РАЗДЕЛ 2
МЕХАНИЗМЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХУПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ СПЛАВОВ In-Pb
2.1. Явление сверхупругой деформации
Известны случаи, когда деформация кристаллических материалов полностью обратима, то есть исходные размеры деформируемого образца восстанавливаются после снятия внешней нагрузки. Обратимой, прежде всего, является упругая деформация. При упругой деформации кривые напряжение-деформация ?(?) при нагружении и разгрузке совпадают (рис. 2.1 а), так что энергия в течение цикла не рассеивается (термодинамически обратимый процесс). На рис. 2.1 б показан простейший пример неупругого поведения, связанного с микроскольжением, при котором вся деформация обратима, однако в течение цикла нагружение-разгрузка происходит рассеяние энергии. Поведение материала с замкнутой петлей часто называют неупругостью. Обратимые упругие и неупругие деформации невелики: ?r ? 10-3 и обусловлены в первом случае силами межатомного взаимодействия, во втором - восстановлением первоначальной дислокационной конфигурации под действием сил натяжения и внутренних напряжений [156].
Еще меньшие величины ?r связаны с единичным упругим двойником [157,158]. В данном случае зависимость длины двойника от внешней нагрузки, аналогичная зависимости ?(?), имеет вид, показанный на рис. 2.1 в, а выход упругого двойника из кристалла вызывается силами поверхностного натяжения.
У некоторых сплавов было обнаружено необычное свойство: восстанавливать первоначальную форму при снятии внешней нагрузки после больших деформаций, до 10-1 и более [159-161]. Это свойство называют сверхупругостью, псевдоупругостью, резиноподобным поведением и, наконец, упру-
Рис. 2.1. Схематическое изображение различных типов кривой напряжение-деформация: а - упругая деформация, б - неупругая деформация, в - гистерезисная петля на кривой зависимости длины двойника L от внешней нагрузки P [158].
Рис. 2.2 Рис. 2.3
Рис. 2.2. Зависимость напряжение-деформация для монокристалла сплава системы Cu-Zn-Sn при 24 0С (на 76 0С выше Ms) [162].
Рис. 2.3. Кривые напряжение деформация для монокристаллов Cu-Zn одной ориентации при различных температурах. Напряжение, соответствующее площадке текучести на деформационной кривой, увеличивается с ростом температуры испытания так же, как и ?m (напряжение образования мартенсита напряжения) [163].
гим эффектом памяти формы. В дальнейшем мы будем использовать термин сверхупругость.
Сверхупругая деформация обычно связана с протекающими в сплавах термоупругими мартенситными превращениями. Существование термоупругих кристаллов мартенсита, обратимым образом меняющих свои размеры в матрице при изменении температуры, было предсказано Курдюмовым [55] и экспериментально обнаружено Курдюмовым и Хандросом [52].
Если мартенситное превращение вызвано приложением внешнего напряжения при температуре выше As (температура начала обратного мартенситного превращения), но ниже Md (предельная температура, ниже которой мартенситное превращение может быть вызвано приложением внешней нагрузки), то при разгрузке мартенсит напряжения оказывается нестабильным и переходит в матричную фазу, а деформация, накопленная при нагружении, исчезает. Обратимая деформация в данном случае обусловлена прямым и обратным мартенситными превращениями, обеспечивающими макроскопические сдвиги в образце (так называемая деформация фазового превращения). Рис. 2.2 иллюстрирует сверхупругий эффект на примере монокристалла системы Cu-Zn-Sn [162].
Влияние температуры на вид деформационных кривых ?(?), связанных с мартенситными превращениями, сводится к двум эффектам [163] (рис. 2.3). Во-первых, с понижением температуры уменьшается наклон кривых на упругом участке, что связывается со смягчением решетки (уменьшением упругих модулей) вблизи температуры фазового превращения. Во-вторых, линейно уменьшаются напряжения, необходимые для зарождения мартенсита напряжения ?m и матричной фазы в монокристаллах мартенсита, обращаясь в нуль соответственно при Ms и As, температурах начала спонтанного прямого и обратного превращений (рис. 2.4). Зависимость ?m(T) может быть приближенно получена из уравнения Клапейрона-Клаузиуса, примененного для мартенсита напряжения, если пренебречь гистерезисом на кривых ?(?) [163]:
Рис. 2.4. Температурная зависимость критического напряжения образования мартенсита напряжения и матричной фазы в монокристаллах мартенсита напряжения. Экстраполяция на нулевые напряжения дает температуру начала прямого и обратного превращений Ms и Аs [163].
Рис. 2.5. Схематическое представление взаимосвязи между сверхупругостью, критическими напряжениями и температурами перехода. В заштрихованной области реализуется сверхупругость мартенсита [165]. ?0 и ?m - критические напряжения для скольжения и образования мартенсита напряжения; Ms и As - температуры начала прямого и обратного мартенситного превращения, Md - предельная температура, ниже которой мартенситное превращение может быть вызвано приложением внешней нагрузки.
, (2.1)
где Q - теплота превращения, ?? - деформация, связанная с полным превращением в мартенсит, T0 - температура равновесия матричной фазы и мартенсита в отсутствие напряжений, Vm -молярный объем. Для сплава системы Au-Cd получено хорошее согласие экспериментальной зависимости ?m(T) с теоретической зависимостью (2.1) [164].
К свойству сверхупругости близко примыкает другой не менее интересный эффект - эффект памяти формы (ЭПФ). ЭПФ называют явление, при котором образец, пластически продеформированный при определенной температуре, возвращается к своей исходной форме при снятии нагрузки и нагреве до определенной температуры. Почти все сплавы, обладающие ЭПФ, также проявляют и эффект сверхупругости. Оба эти эффекты связаны с прямым и обратным мартенситным превращением. Различие состоит в том, что движущая сила обратного превращения в случае сверхупругости обеспечивается снятием нагру