Эффект памяти формы в никелиде титана и сплавах на его основе при сложных режимах термосилового воздействия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЬШ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Демина Маргарита Юрьевна

УДК 539.37:669.018.2

ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В НИКЕЛИДЕ ТИТАНА И СПЛАВАХ НА ЕГО ОСНОВЕ ПРИ СЛОЖНЫХ РЕЖИМАХ ТЕРМОСИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -кандидат физико-математических наук С.П. Беляев

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................3

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР..................................................9

§ 1Л. Мартенситные превращения. Природа эффектов памяти

формы.......................................................................................9

§ 1.2. Эффекты памяти формы в условиях сложного

нагружения.............................................................................13

§ 1.3. Структурно-аналитическая теория пластичности................18

ГЛАВА II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ

МЕТОДИКА..........................................................................35

§ 2.1. Основная цель исследования.................................................35

§ 2.2. Техника и методика эксперимента........................................36

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ........................41

§ 3.1. Закономерности эффекта реверсивной памяти формы

в сплавах на основе никелида титана...................................41

§ 3.2. Влияние сжимающего напряжения на эффект реверсивной

памяти формы при кручении.................................................52

§ 3.3. Эффекты памяти формы в никелиде титана и сплавах

на его основе при сложно-напряженном состоянии.............60

§ 3.4. Эффект памяти формы в никелиде титана после

сложных режимов термо-силового воздействия..................89

ГЛАВА IV. РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ. РЕЗУЛЬТАТЫ

ВЫЧИСЛЕНИЙ.....................................................................98

ГЛАВА V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.......................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................132

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время известен достаточно широкий класс материал лов, обладающих уникальными физико-механическими свойствами. Характерной особенностью этих материалов является их способность к самопроизвольному формоизменению после значительного неупругого деформирования. Восстановление формы наблюдается как в изотермических условиях, так и при изменении температуры; процесс не удается подавить даже значительными противодействующими нагрузками. Совокупность необычных явлений, заключающихся в обратимости больших неупругих деформаций, принято называть эффектом памяти формы, а материалы, в которых отмечены подобные свойства, материалами с памятью формы.

Возврат формы при превращении предполагает возможность формоизменения при произвольном напряженном и деформированном состоянии или после сложных температурно-силовых воздействий, когда, например, одновременно с изменением температуры во время мар-тенситного перехода меняется и поле напряжений. Поведение материалов с памятью в таких условиях исследовано крайне недостаточно. Отсутствует понимание наследственных процессов, происходящих как на микро-, так и на макроуровнях при мартенситных превращениях в сложнонагруженных и сложнодеформированных кристаллах. По этой причине не представляется возможным адекватное теоретическое описание и прогнозирование механического поведения материалов с памятью формы при сложных термо-силовых воздействиях.

Большая часть исследований деформационного поведения указанных сплавов посвящена простым способам механического воздействия; кручению, растяжению, сжатию иди изгибу. Лишь в последние годы появились работы, где показано, насколько нетривиальными могут

быть проявления эффекта памяти формы в сложных температурно-силовых условиях. Основные экспериментальные данные, полученные для режимов со сложными траекториями нагружения, можно резюмировать следующим образом. В никелиде титана, одном из характерных сплавов данного класса, отсутствует эффект латентного упрочнения (предварительное растяжение не влияет на кривую деформирования при последующем кручении). Кинетика восстановления деформации после знакопеременного деформирования имеет реверсивный характер (деформация в процессе нагревания меняет направление). Последовательность этапов возврата деформации, как правило, обратна последовательности ее задания. И наконец, если траектория предварительного нагружения ортогональна, то формовосстановление в пространстве деформаций осуществляется кратчайшим путем (связь между деформациями линейна).

Известно, что вся совокупность физико-механических свойств сплавов с памятью формы обусловлена кинетикой зарождения, роста и исчезновения мартенситных кристаллов, то есть кинетикой прямого и обратного мартенситных превращений. В случае простого нагружения приложенное напряжение способствует развитию кристаллов благоприятной ориентации и затрудняет рост других кристаллов мартенсита. В результате деформация, соответствующая направлению приложенной силы, значительно превосходит остальные компоненты тензора деформаций. Изменения кристаллической структуры, имеющие место в режимах с переменным полем напряжений или при сложно-напряженном состоянии, более сложны. Здесь в одинаковых либо разных термодинамических обстоятельствах возникают и растут кристаллы разных ори-ентаций. Очевидно, что кинетика их исчезновения определяет возврат деформации на макроуровне, а следовательно, и траекторию формовое-

становления при нагревании. Путь нагружения влияет на формирование структуры мартенсита, обусловливая тем самым «запись информации» о последовательности задания материалу деформации.

Таким образом, при постановке экспериментальной задачи преследовали две цели. Первый аспект заключался в изучении кинетических особенностей формоизменения материалов с мартенситными превращениями, второй - в исследовании закономерностей проявления эффекта памяти формы при сложно-напряженном состоянии и в условиях переменного поля напряжений, когда путь нагружения представляет собой изменение знака одной из компонент тензора напряжений либо изменение вида напряженного состояния.

Сплавы с эффектом памяти формы находят все более широкое применение в самых различных областях техники и медицины. Безусловно, сфера их использования со временем станет еще шире. Для того чтобы прогнозировать характеристики рабочих элементов, выполненных из материалов с мартенситными превращениями, в устройствах самого разнообразного функционального назначения, необходимо наперед знать, какова будет траектория возврата формы в пространстве деформаций и температуры. В существующих приспособлениях материалы не всегда подвергаются простым способам деформирования. Использование их в качестве элементов, совершающих сложную последовательность перемещений в пространстве, предполагает и нетривиальные режимы деформирования, когда одновременно с изменением температуры изменяется поле приложенных напряжений. Комбинации температурных и силовых условий могут быть самыми разными в зависимости от характера работы устройства. Воспроизвести их все на опыте нереально, поэтому вопрос о возможности теоретического расчета деформационного поведения сплавов в подобного рода режимах важен

как с научной, так и с практической точек зрения.

Все попытки решить проблему теоретического описания физико-механических свойств материалов с памятью формы можно разделить на две группы. К первой относятся физические теории мартенситного превращения, основанные на представлениях о внутриструктурных перестройках материала. Вторую составляют подходы, применяемые в механике твердого тела. Однако эти методы способны решать только часть узких специальных задач и не объясняют всей совокупности многообразных механических свойств, наблюдаемых на опыте. В.А. Лихачевым и В.Г. Малининым предложен способ построения теории прочности и пластичности, которая описывает деформационное поведение как классических металлов, так и сплавов с памятью формы. Сами авторы называют созданную ими теорию структурно-аналитической.

Теоретическая часть работы заключалась в выполнении расчетов формоизменения материалов с памятью формы для режимов деформирования, исследованных экспериментально. Вычисления проводили численными методами в реологической постановке, калибруя константы на тестовых режимах, таких как, например, термоциклирование под нагрузкой через температурный интервал мартенситного превращения, активное деформирование при различных температурах. За основу при построении алгоритма вычислений была принята физическая модель деформации фазового происхождения, сформулированная в структурно-аналитической теории. При расчетах не учитывали вклад дислокационной пластичности, который также имеет место в данном классе сплавов, полагая, что деформации, соответствующие этому каналу, значительно меньше по величине по сравнению с деформацией, обусловленной мартенситными реакциями.

Основные результаты работы можно резюмировать следующим

образом:

1. Создана методика экспериментального исследования кинетических особенностей деформационного поведения никелида титана и сплавов на его основе в условиях сложного температурно-силового воздействия.

2. Установлены закономерности проявления эффектов памяти формы после режимов предварительного деформирования, заключающихся в изменении знака действующей нагрузки, и при сложном напряженном состоянии.

3. Показано, что эффекты второго порядка малости по величине (эффект реверсивной памяти формы и отклонение от прямолинейной траектории в пространстве деформаций) указывают на принцип пространственно-неоднородного развития фазовой деформации в материалах с памятью формы.

4. Механические свойства сплавов с памятью формы, наблюдаемые экспериментально, интерпретированы физической моделью фазовой деформации, обусловленной мартенситными превращениями, которая предложена в структурно-аналитической теории прочности и пластичности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Величина эффекта однократной реверсивной памяти формы определяется температурой, при которой меняется знак действующего на этапе охлаждения напряжения, а также видом напряженного состояния сплава в процессе задания деформации.

2, Интенсивность накапливающихся и восстанавливающихся деформаций в условиях сложного напряженного состояния зависит от

интенсивности приложенных напряжений и инвариантна относительно вида напряженного состояния.

3. Формовосстановление при нагревании в свободном от напряжений состоянии является результатом независимого наложения возврата предварительно заданных деформаций.

4. Изменяя вид напряженного состояния сплава и величину действующих во время превращения напряжений, можно сформировать практически любую, сколь угодно сложную траекторию формоизменения.

5. Математическая модель деформации, обусловленной мар-тенситными превращениями, в основу которой положена методология структурно-аналитической теории прочности и пластичности, описывает формовосстановление после любого режима предварительного термо-силового воздействия.

Автор отдает дань памяти Лихачеву Владимиру Александровичу, который являлся инициатором и научным руководителем данной работы.

ГЛАВА I АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

§ 1.1. Мартенситные превращения.

Природа эффектов памяти формы

Особенности физико-механических свойств материалов с эффектом памяти формы обусловлены происходящими в них необычными структурными перестройками: мартенсигными реакциями, упругим двойникованием, а также движением частичных или сверхструктурных дислокаций. Мартенситное превращение представляет собой разновидность полиморфного фазового перехода [1-4]. Полиморфизм - явление, обычное для многих кристаллических материалов. В целом ряде металлов и сплавов при изменении температуры или нагрузки наступает такой момент, когда меняется тип кристаллической решетки. Стимулом превращения является энергетическая выгодность существования новой кристаллической структуры с меньшим значением термодинамического потенциала. Кристалло-физический механизм мартенситного превращения имеет много общего с механическим двойникованием кристаллов [5-8]. В обоих случаях относительные перемещения соседних атомов при перестройке не превышают межатомных расстояний; большая часть атомов после сдвига имеет тех же соседей, только иначе расположенных. В итоге это приводит к появлению некоторой деформации. В отличие от двойникования, которое лишь переориентирует решетку, после мартенситного превращения структура кристаллов новой фазы становится эквивалентной структуре исходного кристалла. Мартенситные реакции происходят, как правило, с большими скоростями,

составляющими заметную долю скорости звука, даже в области низких температур, что исключает какой-либо заметный вклад диффузии в процесс [9].

Инициировать в материале мартенситные превращения можно как изменением температуры, так и механическими напряжениями. Для определенности реакцию, возбуждаемую охлаждением, называют прямым, а нагреванием - обратным мартенситным переходом; высокотемпературную фазу, из которой образуется низкотемпературная, принято называть аустенитом, низкотемпературную - мартенситом.

По кинетике мартенситные превращения разделяются на взрывные и термоупругие [10-12]. Взрывное превращение характеризуется тем, что при некоторой температуре (температуре начала превращения) скачком образуется достаточно большое количество кристаллов мартенсита, которые сразу достигают некоторых размеров и больше не растут. При дальнейшем охлаждении происходит образование уже новых мартенситных кристаллов.

При термоупругом мартенситном превращении не только образование, но и рост появившихся кристаллов обусловлен изменением температуры. Первые кристаллы мартенсита зарождаются при температуре Мн - температуре начала мартенситного превращения -и растут с понижением температуры за счет соседних областей [13]. Температуру Мк, при которой весь объем будет заполнен мартенситом, называют температурой конца мартенситного превращения. Обратное мартенситное превращение, связанное с обратимым уменьшением кристаллов мартенсита, происходит уже в другом температурном интервале с характеристическими температурами. Ан и Ак. Температурный гистерезис является следствием аккомодации

тенситных кристаллов к окружающей их матрице [14-15].

В отсутствии механических напряжений температура термодинамического равновесия аустенитной и мартенситной фаз Т0 одинакова для всех ориет анионных вариантов мартенсита, поэтому кристаллы новой фазы зарождаются статист ически равновероятно во всем температурном интервале Мн - Мк, где Мн, Мк - температуры начала и конца превращения. В результате на макроуровне будет наблюдаться только дилатация [16].

Если превращение реализуется в поле приложенных напряжений ацс, то произойдет смещение характеристических температур AT

в соответствии с уравнением Клаузиуса - Клапейрона [16-20]

^ = (u)

То q

где Т0 - температура термодинамического равновесия, стл - тензор напряжений, Difc- локальная деформация превращения, q- скрытая теплота превращения. Следовательно, зарождение кристаллов произойдет не одновременно: одни появятся раньше, другие позже. Экспериментально показано, что в присутствии напряжений интенсивнее растут те кристаллы, которые благоприятно ориентированы по отношению к приложенному напряжению [21]. Поэтому к концу реакции они заполнят больший объем и дадут больший вклад в макроскопическую деформацию. В сказанном, по-видимому, и заключается причина интенсивного накопления деформации при охлаждении металла через интервал мартенситного превращения даже под небольшими нагрузками. Это явление называют эффектом пластичности превращения (ЭПП). Все основные закономерности эффекта, установленные экспериментально: линейная зависимость накопленной при полном превращении деформации от напряжений в конечном

интервале напряжений, влияние напряженного состояния на величину деформации превращения, зависимость характеристических температур от напряжений, описываются теоретической моделью данного явления, изложенной в работах [22-25]. Там же показано, что созданная в материале текстура является эффективным ориентирующим фактором и может определять макроскопической формоизменение в отсутствии напряжений.

Мартенсит имеет, как правило, решетку с более низкой симметрией, чем аусгенит. Поэтому, как показано в [24] пластичность прямого превращения по чисто кристаллогеометрическим причинам должна превышать пластичность обратного превращения. У сплавов с единственным кристалл