Моделирование картин дифракции рентгеновских лучей				200
2. Моделирование микроэлектронограмм				202
Литература				206

Предисловие ко второму изданию

Предлагаемое учебное пособие представляет собой переработанное и дополненное 2-е издание книги: Хунджуа А. Г. Введение в структурную физику сплавов с эффектами памяти формы. М.: Изд-во МГУ, 1991. Соответствующий курс лекций в течение многих лет читается для студентов кафедры физики твердого тела и аспирантов отделения физики твердого тела физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Предисловие

В основе механизмов эффекта памяти формы и сверхупругости лежит термоупругое мартенситное превращение, открытое в 1949 г. академиком Г. В. Курдюмовым и его учениками в сплавах Cu-Al-Ni и Cu-Sn. Суть явления сформулирована в тексте открытия, зарегистрированного Госкомитетом СССР по делам изобретений и открытий: «установлено неизвестное ранее явление термоупругого равновесия при фазовых превращениях мартенситного типа, заключающееся в образовании упругих кристаллов мартенсита, границы которых в интервале температур превращения при изменение температуры и (или) поля напряжений перемещаются в сторону мартенситной или исходной фазы с одновременным обратимым изменением геометрической формы образующихся областей твердого тела».

Эффект памяти формы (восстановление формы образца после неупругой деформации и последующего нагрева) был обнаружен в 1951 г. Л. Чангом и Т. Ридом в сплаве AuCd. Важность и практическая ценность этого открытия стали ясны на рубеже 50–60-х годов XX века после обнаружения эффектов памяти формы в сплаве Ti-Ni. Доступность материалов с ярко выраженным эффектом памяти перенесли проблему их использования в область практического материаловедения. С тех пор эффект памяти формы наблюдали в десятках других сплавов (табл. 2.1).

Сверхупругость, связанную с мартенситным превращением, впервые наблюдали в 1953 г. в сплаве In-Tl.

Отличительной чертой мартенситных превращений в сплавах с эффектами памяти формы является формирование самоаккомодационных комплексов [1–3] — системы доменов мартенситных кристаллов, разделенных (и в тоже время связанных) плоскостями двойникования. При формировании мартенсита охлаждения в отсутствии полей внешних напряжений самоаккомодационные комплексы имеют вполне определенное внутреннее строение и внешнюю огранку, по которым и следует проводить их классификацию. Строение самоаккомодационных комплексов определяется числом входящих в комплекс доменов и конфигурацией междоменных границ, т. е. задействованными плоскостями двойникования.

Об авторе

Хунджуа Андрей Георгиевич

Доктор физико-математических наук, профессор. Профессор кафедры физики твердого тела физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Заслуженный профессор Московского университета. Родился в Москве, окончил физический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова в 1973 г. В 1980 г. защитил кандидатскую, а в 1998 г. — докторскую диссертацию по фазовым превращениям в металлических сплавах.

А. Г. Хунджуа — автор более 200 научных работ, в том числе учебников и учебных пособий «Введение в физику твердого тела и молекулярную биологию», «Лекции по физике твердого тела» (М.: URSS, соавтор Г. С. Жданов), «Введение в структурную физику сплавов с эффектами памяти формы», «Структурные превращения в сплавах с эффектами памяти формы» (М.: URSS), «Физика в истории человечества» и др.