Влияние напряжения на температурную кинетику мартенситных превращений и изменения деформации в сплавах с памятью формы на основе никелида титана

Впервые явление термоупругого равновесия фаз при мартенситных превращениях было обнаружено Г. В. Курдюмовым и JI. Г. Хандросом [15, 16] в сплаве Си-А1, и заключалось в том, что кристаллы новой фазы обратимо меняли свои размеры при изменении температуры или напряжения. Фазовые переходы, в которых наблюдалось такое термоупругое равновесие фаз, стали называть термоупругими. мартенситными превращениями. Позднее оказалось, что с этими превращениями связаны уникальные механические свойства, которые намного увеличили границы применения таких материалов, обычно называемых сплавами с памятью формы [25]. В отличие от обычных сплавов, эти материалы оказались способными восстанавливать при изотермической разгрузке или во время нагревания значительные неупругие деформации. С этого момента началось интенсивное изучение как физических процессов, так и механического поведения таких сплавов. .

В настоящее время к сплавам с памятью формы относится большое количество интерметаллидных соединений, наиболее широко используемым среди них является никелид титана. Этот сплав привлек внимание исследователей благодаря своим высоким физикомеханическим и технологическим характеристикам. Кроме того, сплавы на основе никелида титана обладают большой способностью к обратимому формоизменению, которое в некоторых случаях может достигать 10 — 12% [42, 55].: Широкое применение этого сплава в медицине и технике в качестве исполнительных и силовых механизмов устанавливает жесткие требования по эксплуатации, поскольку такие устройства, в большинстве своем, должны срабатывать в строго установленных для каждого случая температурных интервалах. Так как основной причиной обратимого формоизменения считали термоупругие мартенситные превращения, протекающие в материале, то долгое время полагали, что деформационные явления и фазовые переходы протекают в одних и тех же температурных интервалах. В соответствиис этим предположением температуры мартенситных переходов определяли либо с помощью рентгена, либо по изменению физических параметров и на основании полученных данных делали заключение о температурных интервалах реализации эффектов памяти. Однако наряду с этим имелись работы, в которых было показано, что такое строгое соответствие наблюдается не всегда. Так в [8, 29] выяснено, что возврат деформации при нагревании может наблюдаться задолго до температуры обратного мартенситного превращения, причем на этой стадии могло осуществляться до 7G % формовосстановления.- Причиной такого поведения материала, как показано в этих исследованиях, является механическое двойникование [14]. Как известно [41, 50, 52, 63], этот процесс наиболее полно проявляется именно в материалах с мартенситными переходами поскольку мартенсит изначально имеет большое количество двойниковых границ. В то же время, увеличение температуры уменьшает двойниковый предел текучести, облегчая тем самым процесс двойникования.

Смещение температур деформационных' явлений относительно характеристических температур фазовых переходов может происходить не только в область меньших температур, но и в область больших. В [26] обнаружено, что во время нагревания предварительно продеформированного сплава T^^Nisoj восстановление деформации начинается позже температуры начала обратного мартенситного превращения. Это было объяснено особенностями протекания предшествующего прямого фазового Перехода. Дело в том, что при охлаждении под напряжением в материале в первую очередь с большей вероятностью образуются те кристаллы, векторы сдвига которых сонаправлены с внешней нагрузкой (процесс монодоменизации), и образуется так называемый монодоменизированный мартенсит. Именно образование монодоменизированного мартенсита вносит вклад в накопление макроскопической деформации, наблюдающееся, в этом случае. Во время последующего нагревания эти кристаллы претерпевают обратное фазовое превращение в последнюю очередь, что приводит к наблюдаемому в эксперименте смещению температуры начала формовосстановления.

По-видимому, на величину и характер несоответствия температурных интервалов эффектов памяти формы и мартенситных переходов могут влиять предварительная термообработка, вид напряженного состояния и величина приложенных напряжений. Однако изучение данного вопроса в упомянутых выше работах, проделано не было.

Поэтому целью данной работы является экспериментальное выявление связи мартенситных превращений и формоизменения в деформированных и напряженных сплавахразработка физических представлений о влиянии напряжения на механизмы неупругой деформацииапробация структурно-аналитической теории прочности.

Небольшое количество экспериментальных работ, в которых обнаружено несоответствие температурных интервалов реализации эффектов памяти и' мартенситных переходов, несмотря на широкое исследование никелида титана, объясняется тем фактом, что в большинстве случаев механическое поведение и физические процессы исследуются в различных экспериментах, после чего полученная информация сопоставляется. Такая последовательность действий может приводить к потере частичной информации о процессах, вызывающих формоизменение, и о влиянии на них внешних факторов. Для получения полной информации наибольший интерес представляют те работы, в которых исследование механического поведения и мартенситных превращений осуществляется одновременно. Учитывая это обстоятельство, и в соответствии с поставленной целью в задачи. данного исследования входило: создание методики экспериментального изучения одновременного изменения тепловых явлений и механического поведения материалов с эффектами памятиэкспериментальное изучение влияния напряжения на соответствие температурных интервалов реализации мартенситных превращений и отдельно взятого деформационного явления (эффектов пластичности превращения, памяти формы, обратимой памяти формы, генерации и • релаксации реактивных напряжений) — — моделирование процессов превращения и деформирования материалов на основе структурно аналитической теории прочности. Представленная диссертация состоит из пяти глав и заключения. Первая глава посвящена обзору литературы и состоит из четырех разделов. В главе приведены описание и закономерности развития основных эффектов памяти формы, таких как псевдоупругость, пластичность превращения, память формы, обратимая память формы, генерация и релаксация реактивных напряжений. Рассмотрены основные механизмы обратимого формоизменения, к которым относятся термоупругие • мартенсйтные превращения и механическое двойникование. Характеристики термоупругих мартенситных переходов рассмотрены как в общем случае, так и на примере никелида титана. Представлен обзор имеющихся экспериментальных результатов по влиянию внешнего напряжения как на закономерности протекания мартенситных превращений и механического двойникования, так и на особенности реализации эффектов памяти. Даны основные положения модели, применяемой в расчетах и основанной на структурно-аналитической теории прочности [6, 18]. Проведенный анализ литературы показал большую разрозненность экспериментальных данных в вопросе о соответствии температурных интервалов реализации мартенситных превращений и эффектов памяти.

Во второй главе, состоящей из двух разделов, сформулирована цель диссертационной работы и задачи исследованияизложена методика проведенных экспериментов. •.

В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментов. Глава состоит из четырех разделов, каждый из которых посвящен изучению вопроса о соответствии температурных интервалов реализации мартенситных переходов и отдельно взятого деформационного явления и о влиянии напряжения на величину этого соответствия. Вопрос исследован на примере эффектов пластичности превращения, памяти формы, обратимой памяти формы, генерации и релаксации реактивных напряжений.

В четвертой главе, состоящей из трех разделов, проведен подбор констант для расчета модельного материала. Выполнены расчеты поведения материала при термоциклах под постоянным напряжением, возрастающем от цикла к циклу, и в режиме генерации и релаксации реактивных напряжений. Кроме этого, осуществлено сопоставление полученных в расчете результатов с экспериментальными данными. Соответствие результатов моделирования с опытными данными оправдывает выбор используемой модели и подтверждает правильность развиваемого ' подхода для описания функционального поведения материалов с памятью формы.

В пятой главе представлен анализ всей совокупности полученных экспериментальных и теоретических. данных. Констатируется, что однозначное соответствие между температурными интервалами мартенситных превращений и эффектов памяти формы наблюдается далеко не всегда. Характер этих различий зависит от термомеханических условий, в которых находится материал и от величины действующих напряжений. Полученные данные интерпретированы с учетом того, что в материале имеется полидоменные и монодоменизированные области мартенсита, которые имеют различные температурные интервалы. В этом случае изменение. физического параметра (например, теплоемкости). фиксирует интегральную кривую, в то время как изменение деформации связано только с преобразованием монодоменизированного мартенсита. Таким образом, одновременное измерение механических и физических свойств должно приводить к несовпадению температур начала фазовых переходов и неупругого деформирования, что и наблюдается экспериментально.

Полученные экспериментальные и теоретические данные позволили сделать следующие выводы.

1. Температурные интервалы изменения деформации и мартенситных превращений в общем случае не совпадают при реализации всех основных эффектов памяти формы.

2. В условиях охлаждения сплавов на основе никелида титана при постоянном напряжении, деформирование в направлении силы начинается за 10−15 К до начала прямого мартенситного превращения. Деформация, накапливаемая на этом участке, является неупругой и обратимой при нагревании и может быть связана с образованием промежуточных структур сдвига в предмартенсйтной области. .

3. Обратное превращение в предварительно деформированных сплавах на основе никелида титана происходит в два отчетливо разлйчимых этапа, причем первый из них может не сопровождаться возвратом деформации. Двухстадийность обратного превращения обусловлена различной температурной кинетикой обратного превращения монодоменизированного и полидоменного мартенсита.

4. Несовпадение температурных интервалов обратного мартенситного превращения и восстановления деформации уменьшается с ростом предварительной деформации или величины приложенного напряжения, действующего при нагревании и охлаждении.

5. Модель, учитывающая структурное. строение материала и предполагающая индивидуальную температурную кинетику роста вариантов мартенсита, описывает наблюдаемые на опыте стадии превращения, сопровождаемые и несопровождаемые изменением деформации. Моделирование показывает, что не существует каких-то особых механизмов сдвига температур изменения деформации,. а все определяется закономерностями роста отдельных вариантов мартенсита.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах: 1. Егоров С. А., Евард М. Е., Реснина Н. Н. Различие влияния сдвиговых напряжений на превращения В2—"R и R—"В19' в сплаве TiNi. // Научные труды IV Международного семинара' «Современные проблемы прочности» имени В. А. Лихачева, г. Старая Русса, 18−22 сентября 2000 г. — Великий Новгород — 2000. -С. 102−109 .

2. М. Е. Евард, С. А. Егоров, Н. Н. Реснина Мартенситные превращения в сплаве TiNi при охлаждении под нагрузкой. // Физика процессов деформации и разрушения и прогнозирование механического поведения материалов/ Труды XXXVI Международного семинара «Актуальные проблемы прочности», г. Витебск, 26−29 сентября 2000 г. — Витебск,-2000.-С. 330−335.

3. ЕгоровС. А., Евард М. Е., Реснина Н. Н., Сидорова О. В. О механизмах деформирования сплава TiNi при охлаждении под нагрузкой. // Труды XXXVIII Международного семинара «Актуальные проблемы прочности», г. Санкт Петербург, 24−27 сентября 2001 г. — Санкт Петербург-2001.-С.253−256. •.

4. С. А. Егоров, Н. Н. Реснина, М. Е. Евард, А. Е. Волков. Влияние напряжений на теплофизические свойства мартенситных превращений в TiNi. // Труды XXXVIII Международного семинара «Актуальные проблемы прочности», г. Санкт Петербург, 24−27 сентября 2001 г. — Санкт Петербург-2001;С.57−62.

5. С. А. Егоров, Н. Н. Реснина, М. Е. Евард, А. Е. Волков О взаимном соответствии мартенситных превращений и эффектов памяти в никелиде титана // Нелинейные проблемы механики и физики деформируемого твердого тела. Вып.6. СПб.-2002.-С. 64−71.

Основные результаты и выводы:

1. Создана методика экспериментального изучения одновременного изменения тепловых явлений и механического поведения материалов с эффектами памяти.

2. Температурные интервалы, изменения деформации и мартенситных превращений в общем случае не совпадают при реализации всех основных эффектов памяти формы.

3. В условиях охлаждения сплавов на основе никелида титана при постоянном напряжении, деформирования в направлении силы начинается за 10−15 К до начала прямого мартенситного превращения. Деформация, накапливаемая на этом участке, является неупругой и обратимой во время нагревания и может быть связана с образованием промежуточных структур сдвига в предмартенситной области.

4. Обратное превращение в предварительно деформированных сплавах на основе никелида титана происходит в два отчетливо различимых этапа, причем первый из них может не сопровождаться возвратом деформации. Двухстадийность обратного превращения обусловлена различной температурной кинетикой обратного превращения монодоменизированного и полидоменного мартенсита.

5. Несовпадение температурных интервалов обратного мартенситного превращения и восстановления деформаций уменьшается с ростом предварительной деформации или величины' приложенного напряжения, действующего при нагревании.

6. Модель, учитывающая структурное строение материала и предполагающая индивидуальную кинетику роста вариантов мартенсита, описывает наблюдаемые на опыте стадии превращения, сопровождаемые и несопровождаемые изменением, деформации. Моделирование показывает, что не существует каких-то особых механизмов сдвига температур изменения деформации, а все определяется закономерностями роста отдельных вариантов мартенсита.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика одновременного изучения тепловых явлений и механического поведения материалов с памятью формы.

2. Закономерности влияния напряжения на накопление неупругой деформации вне интервала мартенситных переходов.

3. Закономерности влияния предварительной деформации и напряжения на температурные интервалы обратного мартенситного перехода и восстановление деформации в никелиде титана.

4. Закономерности, связывающие температурную кинетику мартенситных превращений и изменение деформации и напряжения при реализации эффектов обратимой памяти формы и генерации и релаксации реактивных напряжений.

5. Результаты моделирования процессов превращения и деформирования материалов во время термоциклирования при различных краевых механических условиях с помощью структурно-аналитической теории прочности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.