ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.............................................................5
Глава 1 Особенности функционально - механического поведения материалов с мартенситным механизмом неупругости.................................8
1.1. Общие сведения о материалах с обратимыми мартенситными переходами......................................................8
1.2. Пластичность превращения в материалах с обратимыми мартенситными превращениями....................................16
1.3. Явление памяти формы.........................................23
1.4. Обратимая (многократнообратимая) память формы металлов в свободном состоянии............................................25
1.5 Обратимая память формы, реализуемая в нагруженном состоянии (циклическая память формы).....................................31
1.6 Влияние термоциклирования и термомеханической обработки на эффект обратимой памяти формы и другие свойства мартснситной неупругости материалов.........................................35
1.7. Структурно-аналитическая теория прочности....................39
1.8. Структурно - аналитическая теория физической мезомеханики материалов.....................................................51
Выводы по главе 1.................................................55
Глава II. Постановка научной проблемы и методика экспериментальных исследований.........................................................57
2.1. Основные направления исследований............................57
2.2. Методика экспериментальных исследований......................59
Глава III. Результаты экспериментальных исследований.................64
3.1. Поведение сплава ТН-1 в условиях кручения при термоциклировании под постоянными нагрузками........................................64
3.1.1. Обратимое формоизменение в сплаве ТН-1 при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под
постоянными нагрузками (первый режим).........................65
3.1.2 Влияние предварительной термомеханической “тренировки” на характеристики обратимого формоизменения при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под постоянными нагрузками....................................................72
3.2. Обратимое формоизменение в сплаве ТН-1 при термоциклировании в разгруженном состоянии при нагревании и под постоянными напряжениями при охлаждении (второй режим)....................78
3.2.1. Влияние предварительной термомеханической “тренировки” во
втором режиме испытаний......................................82
3.3. Обратимое формоизменение в сплаве ТН-1 при
термоциклировании иод постоянным моментом сил на этапе нагревания и в разгруженном состоянии на этапе охлаждения (третий режим).....................................................87
3.3.1. Влияние предварительной термомеханической “тренировки” на характеристики обратимого формоизменения в третьем
режиме.......................................................94
3.4 Явления термоциклической ползучести в сплаве ТН-1...........97
3.5. Влияние термоциклической тренировки на явление термоциклической ползучести......................................................98
3.6. Эффект термоциклического возврата в сплаве ТН-1...........100
Выводы по главе III............................................103
Глава IV. Теоретическое обоснование основных явлений мартснситной
неупругости.......................................................105
4.1. Одноуровневый поход в описании свойств мартенситной неупругости....................................................105
4
4.2. Модель, учитывающая влияние предварительной термоциклической тренировки на свойств мартенси гной эффект обратимого формоизменения
под постоянной нагрузкой...........................................111
Общие выводы по работе................................................114
Заключение...........................................................116
Список литературы.....................................................118
Список основных обозначений и сокращений, используемых в тексте 132
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время хорошо известен широкий класс материалов, обладающий обратимыми мартенситными переходами (ОМП). К ним относятся, прежде всего, сплавы на основе Т11Ч;МпСцСи7пСиА1РеМп и другие. С полной уверенностью можно сказать, что указанные материалы
11 занимают особое место в физике твердого тела, физическом
материаловедении и механике деформируемого твердого тела (МДТТ), так как им характерен целый ряд уникальных, нетрадиционных физикомеханических 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) [59]. Названным материалам характерен и ряд других эффектов, таких как: обратимая память формы (ОГ1Ф) - обратимое изменение деформации при тегшосменах; эффект реверсивной памяти формы (ЭРПФ) -реверсивное, т.е. знакопеременное изменение деформации при нагревании; пластичность прямого превращения (НИИ) - 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). Вышеупомянутые уникальные свойства материалов с ОМП дают возможность использовать их в различных областях техники: в космонавтике, машиностроении, медицине и т.д. [76,78,90,93]. 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.
Многообразие всевозможных вариантов использования данных материалов дает возможность говорить об актуальности проблемы исследования влияния предварительной термомеханической тренировки на эффекты обратимого формоизменения цилиндрических образцов из сплава ТН-1. Однако, остаются до конца не выясненными механизмы этого процесса, технологические приемы создания материалов с выраженным эффектом обратимой памяти формы, закономерности проявления ее в различных условиях, силовые характеристики. В подавляющем большинстве случаев материалы при реализации ОПФ демонстрируют качественно сходное поведение, независимо от конкретного типа трансформации решетки при мартенситных превращениях. Последнее обстоятельство позволяет изучать довольно общие закономерности эффекта ОПФ на конкретных модельных материалах, таких как ТИ^И, 'ПМСи и СиМп.
В контексте выше сказанного была поставлена цель работы: исследовать влияние предварительной термомеханической тренировки на эффекты обратимого формоизменения сплошных цилиндрических образцов из сплава ТН-1 при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов в различных термосиловых режимах.
В связи с этим была создана экспериментальная методика, позволяющая проводить экспериментальные исследования явлений МН в неизотермических условиях на образцах из сплава ТН-1 с помощью экспериментальной установки [39], в следующих температурно-силовых режимах:
1. Термоциклирование через интервалы мартенситных переходов под постоянным моментом сил.
2. Термоциклирование через интервалы мартенситных переходов в разгруженном состоянии на этапе нагревания и под постоянным моментом сил на этапе охлаждения.
3. Термоциклирование через интервалы мартенситных переходов под постоянным моментом сил на этапе нагревания и в разбуженном состоянии на этапе охлаждения.
4. В теоретическом плане предполагали развить подход, позволяющий ставить задачи мартенситной неупругости в рамках МДДТ в терминах инженерной механики.
В качестве объектов исследований были выбраны сплошные цилиндрические образцы выполненные из равноатомного сплава ТН-1. Выбор объекта исследования был обусловлен тремя обстоятельствами. Во-первых, наличием у него всех основных разновидностей эффектов обратимого формоизменения (ОФИ). Во-вторых, возможностью практического использования данного сплава. В-третьих, титанникилевые сплавы достаточно хорошо изучены.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю Андронову Ивану Николаевичу-доктору технических наук, профессору Ухтинского государственного технического университета, 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 Андронова Ивана Николаевича позволила автору успешно завершить данную работу в течении срока отведенного для обучения в очной аспирантуре.
Коллективу и администрации Ухтинского государственного технического университета, где были получены 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 (ХТМГ1). Рассмотрено поведение материалов в условиях реализации: ППП, ЭПФ, ОПФ, ЦПФ. Рассмотрены некоторые способы влияния на механические свойства материалов путем термомеханической обработки (ТМО). Рассмотрены, в кратком изложении, структурно - аналитическая теория прочности и структурно - аналитическая теория физической мезомеханики материалов. В этой главе использованы данные работ автора настоящей диссертации [21 \ и других авторов [55, 56, 88, 89, 68, 51, 36, 104, 1, 100, 69, 99, 103, 47, 43, 44, 20, 29, 46, 48, 53, 54, 59, 91, 77, 21, 30, 66, 67, 97, 98, 81, 102, 111, 22, 35, 70, 77, 24, 42, 37, 38, 33, 46, 45,94 - 96, 83 - 86, 58, 60 - 65, 57 ,34,49, 105, 106, 108, 109, 112, 71 - 75, 80] .
§1.1 Общие сведения о материалах с обратимыми мартенситными переходами
В ранних работах Г.В. Курдюмова и Хандроса Л.Г. было установлено, что в сплаве СиБп |55, 56] при нагревании и охлаждении могут наблюдаться бездиффузионные фазовые переходы. Им характерны следующие особенности: большая скорость процесса, количество образовавшейся фазы определяется только температурой и не зависит от скорости изменения последней, высокая скорость образования зародышей, прекращения образования зародышей при остановке процесса. Исследования на металлшрафичсском микроскопе сплава Си8п [56] показали, что
определенной температуре соответствует вполне конкретный структурный рельеф. Закономерным было следующее: кристаллы новой фазы,
появляющейся при охлаждении последними, исчезали при нагревании первыми. Чередование охлаждения и нагревания приводило к тому, что морфологический рельеф демонстрировал полностью обратимое изменение. В настоящее время такие фазовые переходы известны в литературе как обратимые мартенситные переходы (ОМП). Металлам и сплавам,
обладающим ОМП , характерен целый ряд уникальных свойств. Во-первых, они способны демонстрировать изменение фазового состава при циклических теплосменах. На рис. 1.1. схематически представлена зависимость концентрации мартенситной фазы от температуры. При
охлаждении сплава в интервале температур от А до М процентное
к н
содержание мартенситной фазы равно нулю, сплав находится в так
называемом аустенитном состоянии. После достижения температуры М -
н
начала прямого мартенситного перехода, начинается выделение
мартенситной фазы, которое заканчиваегся при температуре конца
прямого мартенситного превращения. При последующем нагревании металл
находится в мартенситном состоянии вплоть до температуры А - начала
н
обратного мартенситного перехода, а при достижении температуры А^ .
конца обратного мартенситного перехода, процесс заканчивается. Т.е. весь материал переходит в аустенитное состояние. Для реальных ОМП М-Т диаграмма рис. 1.1. не имеет ярко выраженных изломов в точках,
соответствующих - Мн,Мк,Ан,Ак. Истинному ходу диаграммы отвечают в
данном случае пунктирные линии на рис. 1.1. Описанное выше свойство обратимого изменения фазового состава приводит к тому, что при нагревании материал способен демонстрировать восстановление прежней формы, т.е. ЭПФ , а при охлаждении накопление деформации в обратном
10
м,%
Рис. 1.1. Схема температурной зависимости содержания мартенситной фазы при прямом и обратном мартенситных превращениях. Стрелками
обозначено направление изменения температуры М и М - начало и конец
н к
прямого мартенситного перехода, А и А _ начало и конец обратного
н к
мартенситного перехода.
направлении - ППП.
Указанные явления будут рассматриваться ниже. Важной особенностью материалов с ОМП является то, что они, как правило, демонстрируют нелинейные зависимости большинства физико-механических характеристик от температуры, причем им характерен ярко выраженный температурный гистерезис. На рис. 1.2. даны зависимости удельного сопротивления от температуры [88]. Как видно из хода кривых, зависимости представляют довольно сложные гистсрезисныс петли, вид которых, вообще говоря, зависит от состава материала. В целом сложный характер температурных зависимостей сопротивления предопределяется, видимо, рядом причин, которые ниже обсуждаться не будут. Отметим только, что методика измерения электрического сопротивления широко используется при изучении мартенситных переходов, в частности, при определении характеристических температур мартенситных переходов [88, 89].
Естественно ожидать, что в материалах с ОМП и другие физико-
механические характеристики сложным образом зависят от температуры. Анализ дилатограмм из работы [68] позволяет заключить, что и коэффициент линейного температурного расширения сложным образом зависит от температуры, это следует из рис. 1.3. В пользу этого так же свидетельствуют и данные работы [51] рис. 1.4. Как видно из рисунка 1.4. зависимость ос- т даже качественно неоднозначна, ее вид существенно зависит от компонент, входящих в сплав.
Рис. 1.2. Температурные зависимости удельного электросопротивления для сплавов 50Ti-49Ni-l aT%Fe(l), 50Ti-47Ni-3 ат% Fe(2), 50 Ti-47Ni -3 аг% Fe(3). Отжиг 1073 К [88].
Наряду с указанными свойствами металлы с ОМП демонстрируют очень сильную и сложную зависимость упругих постоянных от температуры [36, 104] рис. 1. 5. При нагревании на 100 К модуль Юнга может изменяться в 1,5 + 2 раза. В обычных материалах изменение температуры на 100 К приводит к изменению модуля Юнга на 3 + 5%. В качестве примера на рис.
1.6. представлена зависимость модуля сдвига от температуры для марганцемедных сплавов от температуры [1].
- Київ+380960830922