Механическое поведение материалов при сложных температурно-силовых воздействиях в условиях проявления мартенситной неупругости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

^ зь.оъМ'ОЧЬъ/о*

УХТИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

3 и д и V м В А К р г ■ На нравах рукописи

11 ^ 'Ж ' ¿К г/У; Я с? С"

■ГГ

ученую степень /V

I адшик улиа^^еяй:': а Л К и ,

^вдронавЛ5в.анНико|асвич

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СЛОЖНЫХ ТЕМПЕРАТУРНО - СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В УСЛОВИЯХ ПРОЯВЛЕНИЯ

МАРТЕНСИТНОЙ НЕУПРУГОСТИ

Специальность 01.02.04. - механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

УХТА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ_6

Глава I. Особенности функционально - механического поведения

материалов с мартенситным механизмом неупругости._10

§ 1.1. Общие сведения о материалах с обратимыми мартенситными

переходами__10

§ 1.2. Пластичность превращения в материалах с ОМП _19

§ 1.3. Явления памяти формы_24

§ 1.4. Обратимая (многократнообратимая)память формы металлов в

свободном состоянии_27

§ 1.5. Обратимая память формы, реализуемая в нагруженном

состоянии (Циклическая память формы)__32

§ 1.6. Мартенситная неупругость материалов, инициированная сложными

температурно-силовыми условиями нагружения__35

§ 1.7. Деформация ориентированного превращения__39

§ 1.8. Способы производства механической работы с помощью

мартенситных двигателей_43

§ 1.9. Эффект бароциклической памяти формы__52

§ 1.10. Влияние термоциклирования и термомеханической обработки

на эффект обратимой памяти формы и другие свойства МН материалов_57

§ 1.11. Мартенситные превращения, инициированные ударными

нагружениями_61

§ 1.12. Структурно - аналитическая теория прочности_64

§ 1.13. Структурно - аналитическая теория физической мезомеханики

материалов_76

Глава II. Постановка задачи и методика экспериментов_83

§ 2.1 Основные направления исследований_;_ 83

§ 2.2. Методика экспериментов_85

Глава III. Экспериментальное исследование мартенситной неупругости, реализуемой после сложного нагружения

(1 - направление исследований)_94

§ 3.1. Эффект памяти формы в сплаве TiNi, инициированный

предварительным односторонним ортогональным нагружением_94

§ 3.2. Эффекты мартенситной неупругости, инициированные

знакопеременным кручением и растяжением_99

§ 3.2.1. Эффект памяти формы в сплаве Mn -16%Си после

знакопеременного кручения_99

§ 3.2.2 Эффект памяти формы в сплаве Cu-Al-Mn, инициированный

кручением и осевым деформированием_101

§ 3.3. Мартенситная неупругость сплавов после сложного

нагружения._103

§ 3.3.1.Эффект памяти формы в сплаве Mn-16%Cu после сложного

нагружения._103

§ 3.3.2 Эффект памяти формы в сплаве Си - А1 - Мп, реализуемый

после сложного нагружения._113

§ 3.3.3. Эффект памяти формы в никелиде титана, инициированный

сложным деформированием_117

Краткие выводы по главе III_121

Глава IV. Экспериментальное исследование мартенситной неупругости и работоспособности материалов в условиях проявления циклической

памяти формы (2 - направление исследований)_123

§ 4.1. Циклическая память формы при сложном напряженном

состоянии_123

§ 4.1.1 Циклическая память формы у сплава TiNiCu при сложном

напряженном состоянии_123

§ 4.1.2 Циклическая память формы сплава CuAIMn в условиях

сложного нагружения_130

§ 4.1.3 Циклическая память формы и термоциклическая ползучесть

сплава Мп -37.5% (ат.%) Си в условиях сложного нагружения_131

§ 4.2 Влияние термомеханической "тренировки" на характеристики

циклической памяти формы и термоциклической ползучести_142

§ 4.3 Влияние вида напряженного состояния на характер деформирования материалов в условиях проявления мартенситной неупругости._149

§ 4.4 Деформация ориентированного превращения при сложном

напряженном состоянии в сплаве Мп-16% Си_155

§ 4.5 Мартенситная неупругость сплава Mn-16%Си, инициируемая

знакопеременной пластичностью превращения_157

§ 4.6 Работоспособность сплавов с каналами мартенситной

неупругости в условиях производства механической работы._160

§ 4.6.1 Влияние осевого деформирования на работоспособность

никелида титана в условиях кручения._160

§4.6.2 Влияние кручения на работоспособность никелида титана при

растяжении._164

§4.6.3 Влияние вида напряженного состояния на поведение

никелида титана в условиях производства механической работы._168

§ 4.6.4 Влияние термомеханической тренировки на работоспособность сплавов MnCu при кручении в условиях реализации циклической

памяти формы._175

Краткие выводы по главе IV_177

Глава V. Экспериментальное исследование явлений мартенситной

неупругости в изотермических условиях (3 - направление исследований)_180

§5.1 Деформационные эффекты при ортогональном нагружении в

сплавах с мартенситной неупругостью_180

§ 5.2 Эффекты мартенситной неупругости при механоциклировании_185

§ 5.2.1 Мартенситная неупругость в сплавах Си - 12.5%А1 - 4.5%Мп

и Мп-16%Си, инициированная растяжением и сжатием_185

§ 5.2.2. Мартенситная неупругость никелида титана при

механоциклировании_190

§ 5.3 Экспериментальная проверка гипотезы "единой кривой" на сплаве

ТН -1_197

§ 5.4 Особености осевого деформирования при кручении материалов с

каналами мартенситной неупругости_199

Краткие выводы по главе V_203

Глава VI. Прикладные аспекты использования материалов, обладающих свойствами мартенситной неупругости__205

Глава УП.Теоретическое обоснование основных экспериментальных

результатов_213

§7.1 Расчет циклической обратимой памяти формы в материалах

с мартенситными переходами второго рода_

§ 7.2 Изотермическое деформирование материалов с двойниковым

механизмом неупругости __

§7.3 Обратимая память формы, обусловленная действием ориентированных

напряжений__

§7.4 Деформация ориентированного превращения, обусловленная

ориентированными напряжениями_

§ 7.5 Концетрационная модель явлений мартенситной неупругости__

§ 7.6 Влияние вида напряженного состояния на поведение материалов

в условиях проявления циклической памяти формы _

§ 7.7. Расчет работоспособности материалов с фазовыми переходами

первого рода _

§7.8. Влияние вида напряженного состояния на характер

изотермического деформирования никелида титана._244

§7.9 Эффекты мартенситной неупругости, инициированные

изотермическим кручением материалов с фазовыми переходами_250

§ 7.9.1 Осевое деформирование при кручении материалов с двойниковым

механизмом неупругости _250

§ 7.9.2 Осевое деформирование металлов при кручении материалов с

фазовыми переходами первого рода _254

Выводы по главе VII_256

Общие выводы по работе _257

Заключение_261

Список литературы__265

.213 219 222

224 227

235

241

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время хорошо известен широкий класс материалов, обладающий обратимыми мартенситными переходами (ОМП). К ним относятся, прежде всего, сплавы на основе П№,МпСи,Сигп,СиА1,РеМп и другие. С полной уверенностью можно сказать, что указанные материалы занимают особое место в физике твердого тела, физическом материаловедении и механике деформируемого твердого тела (МДТТ), так как им характерен целый ряд уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, выделяющий их из класса обычных конструкционных металлов и сплавов. К этим свойствам прежде всего относится способность материала восстанавливать большие неупругие деформации до 10 15% при изменении температуры или изотермической разгрузке. В литературе отмеченные явления более известны как эффекты памяти формы (ЭПФ) и псевдоупругости (ПУ) [141]. Названным материалам характерен и ряд других эффектов, таких как: обратимая память формы (ОПФ) - обратимое изменение деформации при теплосменах; эффект реверсивной памяти формы (ЭРПФ) - реверсивное, т.е. знакопеременное изменение деформации при нагревании; пластичность прямого превращения (ППП) - накопление деформации в сторону внешней нагрузки при охлаждении в интервале прямого мартенситного перехода; циклическая память формы (ЦПФ) - обратимое формоизменение при термоциклировании в нагруженном состоянии и другие явления. Перечисленные свойства можно обобщить одним термином - мартенситная неупругость (МН). В целом явления (МН) достаточно хорошо изучены, однако большинство экспериментальных данных получены для простых видов нагружения - кручение, растяжение [141]. Вышеупомянутые уникальные свойства материалов с ОМП дают возможность использовать их в различных областях техники: в космонавтике, машиностроении, медицине и т.д. [167,171,193,199]. В частности, они могут быть использованы в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функционального назначения, мартенситных двигателях, тепловых реле, в строительных конструкциях и в ряде других инженерно-технических направлениях.

Разнообразное функциональное назначение таких элементов обуславливает возникновение в них сложного напряженного состояния, что позволяет говорить об актуальности проблемы исследования механического поведения материалов при сложных температурно-силовых воздействиях условиях проявления МН, так как информации о таких исследованиях в научной литературе имеется недостаточно [63, 141], а именно:

нет данных о влиянии вида напряженного состояния на поведение материалов в условиях проявления мартенситной неупругости при реализации ЦПФ; в то время как для некоторых сплавов при изотермическом деформировании, например, для стали 1Х18Н9Т [172, 181] или для сталей ЭИ415 и S ЮС [172] это является установленным фактом.

отсутствуют систематические экспериментальные исследования о влиянии характера пропорционального и двухзвенного ортогонального изотермического нагружения на реализацию МН при последующем нагревании;

не достаточно изучены свойства мартенситной неупругости, инициированные изотермическим деформированием материала.

Без ответа на поставленные вопросы невозможно эффективно использовать материалы с ОМП в устройствах и механизмах сложного функционального назначения. Обычные приемы МДТ, справедливые при решении задач теории упругости, пластичности и ползучести для сложного напряженного состояния [55,71,76,92,104-113, 135, 137, 180-182, 187, 188, 214, 216-219] и при деформировании по многозвенным траекториям нагружения

[2,55,100,101,124,137,160,176,181,210,211,222,225,], часто оказываются

малоэффективными при решении аналогичных задач для материалов с МН. Это связано с тем, что в названных материалах наряду с обычными упругими и дислокационными каналами деформаций всегда присутствуют и деформационные каналы, обусловленные мартенситными фазовыми переходами первого или второго рода. Неупругие деформации, инициированные мартенситными реакциями, могут на порядок превосходить упругие и дислокационные. Существующие физические теории мартенситных переходов хоть и проясняют кинетику образования и роста мартенситной и аустенитной фаз, однако не дают возможности описания этих явлений на языке напряжений и деформаций [118,119]. Надежного физико -механичекого аппарата для описания свойств материалов с МН в терминах инженерной механики до недавнего времени не было. И лишь в последние 10-12 лет с появлением структурно-аналитической теории прочности Лихачева В.А. -Малинина В.Г. [142-147, 149] возникла возможность адекватно описывать поведение материалов в условиях проявления МН. На базе указанной теории разработан прикладной феноменологический подход для решения некоторых задач сопротивления материалов [1]. Есть и удачные попытки решение задач для сред с МН с позиций классической МДТ [169].

Все сказанное выше позволяет выделить проблему исследования "Механического поведения материалов при сложных температурно-силовых воздействиях в условиях проявления МН" в самостоятельную проблему МДТ, от успешного решения которой зависит не только дальнейшее развитие методов механического описания свойств материалов с МН, но и эффективное использование указанных материалов в устройствах и механизмах сложного функционального назначения.

Главной целью настоящей диссертационной работы является решение проблемы создания экспериментальных основ механики сред с мартенситной неупругостью. Для этого необходимо было выполнить всестороннее, систематическое, экспериментальное исследование явлений МН, а главным образом влияние вида напряженного состояния и сложных последовательностей задания предварительной деформации на особенности механического поведения материалов в условиях проявления МН. В связи с этим была создана экспериментальная методика, позволяющая проводить всесторонние экспериментальные исследования явлений МН как в изотермических, так и неизотермических условиях [85] в следующих направлениях:

1. Исследование явлений мартенситной неупругости, реализуемых при нагревании через интервал обратного мартенситного превращения после предварительного пропорционального или двухзвенного ортогонального нагружения в мартенситном состоянии.

2.Исследование свойств МН в условиях проявления ЦПФ при сложном напряженном состоянии. Здесь предполагалось изучить такие явления, как эффекты памяти формы, пластичности прямого превращения и термоциклической ползучести в условиях реализации циклической памяти формы, поведение материала в условиях производства механической работы, влияние вида напряженного состояния и предварительной термоциклической предыстории на характеристики ЦПФ, работоспособность материалов и скорость термоциклической ползучести.

3. Исследование деформационных эффектов в сплавах с мартенситной неупругостью при изотермическом деформировании материалов, при двухзвенном ортогональном нагружении и при механоциклировании, изучение эффектов осевого деформирования при изотермическом кручении.

4. В теоретическом плане предполагалось создание в рамках структурно -аналитической теории прочности математической модели для описания явлений МН в материалах с сильной концентрационной неоднородностью одного из компонент

по составу. На основе созданной модели и ранее развитых представлений структурно-аналитической теории необходимо было выполнить количественное и качественное описание основных свойств МН.

В качестве объектов исследований были выбраны материалы с существенно-различными механизмами мартенситной неупругости. А именно: в сплаве Си-12.5%А1-4.5 (вес%)Мп деформирование осуществляется за счет мартенситных превращений первого рода [141]; в сплавах ТН - 1 и 50%Тл47%№3 (ат%)Си наряду с мартенситным превращением первого рода имеет место и дислокационная пластичность [141], а в сплавах МпСи с содержанием марганца от 52 до 88 наблюдаются антиферромагнитные фазовые превращения второго рода с заметным двойникованием в мартенситной фазе [79,80, 97н-99]. Указанные материалы были исследованы в настоящей работе.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность следующим коллегам и трудовым коллективам.

профессору Санкт - Петербургского

Лихачеву Владимиру Александровичу

госуниверситета, руководителю лаборатории прочности материалов за оказанную им помощь при выборе направления исследований при постановке диссертационной задачи, за постоянные совместные обсуждения научных результатов диссертации и непрерывный контроль за их достоверностью. Постоянная всесторонняя поддержка со стороны Владимира Александровича Лихачева позволила автору успешно завершить данную работу, продолжавшуюся около 20 лет.

Лаборатории прочности материалов СПГУ, где автор сформировался как исследователь в процессе выполнения дипломной работы и обучения в очной аспирантуре.

Профессору Новгородского госуниверситета Малинину Владиславу Георгиевичу за многочисленные консультации по вопросам использования структурно - аналитической теории прочности при описании явлений мартенситной неупругости.

Коллективу и администрации Ухтинского индустриального института, где были получены основные результаты диссертационной работы, за повседневную поддержку при решении организационных вопросов, связанных с работой над диссертацией.

Глава I. Особенности функционально - механического поведения материалов с мартенситным механизмом неупругости.

В данной главе выполнен краткий ретроспективный анализ основных литературных данных, посвященных описанию поведения материалов в условиях проявления МН. Показано, что при циклическом изменении температуры основные физико-механические свойства материалов заметно меняются, демонстрируя аномалии свойств вблизи характеристических температур мартенситных переходов (ХТМП). Рассмотрено поведение материалов в условиях реализации: ППП, ЭПФ, ОПФ, ЦПФ, ДОП. Рассмотрена мартенситная неупругость материалов, инициированная сложными температурно-силовыми условиями нагружения. Описаны способы производства механической работы в моделях мартенситных двигателей. Приведены экспериментальные примеры инициации основных свойств МН путем бароциклирования. Рассмотрены некоторые способы влияния на механические свойства материалов путем термомеханической обработки (ТМО). Приведены примеры инициации мартенситных переходов ударными нагружениями. Рассмотрены, в кратком изложении, структурно - �