Механика материалов с фазовыми превращениями тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

§ I. Пластичность превращения

§ 2. Эффект памяти формы

§ 3. Механические характеристики материалов с обратимыми мартенситными превращениями. Псевдоупругость.

§ 4. Генерация и релаксация напряжений в неизотермических условиях.

§ 5. Работоспособность материалов с эффектом памяти формы. Мартенситные двигатели.

§ 6. Современные методы расчета деформационно-силового поведения материалов с фазовыми превращениями.

Способность широкого класса материалов испытывать фазовые превращения делает их механические свойства резко отличными от свойств обычных веществ. К таким особенностям относят эффект пластичности превращения, заключающийся в накоплении деформации при протекании фазовых превращений, например, прямого мар-тенситяого превращения, даже при напряжениях намного меньших обычного предела текучести; эффект памяти формы или возврат предварительной неупругой деформации при отогреве материала через интервал температур обратного превращения и другие аномалии поведения. Это объясняется тем, что при фазовых превращениях могут включаться деформационные каналы недислокационного происхождения.

Материалы с указанными свойствами уже сейчас находят применение в технике и медицине. Они используются в термочувствительных элементах конструкций, в саморазворачивающихся устройствах, в приспособлениях при лечении переломов и выпрямлении позвоночника, там, где необходима высокая коррозионная стойкость, и во многих других случаях [32,54,58]. Особо следует выделить возможность преобразования тепловой энергии в механическую работу с помощью таких материалов, применяя их в качестве твердого рабочего тела тепловых машин - мартенситных двигателей. На настоящий момент имеется более 50 патентов на различные типы таких устройств, в том числе и советских авторов, созданы действующие модели. Материал рабочего тела в этих моделях, в основном, деформируется изгибом или растяжением. По сравнению с этими видами деформирования кручение обладает некоторыми преимуществами. Они состоят в том, что возможно получение довольно больших рабочих ходов, непосредственно вращательного движения. Объёмный эффект превращения и температурное расширение не дают вклад в рассматриваемый процесс. Поэтому и была создана модель мартенситного двигателя, в котором рабочие элементы действуют в режиме кручения. Экспериментально^ исследованию особенностей механического поведения материалов с эффектом памяти формы в сложных термо-механических режимах, имитирующих условия работы мартенситного двигателя, и выявлению возможности никелида титана совершать механическую работу в таком двигателе и посвящена первая часть работы.

При разработке этой и других моделей, а также для иных задач, потребовалось создание способов расчета для материалов с эффектом памяти формы, т.к. на настоящий момент практически отсутствуют методы описания механического поведения таких материалов в температурно-силовых условиях, которые, например, реализуются в мартенситных двигателях. Формулировке основ такой теории, базирующейся на экспериментально наблюдаемых закономерностях пластичности превращения и памяти формы, её апробации не только при расчете мартенситных двигателей, но и в других случаях применения эффекта памяти формы посвящена вторая часть работы.

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту: выявлены основные закономерности механического поведения никелида титана и его работоспособность при температурно-силовых условиях, имитирующих действие рабочего тела тепловой машины, сформулирована и апробирована с положительным результатом теория механического поведения материалов, испытывающих фазовые превращения, основу которой составляют определяющие соотношения для деформаций пластичности превращения и памяти формы.

Основные результаты работы состоят в следующем:

I. Выполнено систематическое исследование механического поведения материалов с ЭПФ в условиях эксплуатации в качестве рабочего тела циклической тепловой машины. На его основе установлены главные закономерности функционирования таких аппаратов с рабочими элементами из никелида титана. В частности: а) Изучены механические и энергетические характеристики мартенситных двигателей и показано, что двигатель с взаимодействующими рабочими элементами, действующими в режиме кручения, обладает хорошими энергетическими параметрами и весьма перспективен дай практического использования. б) Предложены пути оптимизации деформационно-силовых параметров мартенситного двигателя, которые заключаются в том, чтобы применять рабочие элементы неидентичные либо геометрически, либо по составу легирующих элементов или использовать симметричный температурный цикл воздействия на рабочие элементы. в) Установлено, что оптимальными напряжениями нагрузки для исследованных мартенситных двигателей являются напряжения 200-250 МПа, что обеспечивает устойчивую работу элементов двигателя. Показано, что деформация, задаваемая перед началом работы мартенситного двигателя одному из элементов, находящемуся в низкотемпературном состоянии, свыше 8% нецелесообразна. Установлено, что удельная работоспособность исследованного материала в рассмотренном двигателе максимальна при симмтричном температурном цикле и составляет около 8 МДж/м3. г) Показано, что применение симметричного термоцикла - наиболее простой и самый эффективный способ оптимизации деформационно-силовых параметров исследованного мартенситного двигателя.

Мартенситный двигатель с таким циклом совершает одинаковую полезную работу в каждом полуцикле изменения температуры, т.к. отношение возвращающихся деформаций первого и второго элементов оказывается практически равным единице. При этом возможно достижение больших ( до 7-8% ) деформаций, на которых можно получать полезную механическую работу.

II. Предложена теория механического поведения материалов с аллотропными фазовыми превращениями, пригодная для расчета мар-тенситных двигателей и в более широком смысле для расчета напряжений и деформаций в изделиях (изготовленных из таких материалов), предназначенных для работы в сложных температурно-си-ловых режимах. Её основу составляют определяющие соотношения для деформаций пластичности превращения и памяти формы, базирующиеся на экспериментально наблюдаемых закономерностях: пропорциональности пластичности превращения приложенным напряжениям и независимости возврата деформации в процессе реализации эффекта памяти формы от противодействующих напряжений.

Предложенный метод апробирован с положительным результатом при расчете реактивных напряжений, возникающих во время реализации эффекта памяти формы в защемленном состоянии; при расчете релаксации напряжений в процессе протекания прямого мартенсит-ного превращения, во время которого реализуется эффект пластичности превращения; при расчете рабочих диаграмм и других характеристик мартенситных двигателей.

Решена задача о температурных напряжениях и деформациях в стержневой системе и в свободной пластине из материала с мар-тенситными превращениями. Показано, что предложенная теория может давать как качественные, так и количественные отличия от аналогичных расчетов по упруго-пластической схеме с пределом текучести, зависящим от температуры.

Развитый подход может служить основой для инженерных расчетов конструкций из материалов с эффектами памяти формы и пластичности превращения.

1. Аравин Б.П., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Эффект памяти формы в марганцемедных сплавах. Металлофизика, 1981, т.З, № 4, с. II9-I29.

2. Андронов И.Н. Сплавы системы Си Ми как рабочее тело циклических тепловых машин. Л., 1982. - 14 с. - Рукопись представлена редкол. журн. "Вестник ЛГУ" серия "мат.,мех.,астр".

3. Деп. ВИНИТИ 26 мая 1982, is 2602-82.

4. Андронов И.Н., Королев М.Н., Кузьмин СЛ., Патрикеев Ю.И. Природа и закономерности пластичности превращения в материалах с ЭПФ. В кн.: Сверхупругость, эффект памяти и их применение в новой технике: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. Воронеж, 1982, с. 70.

5. Андронов И.Н., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Патрикеев Ю.И., Королев М.Н. Деформирование металлов в условиях проявления пластичности превращения. Пробл. прочности, 1983, 5, с. 96-100.

6. Арутюнян Р.А., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Циклическое упрочнение металлов, обладающих механической памятью. В кн.: Мартенситные превращения: Докл. междун. конф. "IC0MAT - 77", Киев, 16-20 мая 1977 г. Киев, 1978, с. 215-219.

7. Беляев С.П., Ерофеев Н.Й., Захарова Н.Н., Каменцева З.П. Влияние знакопеременных нагрузок на эффекты памяти формы. -- В кн.: Сверхупругость, эффект памяти и их применение в новой технике: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. Воронеж, 1982, с. 42.

8. Беляев С.П., Мозгунов В.Ф., Разов А.И. Работоспособность материалов в связи с обратимостью деформации сверхпластичности превращения. В кн.: X Всесоюз. конф. по физике прочностии пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. Куйбышев, 1983, с. 125-126.

9. Бизюкова Л.А., Кузьмин С.Л., Патрикеев Ю.И. Явление сверхпластичности превращения в железомарганцевых сплавах. В кн.: X Всесоюз. конф. по физике прочности и пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. Куйбышев, 1983, с. 127-128.

10. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. М.: Мир, 1964. - 518 с.

11. Бондарев Е.Н., Мешков С.И. Ассоциативный закон пластического течения и неупругое деформирование "формозапоминащих" сплавов. В кн.: 5-й Всесоюз. съезд по теор. и прикл. мех. Алма-Ата, 27 мая - 3 июня 1981г. Аннот. докл. Алма-Ата, 1981, с. 68.

12. Брайнин Г.Э., Волков А.Е., Лихачев В.А. Наследование двойниковых границ как механизм памяти формы. Физика металлов и металловед., 1982, т. 55, № 6, с. 1045-1050.

13. Бэнкс Р. Тепловые двигатели из нитинола. В кн.: Эффект памяти формы в сплавах. - М.,1979, с. 442-447.

14. Василевский Р.Дж. Эффект запоминания формы в сплаве системы Т» NI как один из аспектов вызванного напряжением мартенситного превращения. - В кн.: Эффект памяти формы в сплавах. -М., 1979, с. 205-230.

15. Вейман С.М. Деформация, механизм явления и другие характеристики сплавов с эффектом запоминания формы. В кн.: Эффект памяти формы в сплавах. - М., 1979, с. 9-35.

16. Волков А.Е., Лихачев В.А., Шихобалов Л.С. Континуальная теория границ раздела в гетерогенных кристаллах. Физика металлов и металловед., 1981, т. 51, №4, с. 935-944.

17. Волков А.Е., Николаев П.И. Теоретический анализ сверхпластичности превращения. В кн.: X Всесоюз. конф. по физикепрочности и пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. Куйбышев, 1983, с. II8-II9.

18. Гранаткин Ю.А., Калачев И.Б., Мехед Г.Н. Работоспособность сплава BTH-I при формовосстановлении. Изв. АН СССР, сер. Металлы, 1981, В 6, с. 135-140.

19. Давиденков Н.Н., Лихачев В.А. Необратимое формоизменение металлов при циклическом тепловом воздействии. М.; Л., 1962. - 224 с.

20. Деменков А.П., Лихачев В.А. Сверхпластичность закаленной стали. Л., 1972. - 53 с. (Препринт / АН СССР. Физ.-техн. ин-т; № 427).

21. Деменков А.П., Лихачев В.А., Французов Н.С. Сверхпластичность. Л., 1972. - 70 с. (Препринт / АН СССР. Физ.-техн. ин-т; № 343).

22. Деменков А.П., Лихачев В.А., Французов Н.С. Природа сверхпластичности. Л., 1972. - 52 с. (Препринт / АН СССР. Физ.-техн. ин-т; № 344).

23. Ермолаев В.А., Захарова Н.Н., Лихачев В.А., Мастерова М.В. Диссипативные свойства и структура TiNiCu . Металлофизика, 1982, т. 4, Ш 6, с. 68-74.

24. Ермолаев В.А., Лихачев В.А. Физическая модель пластичности превращения. Физика металлов и металловед., 1983, т. 55, J& 4, с. 693-700.

25. Жебынева Н.Ф., Чернов Д.Б. Характеристики термомеханического возврата никелида титана. Металловед, и термич. обраб.металлов, 1975, Гв 10, с. 10-13.

26. Захарова Н.Н., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Большие обратимые деформации и пластичность превращения в композиции TiNiCu .-Металлофизика, 1981, т.З, №5, с. 53-63.

27. Захарова II.Н., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Патрикеев Ю.И., Королев М.Н. Исследование реактивных напряжений в композиции титан-никель-медь.-Пробл. прочности, 1983, 3,с.84-88.

28. Кадашевич Ю.Й., Новожилов В.В. Теория пластичности, учитывающая остаточные микронапряжения. Прикл. мат. и мех., 1958, т.22, вып.1, с. 78-89.

29. Кадашевич Ю.И., Новожилов В.В. Теория пластичности и ползучести металлов, учитывающая микронапряжения. Механика твердого тела, 1981, № 5, с. 99-110.

30. Каменцева З.П., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Исследование деформационного упрочнения никелида титана. Пробл. прочности, 1980, В 9, с. 87-91.

31. Каменцева З.П., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Мастерова М.В. Исследование сверхупругости и эффектов памяти формы в металлах и сплавах при кручении. В кн.: Мартенеитные превращения: Докл. междун. конф. "IC0MAT-77". Киев, 1979,с.150-154.

32. Корнилов И.И., Белоусов O.K., Качур Е.В. Никелид титана и другие сплавы с эффектом "памяти". -М.: Наука, 1977.-180с.

33. Кочеткова Л.П., Фавстов Ю.К., Козлова Е.В. Память формы в марганцевомедных сплавах. В кн.: Сверхупругость, эффект памяти и их применение в новой технике: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. Воронеж, 1982, с.21.

34. Крылов Б.С., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Мастерова М.В., Пономарев А.П. Исследование механической памяти в металлиде TiNi . Изв. вузов. Физика, 1976, }£ 9, с.23-26.

35. Кузьмин С.Л. Память формы и пластичность превращения в металлах: Дисс. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук. -Л., 1980, 272 е., Ленгосун-т, рукопись.

36. Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Пластичность превращения в материалах с обратимыми мартенситными превращениями.- В кн.: Физика и электроника твердого тела. Ижевск, 1977, вып.2,с. 53-80.

37. Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Температурю силовые критерии псевдоупругости. - Физика металлов и металловед., 1982,т.53, вып.5, с. 886-891.

38. Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Рыбин В.В., Соколов О.Г. Пластичность превращения и механическая память в железомарганцевых сталях при кручении. Л., 1975, - 52 с. (Препринт / АН СССР. Физ.-техн. ин-т; В 489).

39. Лихачев В.А. Кооперативная пластичность, обусловленная движением границ разориентации и границ раздела фаз. Изв. вузов. Физика, 1982, № 6, с. 83-102.

40. Лихачев В.А., Малыгин Г.А. Ползучесть при переменных температурах. Заводская лаборатория, 1966, т.32, J& I,с.70-85.

41. Лихачев В.А., Мастерова М.В., Маршалкин А.Н., Макаров И.Ю. Закономерности генерации реактивных напряжений в сплаве TiNi . Пробл. прочности, 1983, Я 4, с. 72-74.

42. Лихачев В.А., Патрикеев Ю.И. Влияние напряжений и деформаций на характеристические температуры мартенситных превращений. В кн.: Сверхупругость, эффект памяти и их применение в новой технике: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. Воронеж, 1982, с. 62-63.

43. Наканиши Н. Смягчение решетки и природа ЭЗФ. В кн.: Эффект памяти формы в сплавах. - М., 1979, с. 128-155.

44. Оуэн В. Эффекты запоминания формы и их применение. В кн.: Эффект памяти формы в сплавах. - М., 1979, с. 254-273.

45. Павлов И.М., Калачев И.В., Гранаткин Ю.А., Мехед Г.Н. Критерии оценки работоспособности материалов с эффектом "памяти" формы.- Изв. АН СССР, сер. Металлы, 1979, № 2,с. 125-129.

46. Перкинс Д., Эдварде Г.Р., Сач С.Р., Джонсон Дж.М.,Аллен P.P. Термомеханические характеристики сплавов с термоупругим мартенситом. В кн.: Эффект памяти формы в сплавах. - М., 1979, с. 230-254.

47. Соловьев Л.А., Хачин В.Н. Влияние внутренних напряжении на процесс фазового превращения в сплавах титан-никель и медь-цинк-кремний. Физика металлов и металловед., 1974, т.37, В 5, с. 1095-1097.

48. Соловьев Л.А., Хачин В.Н. Деформационные эффекты при мартен-ситных превращениях в присутствии внешнего напряжения. -Изв. вузов. Физика, 1974, JS 6, с. 132-134.

49. Тихонов А.С., Герасимов А.П., Прохорова И.И. Применение памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.

50. ХандросЛ.Г., Арбузова И.А. Мартенситные превращения, эффект памяти и сверхупругость. В кн.: Металлы, электроны, решетка. Киев, 1975, с. 109-143.

51. Хачин В.Н., ГюнтерВ.Э., Соловьев Л.А. Деформационные эффекты и эксергия материалов с термоупрутим мартенситным превращением. Физика металлов и металловед., 1975, т. 40, №. 5, с. I0I3-I0I9.

52. Шиманский С.Р., Чернышенко А.И. Исследование сверхпластичности превращения сплава титан-никель. В кн.: X Всесоюз. конф. по физике прочности и пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. Куйбышев, 1983, с. 131-132.

53. Эффект памяти формы в сплавах. М.: Металлургия, 1979. -- 427 с.

54. Achenbach M., Miiller I. A model for shape memory. J. Phys. coll.04, suppl.12, 1982, t.43, p.04163-167.

55. Banks H.M., Fleming M.C. Recent advances in design of energyconversion systems based on displacive martensi-tic transformation. J. Phys., coll.Сsuppl.12, 1982, t.43, p.04833-838.

56. Bolcich -J.C., Sapacioli H. iHnergy conversion using pseudoelastic Ou-Zn-Al alloys a protots'pe heat engine. - J. Phys., coll.04, suppl.12, 1982, t.43, p .04831-832.

57. Bussiere J.F., Faucher В., Snead O.L. Anomalous elastic softening of poly crystalline Fb Sn below the martensi-tic transformation temperatur. J. Phys., coll.0 4, suppl.12, 1982, t.43, p. 04363-368.

58. Cunningham В., Ashbee K.H.G. Marmem engines. Acta metallurgica, 1977, vol.25, Л 11, p. 1315-1321.

59. Eisenwasser J.P., Brown L.L. Pseudoelasticity and the strain-memory effect in Gu-Zn-3n alloys. Metallurgical transactions, 1972, vol.3,В 6, p. 1359-1363.

60. Falk F. Model free energy, mechanics, and thermodynamics of shape memory alloys. Acta metallurgica, 1980, vol.28, $12, p. 1773-1780.

61. Golestaneh A.A. Comments on the termal efficiency of an ideal shape-recovery cycle. Scripta metallurgica., 1980, vol.14, $ 8, p. 845-848.

62. Golestaneh А.Л. 3nergetic shape recovery associated with martensitic transformation in shape-memory alloys. ileta metallurgica, 1980, vol.28, jg 10, p. 1427-1436.

63. Guedon J.Г., Paliard I.I. , Rien -J. Pseudoelast ic ity inordered Fe-Al alloys. Script a metallurgies, 1976, vol. 10, $ 7, p. 631-634.

64. Kot H.A., *7eiss V. Transformation plasticity in iron-nickel alloys. Metallurgical transactions, 1970» vol.1, № Ю, p. 2685-2693.

65. Melton K., Mercier 0. The effect of opposing stress on shape memory and martens itic reversion. Scripta metallurgies, 1978, vol.12, 1,2 1, p. 5-9.

66. Mochamed II.A. Determination of the recovery stresses developed Ъу shape memory alloys. J. Mater. Sci., 1978, vol.13, 11 12, p. 2728-2730.

67. Narutani Т., Olson G.B., Cohen M. Constitutive flow relations for austenitic steels during strain induced martensitic transformation. J. Phys., coll.С4, suppl.12, 1982, t.43, p. C4429-434.

68. Nishihara Т., Iguchi N. The shape memory effect under transformation superplasticity of Ti-6A1-4V. J. Jap. Inst. Metals, 1976, vol.40, JS 1, p. 51~56.

69. Sakamoto H., Shimizu K. Pseudoelasticity in a Au- 47,5at.v5Cd alloy single crystal. J. Phys., coll.С 4, suppl.12, 1982, t.43, p. С4623-628.

70. Sattler H.-P., T.7asserman G. Transformation plasticity during the martensitic transformation of iron with 30% iTi. J. Less-Common Metals, 1972, vol.28, IS 1, p. 119-140.

71. Schumann H. Umwandlungsplast izitat und Form-Gedachtnis--Effekt in einer ISisenlegierung mit 16'J$ Mangan.- ICristall und Technik, 1974, Bd.9, Hf.3, s. 281-292.

72. Takuzawa K., Adachi K., Sato S. Reversible shape memorу effect obtained Ъу heating under constraint. J. Jap.Inst.Metals, 1979, vol.43, № 3, p. 229-235.

73. Tanaka K., Nagaki S. A thermomechanical description of materials with internal variables in the process of phase transitions. Ingenieur-.Irchiv, 1982, vol.51,p. 287-299.

74. Tong H.G., 7/ayman C.M. Thermodynamic considerations of "Solid state engines" based on thermoelastic martensi-tic transformations and the shape memory effect.- Metallurgical transactions, 1975, vol.6Л, }£ 1 ,p.29-32.

75. Yasunaga M., Punatsu I., Коjima S., Otsuka K.,Suzuki T.1

76. Ultrasonic velocity near the martens itic transformation temperature. J. Phys., coll.C4, suppl.12, 1982, t.4-3, p. C4603-608.

77. Лихачев В.А., Разов А.И. Полуфеноменологическая теория явлений сверхпластичности превращения. В кн.: X Всесоюз. конф. по физике прочности и пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. Куйбышев, 1983, с. II2-II3.

78. Разов А.И. Температурные напряжения в среде с мартенситными превращениями. Л., 1984. - 12с. - Рукопись представлена редкол. журн. "Вестник ЛГУ" серия "мат.,мех.,астр.". Деп. в ВИНИТИ 4 мая 1984г., Ш 2853-84.

79. Разов А.И. Механика материалов с мартенситными превращениями: эксперимент и расчет. Л., 1984, - 20с. - Рукопись представлена редкол. журн. "Вестник ЛГУ" серия "мат.,мех.,астр.".