Мартенситное превращение в бикристаллах NiTi с симметричными ∑25 границами зерен кручения и наклона = Martensitic phase transformation in NiTi bi-crystals with symmetric ∑25 twist and tilt grain boundaries

Abstract

NiTi сплавы привлекают большое внимание исследователей по ряду причин; среди них их практическая ценность и сложность для теоретического понимания. Наиболее выдающаяся особенность таких сплавов это эффект памяти формы, который обусловлен мартенситным превращением, протекающим при температурах близких к комнатной. Существует множество факторов влияющих на температуру фазового перехода в этих материалах, например, отличие химического состава сплава от стехиометрического, плотность дислокаций, размер кристаллитов и тип границ зерен. Последний фактор, из перечисленных, наименее изучен, и мы осведомлены только о нескольких работах, посвященных этому вопросу. В данной работе проведено моделирование методом молекулярной динамики с целью изучения вопроса влияния симметричной границы наклона и кручения в нанокристаллических бикристаллах на прямой и обратный мартенситные переходы при охлаждении с аустенитной B2 фазы и последующем нагреве с мартенситной B19' фазы. Определены и проанализированы фазовый состав, компоненты упругой деформации, относительное изменение объема, потенциальная энергия атома и сдвиговые напряжения в зависимости от температуры. Обнаружено, что тип границы зерна в бикристаллах существенно влияет на температуры фазовых переходов. Температуры начала и конца прямого и обратного мартенситного переходов существенно ниже в бикристалле с границами кручения по сравнению с бикристаллом, имеющим границы наклона. В целом, результаты моделирования, полученные в данной работе, качественно хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. NiTi alloys attract a lot of attention of researchers for a number of reasons; among them are their practical importance and challenges for theoretical understanding. The most exciting feature of these alloys is the shape memory effect due to the martensitic transformation at temperatures close to the room temperature. There exist many factors affecting the transition temperatures in such materials, such as a deviation from stoichiometric composition, dislocation density, grain size, and the type of grain boundaries. The latter factor is one of the less explored, and we are aware of just a few studies in this direction. In the present work, molecular dynamics simulations are carried out to reveal the effect of symmetric tilt and twist grain boundaries in bi-crystals with nanosized grains on the forward and reversed martensitic transformations during cooling down from the austenite B2 phase and subsequent heating up from the martensite B19’ phase. Phase composition, elastic strain components, relative change of volume, potential energy per atom, and shear stresses are calculated and analyzed as the functions of temperature. It is found that the type of grain boundaries in the bi-crystals strongly affects the transition temperatures. Start and finish temperatures of the forward and reverse martensitic transformations are much lower in the bi-crystal with twist grain boundaries as compared to that having tilt grain boundaries. Overall, the simulation results of this study are in a good qualitative agreement with the available experimental data.