Влияние всестороннего давления на механическое поведение материалов с мартенситными превращениями первого рода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

на правах рукописи

сС

Егоров Сергей Александрович

Влияние всестороннего давления на механическое поведение материалов с мартенситнымн превращениями первого рода

специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор ЛИХАЧЕВ Владимир Александрович I ;

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник БЕЛЯЕВ Сергей Павлович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук МАЛИНИН В.Г.,

доктор физико-математических наук МЕЛЬКЕР А.И.

Ведущая организация - Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе, г.Санкт-Петербург

Защита состоится " 21 "(ЖЛШШЛ— 1997 г. в час.

на заседании специализированного Совета Д 063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 29, 2 учебный корпус, ауд. 265.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ Автореферат разослан "3- 'ШШ^Лкж г.

Ученый секретарь специализированного Совета, к.ф.м.н., Васильев А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Материалы с мартенситвыми превращениями известны своими нетривиальными физико-механическими свойствами в интервале температур прямой и обратной реакций. В частности, под воздействием сдвиговой нагрузки протекание мартенситных превращений может сопровождаться деформационными и силовыми эффектами макроскопического характера. Такие эффекты обычно обобщенно называют эффектами мартенситной неупругости.

В последнее время стало принципиально ясно, что в материалах с мартенситными превращениями первого рода сформировать сдвиговые деформации и напряжения можно одним лишь всесторонним давлением. Таким образом, открывается новый и в настоящее время совершенно не изученный способ создания деформации в твердых телах. Кроме того, возникает возможность изучения макроскопических проявлений мартенситных превращений, инициированных давлением. Это может привести к более глубокому пониманию как существа эффектов мартенситной неупругости, так и природы самих мартенситных превращений.

Однако, пока отсутствуют работы по систематическому экспериментальному и теоретическому изучению влияния давления на механическое поведение рассматриваемых материалов. Поэтому тема диссертационной работы является весьма важной и актуальной.

состояла в экспериментальном и теоретическом исследовании влияния всестороннего давления на протекание в материалах с мартенситными превращениями первого рода эффектов пластичности

превращения, памяти формы, обратимой памяти формы при нахреве и при охлаждении, генерации и релаксации реактивных напряжений. При этом требовалось выяснить основные правила формирования баромеханических эффектов.

Для этого необходимо было решить следующие основные задачи.

1. Создать опытную установку и методику, позволяющую экспериментально исследовать влияние давления на эффекты мартенситной неупругости.

2. Провести баромехаяические испытания материалов с мартенсит-ными превращениями первого рода.

3. Выполнить компьютерное моделирование баромеханического поведения модельных объектов со свойствами, близкими к свойствам экспериментально изученных материалов.

Научная новика, в работе впервые систематически исследовано влияние всестороннего давления на эффекты мартенситной неупругости в материалах с мартенситными превращениями первого рода.

Обнаружено, что в данных материалах одним лишь изменением давления можно стимулировать протекание эффектов мартенситной неупругости, так что по способности инициировать эти явления фактор давления оказывается эквивалентным фактору температуры. При этом давлением оказывается возможным сформировать значительные по величине сдвиговые напряжения и деформации.

Обнаружено, что в изученных материалах давлением можно сформировать температурную задержку эффектов мартенситной неупругости.

Обнаружено, что в системе И1Ч1 давление уменьшает ширину термомеханического гистерезиса.

Исследования показали, что учет одного лишь объемного эффекта превращения в системе уравнений структурно-аналитической теории прочности Лихачева-Малинина позволяет качественно верно рассчитать баромеханическое поведение модельных объектов со свойствами, сходными с экспериментально изученными.

Обоснованность, научных положений и рывояов и аостоеериость результатов обеспечена тщательной проработкой всех сторон экспериментальной методики, соответствием полученных данных всей совокупности знаний о физических свойствах и механическом поведении изученных материалов, соответствием результатов расчетов и опытов, проверкой программы вычислений на тестовых режимах.

Практическая ценность. Полученные результаты открывают возможность создания класса принципиально новых устройств, срабатывающих от давления, в том числе создаваемого взрывом.

Получены простые по форме рекомендации по расчету баромеха-нического поведения материалов с мартенснтными превращениями первого рода.

Положения, выносимые на .зашту,

1. В материалах с мартенснтными превращениями первого рода давлением можно инициировать эффекты мартенситноя неупругости,

б

формируя при этом значительные по величине неупругие деформации и напряжения сдвигового характера.

2. Давлением можно осуществить температурную задержку эффектов мартенситной неупругости.

3. В сшивах ТОЙ и СиА1Мп всестороннее давление смещает характеристические температуры в сторону их уменьшения.

4. В сплавах *П№ давление сильнее влияет яа характеристические температуры обратного и слабее - прямого превращения.

Апробацид. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на Межрегиональной научно-технической конференции в г. Пермь (1994г.), на Первой международной конференции "Актуальные проблемы прочности" в г. Новгород (1994 г.), на I Российско-Американском семинаре и XXXI семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г. Санкт-Петербург (1995 г.), на ХГУ Международной конференции в г. Самара (1995 г.), на ХХХП семинаре "Актуальные проблемы прочности", посвященного памяти Владимира Александровича Лихачева в г. Санкт-Петербург (1996 г.). Основные результаты диссертационной работы докладываются также на семинарах лаборатории прочности материалов НИИММ СПбГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Перечень работ приведен в конце автореферата.

Вклад автора состоит в выполнении основной части работы, включая создание новой методики баромеханических испытаний, работу по проведению опытов и выполнении компьютерных расчетов.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованной литературы, содержащего 86 наименований. Работа содержит 107 страниц печатного текста, 44 рисунка; полный объем ее, включая список литературы - 151 страница.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткое обоснование актуальности изучения механического поведения материалов с мартенситными превращениями первого рода под всесторонним давлением. Изложена структура диссертации, показана ее научная новизна, сформулированы цели и основные достижения работы.

Первая глава посвящена обзору литературы и состоит из четырех разделов.

В первом разделе дан краткий обзор существующих механизмов деформации в кристаллических твердых телах. Здесь кратко приведены механизмы необратимой деформации и подробнее механизмы обратимой деформации: механическое двойникованне и термоупругое мартенситное превращение.

Во втором разделе дается обзор особенностей механического поведения материалов с мартенситными превращениями. Рассматриваются эффекты псевдоупругости, пластичности превращения, памяти формы, обратимой памяти формы. Кроме того, приведены сведения о реактивных напряжениях, образующихся в материалах с мартенситными превращениями при их термоциклировании в условиях стесненной деформации.

В третье разделе дан краткий обзор различных подходов к теоретическому описанию основных функциональных свойств, присущих объек-

там с памятью формы. При этом основное внимание уделено структурно-аналитической теории прочности и дано обоснование ее использования для расчетов влияния давления на механическое поведение тел с мартен-ситными превращениями первого рода.

В четвертом разделе подробно изложено достижение последних лет, заключающееся в экспериментальном обнаружении принципиальной возможности в материалах с мартенситными превращениями первого рода формировать всесторонним давлением сдвиговые деформации и напряжения.

Во второй главе сформулированы цели диссертации.

В третьей гааве описаны методики проведения экспериментов. Глава состоит из четырех разделов.

В первом разделе описана впервые созданная методика проведения баромеханических опытов. Методика позволяла измерять перемещение незакрепленного конца образца во время его нагревания и охлаждения в пределах температур от 290 К до 400 к. Образец испытывал силовое воздействие по одной из трех схем. Первая схема - всестороннее давление. Вторая схема - всестороннее давление, дополненное постоянной и независящей от давления сдвиговой силой. Третья схема соответствует случаю термоциклирования образца в стесненных деформационных условиях, кота реактивные напряжения дополнялись всесторонним давлением.

Во втором разделе представлена созданная методика для определения объемного эффекта превращения. Методика основана на гидростатическом взвешивании со сканированием по температуре.

В третьем разделе описана методика для определения электросопротивления образцов в зависимости от температуры.

Четвертый раздел посвящен объектам баромеханическнх исследований. В качестве таковых использовали поликристаллические сплавы: ■П-49,5 ат. % N1, 11-49,9 ат. % Си-12,5 А1 - 4,5 Мп (масс. доли). Из первого сплава были изготовлены образцы в вше витых пружин с тремя рабочими витками, высотой 20 мм и внешним диаметром 5,7 мм. Пружина была свита из проволоки диаметром 0,7 мм. Из второго и третьего сплавов были изготовлены цилиндрические образцы с размерами: длина и диаметр рабочей части 30 мм и 1 мм, соответственно, длина и диаметр головок по 15 мм и 1,9 мм, соответственно. Термообработку образцов производили в воздушной среде без средств защиты от окисления.

Четвертая глава посвящена описанию результатов экспериментов. Глава состоит из пяти разделов.

В первом разделе представлены результаты опытов по определению объемного эффекта превращения в ТМ и СиА1Мп и по измерению электросопротивления образцов в зависимости от температуры. На основании этих измерений сделаны выводы о характере мартенситных превращений в исследованных сплавах.

Во втором разделе представлены результаты экспериментов по изучению термомеханического поведения образцов из Т1М под постоянным на протяжении всего эксперимента давлением.

Обнаружено, что в системе ТМ давление уменьшает температуры мартенситных превращений, как это видно на рис.1. Здесь и далее под величиной е понимается отношение текущей деформации е к первоначально заданной е0.(Для славов Т1№ ео = 2 - 5%, дня СиА1Мп ео = 0,8 -

£,56 80

60

40

20 О

300 320 340 360 330 Т,К

Рис.1. Возврат относительной деформации е для сплава 'П-49,9ат.%№ под постоянным давлением Р] = 0,ШПа и Рг = 200 МПа.

80 60 40 20 О

300 320 340 360 Т,К

Рис.2. Возврат относительной деформации для сплава Т1-49,5ат.%№ в процессе иагреваяия при атмосферном давлении (АВ), изотермического увеличения давления до 240 МПа (ВС), продолжающегося нагрева под давлением 240 МПа (СО).

Рис.3. Зависимости относительной деформации от величины увеличивающегося давления для сплава Ть49,5ат.%№ при температурах 366 (1), 355,5 (2) и 346 К (3). Увеличение давления стимулирует эффект памяти формы.

1%). Показано, что в "П№ давление сильпее действует на температуры обратной реакции и слабее - прямой, так что ширина термомеханичес-кош гистерезиса под давлением уменьшается.

В третьем разделе подробно описаны результаты экспериментов с переменным давлением. Обнаружено, что во всех изучаемых сплавах во время протекания обратного превращения изотермическое увеличение давления инициирует реакцию, формируя при этом значительные по величине деформации, как это показано на рис.2. Увеличением давления на 240 МПа можно инициировать деформационный возврат, составляющий 20%, 78% и 10% от его полного ресурса е0 для славов Ть49,5 ат.%№, Ть49,9 ат.%№ и СиА1Мп, соответственно. Во время протекания прямого превращения значительное формоизменение можно обеспечить изотермическим уменьшением давления на 240 МПа до 15% и 73% от полного ресурса деформации за счет прямого мартенситного превращения для сплавов 14-49,5 ат.%№ и "П-49,9 ат.%№, соответственно. Графики зависимости деформации от давления как для случая прямой, так и для обратной реакции имеют монотонный характер (см. рис.3).

Обнаружено, что во всех изучаемых сплавах изотермическое увеличение давления во время реализации прямой реакции и уменьшении давления во время реализации обратной реакции при последующем охлаждении (в первом случае) и нагреве (во втором случае) формирует температурную задержку соответствующего процесса (см. рис. 4). При изменении давления на 220 МПа величина температурной задержки равна в среднем 5 - б К для системы ТОЛ и 3 - 4 К для СиА1Мп.

Результаты опытов по изучению влияния давления на формоизменение показывают, что баромеханпческие эффекты, сформированные

перепадом давления (Рг - РО, Рг > Р1 можно наблюдать лишь в диапазоне температур от АВ(Р2> до А^РО при нагреве и от Мн(Р1) до М^Рг) при охлаждении.

В третьем разделе показано, что если ограничить деформацию предварительно деформированного образца из ТМ, то во время нагрева изотермическим подъемом давления можно обеспечить генерацию значительных сдвиговых макронапряжений (до 50 МПа увеличением давления на 200 МПа), а во время охлаждения изотермическим сбросом давления можно срелаксировать последние (до 30 МПа уменьшением давления на 200 МПа).

Пятая глава посвящена численному расчету баромеханического поведения материалов с мартенситными превращениями первого рода. Расчеты производили по структурно-аналитической теории. Считали, что моделируемый объект является изотропным, а влияние давления на температуры мартенситной реакции, в соответствии с уравнением Клаузиуса-Клапенрона, ограничивается объемным эффектом превращения. Оказалось, что этого вполне достаточно для качественного соответствия расчетов опытным данным (см. рис. 5).

Показано, что в математической среде структурно-аналитическая теория позволяет рассчитывать стимулирование эффектов мартенситной неупругости давлением, как это имеет место в опыте (лиши ВС на рис. 5). При этом характеры расчетных зависимостей деформации и напряжений от давления качественно совпадают с экспериментальными.

Показано, что можно легко рассчитать наблюдаемую в опыте температурную задержку процессов мартенситной неупругости, формируемую давлением (линия С\У на рис. 5).

Рис.4. Зависимость относительной деформации от температуры для сплава Т1-49,9ат.%№ при охлаждении под атмосферном давлении (ЕЬ), последующем изотермическом увеличении давления до 240 МПа (точка Ь), продолжающемся охлаждении под давлением 240 МПа ДОЯ).

Т,К

Рис.5. Результаты расчетов возврата деформации (эффекта памяти формы) во время нагрева при различных режимах баротермического воздействия. Линия ABD: Р = 0 = const.; линия ACN: Р = 600 МПа = const.; линия ABCN: нагрев при нулевом давлении (АВ), изотермический подъем давления до 600 МПа (ВС), нагрев под давлением 600 МПа (CD); линия ACWD: нагрев под давлением 600 МПа (АС), изотермический сброс давления до 0 (точка С), нагрев без давления (CWD). Характеристические температуры математического объекта: Ms = 308 К, Ми = 330 К, А„ = 315 К, At = 337 К.

Шестая глава посвящена обсуждению полученных данных. Совокупность экспериментальных и теоретических результатов позволяет утверждать об общности обнаруженных барических эффектов- Сравнение результатов опытов и расчетов показало хорошее качественное сходство зависимостей деформации и реактивных напряжений от давления. Это еще раз показывает, что обращение к структурно-аналитической теории полностью оправдано. Некоторые количественные расхождения можно объяснить наличием дополнительного фактора, усиливающего влияние давления на протекание эффектов мартенситной неупругости по сравнению со случаем учета одного лишь объемного эффекта мартенситного превращения. По-видимому, этим дополнительным фактором являются внутренние неориентированные микронапряжения барической природы, возникающие вследствие, например, анизотропии сжимаемости каждой из фаз. Введение таких микронапряжений позволяет, кроме всего прочего, непротиворечиво объяснить обнаруженный для П№ опытный факт более сильного влияния давления на характеристические температуры обратной реакции по сравнению с прямой.

Результаты исследований показывают, что величину барических эффектов с хорошим приближением можно оценить, проводя из любой точки кривой зависимости е(р1>-Т отрезок, параллельный оси е или Т, до пересечения кривой зависимости е(Рг)-Т, Рг > Р1 (см. рис.5). Величина получающегося отрезка, параллельного оси Т, будет представлять температурную задержку соответствующего процесса изменением давления (Рг -Р[). Величина отрезка, параллельного оси е, будет представлять приращение деформации при изменении давления с Р1 до Рг. Важно лишь иметь в виду направление изменения давления в зависимости от процесса

и вида барического эффекта. Аналогично можно сказать и об оценке величины эффектов генерации и релаксации напряжений давлением.

ВЫВОДЫ

Основные результаты работы следующие.

1. Создана новая методика исследования механического поведения твердых тел, позволяющая производить измерения деформации образцов при нагревании и охлаждении во время воздействия на них давления и постоянно действующей и независящей от температуры и давления сдвиговой нагрузки,

2. Испытания сплавов N1-49,5 ат. % №, N¡-49,9 ат. % № и сплава Си-12,5А1-4,5 Мп (масс, доли) в интервалах прямого и обратного превращений показали, что:

а) давление уменьшает характеристические температуры, при этом в системе "П№ давление сильнее влияет на обратную реакцию и слабее на прямую, уменьшая ширину термомехаиического гистерезиса;

б) давлением можно стимулировать все основные эффекты мартен-ситной неупругости: память формы, обратимую память формы при нагреве и при охлаждении, пластичность превращения, генерацию и релаксацию реактивных напряжений, так что по способности инициировать данные эффекты фактор давления оказывается эквивалентным фактору температуры;

в) изотермическое уменьшение давления во время протекания прямой реакции и изотермическое увеличение давления во время протекания обратной реакции обеспечивает формирование значительных по величине сдвиговых напряжений и деформаций.

г) Сброс давления во время реализации обратного превращения и увеличение давления во время реализации прямого превращения при последующем нагреве (в первом случае) или охлаждении (во втором случае) приводит к формированию температурной задержки процессов мартен-ситной неупругости.

3. Создана методика изучения объемного эффекта мартенситного превращения, основанная на гидростатическом взвешивании со сканированием по температуре. С помощью этой методики определено, что для В191 -> В2 превращения в ТТ№ уменьшение объема составляет (0,3 ±

0.05.%, для у\ р[ превращения в Си-12,5А1-4,5Мп (масс, доли) изменение объема с погрешностью 0,05 % отсутствует.

4. На основе структурно-аналитической теории произведены численные расчеты механического поведения математической среды со свойствами, близкими к свойствам изученных образцов. Получено хорошее качественное соответствие расчетных зависимостей деформации и реактивных напряжений от давления с экспериментальными данными.

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Егоров СЛ., Лихачев В.А. Математическое моделирование явлений памяти формы, инициируемых всесторонним давлением // Математическое моделирование систем и процессов: Тез. докл. Межрегиональной научно-технической конференции. - Пермь. - 1994. - С. 17.

2. Егоров С.А., Лихачев В.А. Математическое моделирование эффектов памяти формы, инициируемых всесторонним давлением // Тез. докл. Первой международной конференции "Актуальные

проблемы прочности", Новгород, 26-30 сентября 1994 г. - Новгород. - Ч. 2. - 1994. - С. 136.

3. Беляев С.П., Егоров С.А., Лихачев В.А., Ольховпк O.E. Эффекты памяти формы, инициируемые всесторонним давлением // Физика прочности и пластичности материалов: Тез. докл. XIY Междунар. конференции, Самара, 27 июня - 30 июля 1995 г. - Самара. - 1995. С. 297-298.

4. Беляев С.П., Егоров С.А., Лихачев В.А., Ольховпк O.E. Мартен-ситная неупругость и эффект памяти формы в условиях действия давления // Материалы с эффектом памяти формы: Сборник докладов I Российхо-американского семинара "Актуальные проблемы прочности", Санкт-Петербург, 13-17 ноября 1995 г. - СПб. - 1995. Ч. 1. - С. 11-19.

5. Беляев С.П., Егоров С.А., Лихачев В.А., Ольховпк O.E. Эффекты памяти формы в никелиде титана в условиях действия всестороннего давления // ЖТФ. 1996. Т. 66, № И. - С. 36-46.

6. Лихачев В.А., Беляев С.П., Егоров С.А. Разработка методики и исследование механического поведения сплава TiNi при одновременном действии давления и сдвигового напряжения // Материалы XXXII семинара "Актуальные проблемы прочности", посвященного памяти Владимира Александровича Лихачева, Санкт-Петербург, 1214 ноября 1996 г. - СПб. - 1997. - С. 171-178.

7. Лихачев В.А., Беляев С.П., Егоров С.А. О влиянии всестороннего давления на эффект памяти формы сплава CuAlMn // Тез. докл. XXXII семинара "Актуальные проблемы прочности", Санкт-Петербург, 12-14 ноября 1996 г. - СПб. - 1996. - С. 44.

8. Лихачев В.А., Беляев С.П., Егоров С.А., Старосельцева Е.А., Лобачев И.Н. Исследование эффектов памяти формы в никелиде титана под всесторонним давлением // Тез. докл. XXXII семинара "Актуальные проблемы прочности", Санкт-Петербург, 12-14 ноября 1996 г. - СПб. - 1996. - С. 25-26

9. Беляев С.П., Егоров С.А., Сидоренко В.В. Исследование объемного эффекта превращения в TiNi методом гидростатического взвешивания // Тез. док. XXXII семинара "Актуальные проблемы прочности", Санкт-Петербург, 12-14 ноября 1996 г. - СПб. - 1996. - С. 45-46.

10. Likhachev V.A., Belyaev S.P., Egorov S.A. A study of the shape memory effect under pressure // Second International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies: Engineering and Biomedical Applications. Abstracts. Asilomar Conference Center, Pacific Grove, CA (USA). 2-6 Marcch 1997. - P. 33.