Коллеров М.Ю. Функциональные материалы (пособие)

Р исунок 3.13. Схема установки д я определения термомеханических характеристик методом консольного изгиба [17, стр. 63]

При восстановлении формы в процессе нагрева образец перемещает

	через упорный штырь измерите ьный круг. По изменени							угла п ворота
	измери тельного круга рассчитывают характеристики							восстановления
	формы:
	Н						100%	(27)
			2R h
	В		В		Н			(28)
				ост
	НВ			НВ		Н		(29)
				ост
	СУ			ост		Н		(30)
				Н

СВФ	В		100%	(31)
		о ст
где h – толщина образца,		[мм]; R –		радиус вала [мм]; Н, ост,
углы поворота измерительного		круга при наведении деформации,

разгрузки, восстановления формы , соответственно ( В = ост - НВ).

НВ –

после

81

Если восстановлению формы противодействует изгибающий момент МИЗГ, то можно рассчитать реактивные напряжения ( Р) и удельную работу восстановления формы (аВ):

Р		M ИЗГ	[МПа]						(32)
		W
aВ	P D 360			Дж					(33)
					м	3
		В V
где W – момент сопротивления				сечения (W				d 3	– для круглого
								32

сечения; W bh62

– для прямоугольного сечения); V – объем образца

подвергнутый деформации [м3].

3.3.4 Определение критических степеней деформации материала

Термомеханические свойства МПФ во многом определяются схемой и степенью деформации. Целесообразно рассматривать их в зависимости от величины наведенной деформации, и приводить при соответствующих критических степенях деформации.

Величина критической степени деформации определяется соотношением напряжений мартенситного превращения (МП) и скольжения (рис. 3.14 а). Соотношение параметров этих процессов будет определять вид результирующей деформационной кривой МПФ, которая в общем виде представлена на рисунке (рис. 3.14 б).

При деформации материала сначала достигается уровень напряжений МП и реализуется механизм мартенситного превращения. Величина накапливаемой деформации при этом ограничена кристаллографическими особенностями превращающихся фаз. С увеличением степени деформации напряжения мартенситного превращения интенсивно возрастают. Это связано с постепенным уменьшением количества благоприятно ориентированных по отношению к прилагаемой нагрузке объемов исходной фазы, а также упругим взаимодействием растущих кристаллов мартенсита между собой и дефектами кристаллического строения (скоплениями дислокаций, границами зерен и второй фазы). Поэтому при дальнейшей

82

дефор мации напряжен я могу			достигать уровня, необходимого для
развития	процессов	скольжени я. При		этом	еализуется сме анный
механ зм	деформации, включающий в			себя	элементы мартен итного
превращения и скольжения. Степень дефо				рмации, соответствующая началу
смешанного механизма формоиз			енения с	оответствует перв ой критической
степени	деформации	(ε1КР), по	достиж	ении	которой материал теряет

способность к полному формовосстановлению.

ск

	1	3	2

		кр1			кр2
а)	б)
Р исунок 3. 4. Кривые деформации материала (а) по	артенситному механизму (1)

и скольжением (2 ), и результирующая деформационная кривая МПФ (б). Механизмы формоизменения: 1- мартенситный, 2- скольжение, 3- смешанный.

Угол наклона деформационной						кривой (рис. 3.14 б) определяет
интенсивность		возрастания напряжений по мер					развит ия		деформации.
Очевидно,	что чем более пологий вид имеет кривая,							тем	при больших
степенях	деформации		достигается		уровень напряжений скольжения и,
следовательно, выше значения критической степени деформации.
Вторая		критическая		степень		деформации		( ε2КР)		отвечает
макси мальной		еличине εВ и/или εСУ.
Величины		ε1КР и ε2КР опре еляют смену механизма ф ормоизменения
материала	(см. рис.		3.14).	П ри	деформация		до ε1КР реализуется
мартенситный		механизм		ф ормоизменения,			включ ающий			рост
мартенситных		ристалл в или их переориентацию двойникованием. Свыше

ε1КР деформация приводит к разв итию скольжения, вследствие чего полного

83

восстановления формы после разгрузки и нагрева не п							роисходит. При
дефор мациях более ε1КР		скольжение приобретает превали					рующую роль в
механ зме формоизменения материала, что затруд яет реал							изацию эффекта
памяти формы. Накопление			необратимых	дефектов		к	ристаллического
строения при развитии		процессов скол жения			приводит		к	расширению
интервала температур восстановления формы и резкому снижению СВФ.
сли	ве ичина	невосстан овленной деформации					е	приводит	к
заметному изменению геометри еских р змеров					зделия,		то ее можно не
учитывать.	Невосстановленная		деформация	порядка		0,2 % находится			в
пределах допусков на большинство видов изделий и, в то							же время, может
быть достаточно точно измерена в процес е исследований.
Для определения критических степеней деф ормации							и отвечающих
им тер момеханических свойств МПФ п оводят					ерию эксперимен тов на
образцах с	различной	степенью наведенной			деформации,			результаты
которы х представляют		виде зависимостей В, С Ф, АНВ					и АКВ от Н или
ост, рисунок 3.1 5.

Р исунок 3.15. Влияние остаточной ( ост) или наведенной ( н) деформации на характеристики эффекта памяти формы (Анв, Акв, В, СВФ) и кр итические степени деформации ( 1КР, 2КР) [17, стр. 65]

84

На этих зависимостях выделяют критические степени остаточной или наведенной деформации - ε1КР и ε2КР. Как правило, эти зависимости можно разделить на три этапа. На первом В, СУ линейно растут с увеличением Н, а СВФ составляет 100%. На втором этапе рост В и СУ замедляется и появляется невосстановленная деформация НВ СВФ постепенно снижается. На третьем этапе наблюдается уменьшение В и СУ и рост НВ происходит интенсивно, СВФ стремиться к нулю. Такое стадийное изменение характеристик восстановления формы связано с различиями в механизме формоизменения материала. На первой стадии при деформации МПФ реализуется механизм передвойникования мартенсита (при температурах ниже МН) или его образования из аустенита (при температурах выше МК). Чем выше степень наведенной деформации материала, тем больше объемная доля благоприятно ориентированного мартенсита и величина восстановленной при нагреве деформации. По мере увеличения наведенной деформации повышаются напряжения двойникования или мартенситного превращения, достигая при переходе ко второй стадии напряжений скольжения. Накопленная при образовании и движении дислокаций пластическая деформация не обратима при последующем нагреве, что приводит к образованию невосстановленной деформации и замедлению роста В и СУ. На третьей стадии механизм скольжения становится превалирующим в формоизменении материала, затрудняет восстановление ориентировки аустенита при нагреве и вызывает снижение В.

Знание деформационных границ реализации различных стадий механизма формоизменения МПФ является важным, поскольку определяет области работоспособности материала. Деформации до 1КР должны использоваться в многократносрабатывающих изделиях из МПФ (термосиловые приводы механизмов и т.п.), а в однократносрабатывающих изделиях (термомеханические соединения и т.п.), до 2КР. В этом отношении наиболее важной является 1КР, определение которой целесообразно проводить до появления экспериментально определяемой величины невосстановленной деформации. В большинстве случаев эта величина может соответствовать 0,2%. Определение 0,2КР целесообразно проводить

85

по серии опытов, в процессе кот рых образец цик ически деформируется с

малых до более высоки х степен ей (рисунок 3.16).				После каждого цикла
дефор мируемый	образец	нагревают	выше	АК	и	определяют
невосстановленную степень		деформации	(рис. 3.16 б).		Интерполируя
зависимость НВ, определяют критическу			деформацию, соответствующую
НВ = 0,2% (рис.	3.16 в). Критической степени деформации					на кривой

нагруж ения (рис. 3.16 а) отвечают критические напряжения - 0,2КР.

а)

б)

в)

Р исунок 3. 6. Схема определения критической степени деформации МПФ: а) цикличе кая деформация образца до различных степеней;

б) нагрев выше АК и определение степе и невосстановленной деформации для каждой наведенной деформации;

в) определение критической деформации, соответствующей НВ = 0,2%.

Критические степ ни деформации пределя ются схемой нагружения и температурой деформации (рисунок 3.17). При температурах нагружения

86

материала выше МН ε1КР снижается и достигает в личин, характерных для обычной упругой деформации при температурах свыше Мσ. Учет значений критических степеней деформации является обязательным при проектировани и изделий из матер иалов с ффектом памяти формы.

Р исунок 3.17. Влияние схем ы деформации на температу рную зависимость критической степени деформ ации в сп лаве Ti - 54 ,8 масс. % Ni [17, стр . 66]

.

Вопросы для самоконт роля к Главе 3

1. Перечислите ЭПФ, обусловленные термомеханическим возвратом.

2. Перечислите ЭПФ, обусловленные механо ермическим возвратом.

3. Назовите температурные термомеханические свойства МПФ.

4. Назовите деформационн ые термо механические свой ства МПФ.

5	. Назовите силов е термо механические свойства МПФ.
6	. Назовите энергетические термомеханические свойс тва МПФ.
7	.	В	ч м	различие	между	классической сверхупругостью	и
сверхупругостью мартенсит-мартенситных превра ений?
8	.	В	ч м	различие	между	классической сверхупругостью	и
ферро пругост ю?

87

9.Как связаны между собой температуры восстановления формы и температуры мартенситного превращения?

10.Что такое степень восстановления формы, как ее определяют?

11.Что такое критическая степень деформации? Какие виды критических степеней деформации вам известны?

12.Чем обусловлено появление критических деформаций у МПФ?

13.Как проводят измерения свойств ЭПФ при испытании на растяжение?

14.Как проводят измерения свойств ЭПФ при испытании на сжатие?

15.Как проводят измерения свойств ЭПФ при испытании на изгиб?

16.Как проводят измерения свойств ЭПФ при испытании на

кручение?

88

Глава 4. Особенности структуры и свойств сплавов с упорядоченной структурой

4.1. Структура и свойства сплавов на основе никелида титана

Одним из интерметаллидов, в котором эффект памяти формы и сверхупругость проявляются наиболее ярко при хорошем комплексе химических, физических и механических свойств, является никелид титана.

Никелид титана является эквиатомным интерметаллидом с упорядоченной по типу CsCl кристаллической структурой В2. Высокотемпературная модификация В2 при охлаждении в интервале температур +100 -90 С переходит в низкотемпературную В19 с орторомбической кристаллической решеткой или В19′ с моноклинным искажением - мартенсит. В процессе такого превращения может быть накоплено и, при обратном мартенситном превращении, возвращено до 8% деформации. Основные физические и механические свойства никелида титана приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Физические и механические свойства сплавов на основе никелида титана.

Температуры мартенситного превращения	-100 +120 С
Восстанавливаемая деформация	до 8%
Температура плавления	1310 С
Прочность	800-1400 МПа
Предел выносливости	350	МПа
Плотность	6,45	г/см3
Магнитные свойства	(парамагнетик)

В никелиде титана и сплавах на его основе высокотемпературная фаза имеет В2-структуру. Область гомогенности В2-фазы простирается от 49,5 ат.% при 1025°С до 55-57 ат.% Ni при 1100°С, но резко сужается с понижением температуры [18], особенно со стороны сплавов, богатых

89

никелем (рисун ок 4.1). Большинство исследований показ		вает, что ниже
650°С эвтектоидный или перитектоидный распад В2-фазы		отсутствует, и
вблизи эквиатомного	состава должна наблю даться	узкая	область
гомогенности (49,5-50,5	Ni ат.%), наличие которой	в свое	время

предполагал Корнилов И .И. с сотрудникам и [19].

Р исунок 4. . Диаграмма состояния системы Ti-Ni [17, стр. 68; 20, стр. 31]

На рисунке 4.2 приведена диаграмма последовательности МП в TiNi

вблизи эквиатомного	состава для закаленных с 800°	С сплавов. На
диаграмме можно в	делить четыре концентрацион	ных интервала
(А, Б, В, Г), в которых	меет место различная последовате	льность П при

охлаждении и нагреве. Во многих более поздних исследованиях, результаты которы х обобщ ены в работах [6, 20], в основном подтвержден такая последовательность МП, хотя соо тношение характ ристических тем ератур МП зависит не только от содержания Ni, но и структурного состоя ия В2-

90