Оглавление
Введение...............................................................5
Глава 1. Особенности функционально-механических свойств сплавов с эффектом памяти формы..............................................12
1.1 Мартенситные превращения.........................................12
1.2 Основные явления в сплавах с ЭПФ и их характеристики.............14
1.3 Влияние термоциклирования на свойства сплавов с памятью формы 27
1.4 Влияние термомеханической обработки на основные функциональные свойства сплавов.....................................................32
1.5 Анализ основных методов расчёта функционально-механического поведения материалов с эффектом памяти формы.........................37
Глава 2. Постановка задачи и методики экспериментальных
исследований.........................................................44
2.1 Постановка задачи исследований...................................44
2.2 Методика экспериментальных исследований..........................45
Глава 3. Экспериментальные исследования деформационных характеристик при переходных процессах...............................52
3.1 Воздействие термомеханической обработки на эффекты циклической памяти формы в сплаве ТН-1 при переходных процессах
под напряжениями.....................................................52
3.1.1 Характеристики циклической памяти формы при постоянных нагрузках в результате термомеханического воздействия
(I режим испытаний)..................................................53
3.1.2 Деформационные отклики при переходных процессах
в сплаве ТН-1 под действием постоянных напряжений на этапах
нагревания и охлаждения (I режим испытаний)..........................56
2
3.1.3 Характеристики циклической памяти формы при различных напряжениях на этапах нагревания и охлаждения в результате термомеханического воздействия (II режим испытаний)...................61
3.1.4 Деформационные отклики при переходных процессах
в сплаве ТН-1 под действием различных напряжений на этапах нагревания и охлаждения (И режим испытаний)...........................66
Выводы по главе 3.....................................................70
Глава 4. Экспериментальные исследования зависимости эффекта ТМО от соотношения величин максимальных напряжений термомеханической обработки и фазового предела текучести при переходных процессах..............................................72
4.1 Исследования зависимости эффекта ТМО от соотношения величин максимальных напряжений термомеханической обработки
и фазового предела текучести под действием постоянных напряжений-на этапах нагревания и охлаждения (I режим испытаний).................73
4.2 Исследования зависимости эффекта ТМО от соотношения-величшгмаксимальных напряжений термомеханической-обработки, и фазового предела текучести под действием различных напряжений
на этапах нагревания и охлаждения (II режим испытаний)................82
Выводы по главе 4.....................................................89
Глава 5. Теоретическое обоснование и обсуждение поведения сплавов с эффектом-памяти формы при переходных процессах под нагрузкой..........91
Глава 5.1 Оценка степени достоверности экспериментальных величин деформационных откликов при термомеханическом воздействии.............91
5.1.1 Основные методы и идеи проверки статистических гипотез..........91
5.1.2 Статистический анализ деформационных откликов до и после термомеханического воздействия под постоянной нагрузкой на этапах нагревания и охлаждения...............................................95
3
5.1.3 Статистический анализ деформационных откликов до и после
термомеханического воздействия под различными напряжениями
на этапах нагревания и охлаждения....................................105
Глава 5.2 Модель расчёта коэффициента термомеханической обработки под постоянными и различными напряжениями на этапах нагревания и охлаждения...........................................................111
Выводы по главе 5....................................................123
Заключение...........................................................125
Приложение...........................................................127
Библиографический список литературы..................................130
4
Введение
Сплавы с памятью формы известны науке, можно считать, с конца 40-х годов. С открытий и исследований Г.В. Курдюмовым и Л.Г. Хандросом [72, 73] начинается эра новых до тех пор ещё неизвестных материалов с уникальными для металлов свойствами. В настоящее время широкое практическое применение находят сплавы, проявляющие эффект памяти формы (ЭПФ). К ним относятся сплавы на основе АиСс1, СиА1М, Си2пА1, Си8п, ТОЛ, МпСи, CuZn, БеМл, ТО^ЛСи, РеРё и др. Указанные материалы занимают особое место в механике деформируемого твёрдого тела, так как им характерен ряд уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, выделяющих их из класса обычных конструкционных металлов и сплавов. Прежде всего, к этим свойствам относится способность материала восстанавливать большие неупругис деформации до 10-15 % при изменении температуры. Их используют в приборостроении, космических технологиях, машиностроении, медицине в качестве функциональных материалов нового поколения. В' частности, они используются в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функционального назначения, тепловых реле, в строительных конструкциях, в качестве термочувствительных и силовых элементов в циклически действующих устройствах и в ряде других инженерно-технических направлений [57, 93, 110, 114, 117, 120, 144].
Одной из актуальных проблем применения сплавов с памятью формы является проблема обеспечения стабильной многоцикловой работы элементов исполнительных силовых механизмов. Решение этой проблемы связано с необходимостью исследования деформационных характеристик при переходных процессах. Анализ публикаций и результатов исследований различных авторов показывает, что особенности механического поведения сплавов с памятью формы, а также физические и математические модели для определения деформационных характеристик при смене режимов термосилового воздействия исследованы и разработаны в недостаточной
5
степени. В-связи с этим, разработка и развитие расчётно-экспериментальных методов и адекватных математических моделей, позволяющих исследовать деформационные характеристики при переходных процессах в сплавах с памятью формы, представляет собой актуальную проблему механики деформируемого твёрдого тела.
В. настоящей работе разрабатывается и практически реализуется расчётно-экспериментальный метод, позволяющий получать стабильные
і
деформационные характеристики за счёт переходных процессов и прогнозировать эволюцию изменения механического поведения сплавов с памятью- формы. Необходимо отметить, что в большинстве случаев^ материалы с эффектом памяти формы при термосиловом воздействии демонстрируют качественно сходное поведение при управлении их деформационными характеристиками, что позволяет изучать общие закономерности поведения на конкретных модельных материалах, таких, как ТіТчїі, ТіИіЄи и СиАІМп. Это обстоятельство используется в диссертационной работе при проведении экспериментальных исследований и разработке на основе полученных результатов адекватных математических моделей для определения деформационных характеристик в- сплавах с памятью формы*, используемых в исполнительных силовых механизмах многоразового действия. Этим определяется актуальность настоящей работы.
Представленная диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка литературы. Первая
глава содержит анализ основных литературных данных, состоит из пяти
>
разделов. В ней описаны основные явления, присущие сплавам с эффектом памяти формы (ЭПФ) и их характеристики. Освещены некоторые способы влияния термоциклирования и термомеханической' обработки на механические свойства сплавов с мартенситной неупругостыо. Представлен анализ основных методов расчёта функционально-механического поведения сплавов с памятью формы. Описаны основные положения феноменологических макроскопических (одноуровневых) и
микроскопических (многоуровневых) моделей. Приведено описание типов моделей в феноменологическом подходе к оценке долговечности и повреждаемости. Освещены основные возможности применения математической статистики при изучении уникальных свойств сплавов с ЭПФ. Здесь же сформулирована цель диссертационной работы и задачи исследования. *
Вторая глава состоит из двух разделов. В ней подробно описана методика подготовки образцов к испытаниям, их параметры. Даны основные положения методики экспериментальных исследований. И приведено-детальное описание установки, позволяющей проводить одностороннее и знакопеременное деформирование касательным напряжением при различных температурных режимах.
В третьей главе разрабатывается оригинальный экспериментальный, метод получения стабильных деформационных характеристик при переходных процессах для сплавов с памятью формы, на примере сплава ТН-1.. Приведены исследования деформационных откликов циклической памяти формы (эффект памяти формы и эффект пластичности превращения (ЭПП))? при переходных .процессах под . действием1.' постоянных и различных, напряжений на этапах нагревания« и охлаждения, полученные на основе разработанного метода.
Четвёртая глава, посвящена, разработке метода определения-зависимости эффекта ТМО от соотношения величин максимальных напряжений термомеханической обработки и напряжений фазового предела, текучести. При этом установлены особенности получения стабильных деформационных характеристик при переходных процессах в зависимости от соотношения величин максимальных напряжений термомеханической обработки и напряжений фазового предела текучести.
В‘ пятой главе на. основе различных методов и критериев математической статистики проводится анализ и сравнение деформационных откликов при переходных процессах. Оценивается степень достоверности
7
экспериментальных величин деформационных . откликов при термоциклировании под нагрузкой. Разрабатывается феноменологическая модель, позволяющая рассчитывать коэффициент термомеханической обработки при переходных процессах для сплавов с эффектом памяти формы.
В заключении представлены выводы, сделанные в результате проведённых исследований.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
1. Андронов И.Н., Всрбаховская P.A., Данилов А.Н., Корепанова B.C. Мартенситный тип обратимой памяти формы в устройстве с систологического размера кольца митрального клапана. — Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Том 76, № 8, 2010, с. 38-42 (Перечень ВАК).
2. Андронов И.Н:, Вербаховская P.A., Данилов А.Н., Корепанова B.G., Пластинина Е.В. Переходные деформационные процессы и эффект ТМО в-сплаве ТН-1, инициированные термоциклированием* при переменных напряжениях. - Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Том-76, №-10,2010, с. 28-31 (Перечень ВАК).
3. Андронов И.Н., Вербаховская P.A., Корепанова B.C., Коновалов М.Н., Пластинина Е.В. Влияние характера предварительного деформирования на псевдоупругие свойства никелида титана. — Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Том 77, № 10, 2011, с. 50-55 (Перечень ВАК).
4. Андронов И.Н., Вербаховская P.A., Данилов А.Н., Корепанова B.C., Пластинина Е.В. Влияние повторной термомеханической деформации на ЭПФ сплава ТН-1. - Заводская лаборатория. Диагностика, материалов. Том 77, № 4,2011, с. 54-57 (Перечень ВАК).
5. Корепанова B.C. Воздействие ТМО на ЭПФ и пластичность превращения в сплаве никелида титана. — X Международная молодёжная
8
научная конференция «Севергеоэкотех-2009» / материалы конференции 18-20 марта 2009 г. Ухта, 2009, с. 355-359.
6. Андронов И.Н., Вербаховская P.A., Корепанова B.C. Деформационные процессы в материалах с эффектом памяти формы в результате термомеханического воздействия. — Научно-техническая конференция / материалы конференции 14-17 апреля 2009 г. Ухта, 2009, с. 364-367.
7. Андронов И.Н., Вербаховская P.A., Корепанова В:С. Переходные процессы в материалах с ЭПФ. - XVII Международная конференция «Физика прочности» / сборник тезисов 23-25 июня 2009 г., Самара, 2009, с. 302.
8. Корепанова B.C. Использование эффекта памяти металла в муфтовых соединениях с целью защиты от коррозионного воздействия. — X научно-техническая конференция молодёжи ОАО «Северные МН» / материалы конференции 25-27 ноября 2009 г., Ухта, 2009, с. 34-35.
9. Корепанова B.C., Пластинина- Е.В. Влияние величины фазового предела текучести на деформационные отклики после ТМО под постоянным напряжением. — XI Международная молодёжная, научная конференция «Севергеоэкотех-2010» / материалы конференции 17-19'марта 2010 г., Ухта, 2010, с. 355-359.
10. Андронов И.Н., Волкова И.И., Вербаховская P.A., Корепанова B.C. Статистический анализ деформационных откликов до и после термомеханического воздействия. - Научно-техническая* конференция / материалы конференции, 13-15 апреля 2010 г., Ухта, 2010, с. 131-135.
11. Андронов И.Н., Вербаховская P.A., Корепанова B.C., Тютюков С.Н. Деформационные характеристики сплавов с памятью формы при смене термосилового воздействия. — XIX Петербургские чтения по проблемам прочности / сборник материалов 13-15апреля 2010, Санкт-Петербург, 2010, с. 359-361.
9
12. Андронов И.Н., Вербаховская P.A., Корепанова B.C. Использование эффекта памяти металла в муфтовых соединениях для обеспечения надёжности трубопроводных систем: Студенческий* научный вестник / сборник статей Международного* молодёжного форума-олимпиады по приоритетным направлениям развития Российской Федерации 25-29 октября 2010 г., Москва, 2010; с: 379-387.
13. Андронов И.Н:, Вербаховская P.A., Корепанова B.C. Зависимость угловых деформаций- от характеристических температур мартенситных превращений. — VI Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» 16-19 ноября*2010 г., Черноголовка, 2010, с. 174.
14. Андронов. И:H., Вербаховская P. A., Корепанова В С. Особенности деформирования: сплавов с памятью формы с различными фазовыми, пределами текучести;. - Научно-техническая конференция 13-15 апреля 2010 г., Ухта, 2010, с: 43-45.
В положениях, выносимых на защиту, входит:
-расчётно-экспериментальный метод определения деформационных характеристик при переходных процессах;
- результаты исследования зависимости эффекта ТМСКот соотношения величин максимальных напряжений . термомеханической обработки* и напряжений фазового предела текучести;..
- анализ: деформационных откликов* при-; переходных процессах, с применением методов математической статистики;
- разработанная феноменологическая модель, позволяющая рассчитывать коэффициент термомеханической обработки- при переходных процессах в материалах с памятью формы.
10
Основные обозначения и сокращения, используемые в работе:
МП - мартенситные превращения
МЫ - мартенситная неупругость
ЭПФ - эффект памяти формы
ОПФ — эффект обратимой памяти формы
ЭРПФ - эффект реверсивной памяти формы
111111 - пластичность прямого превращения
Ф1ТГ - фазовый предел текучести
ТМО - термомеханическая обработка
ХТМП - характеристические температуры мартснситных превращений
Э1111 — эффект пластичности превращения
ОМП — обратный мартенситный переход
ПОП - пластичность обратного превращения
СУ - эффект сверхупругости
Г1У - псевдоупругость
ЦПФ - циклическая память формы
ВТМО - высокотемпературная механическая обработка НТМО - низкотемпературная механическая обработка СПФ - сплавы с памятью формы
11
Глава 1. Особенности функционально-механических свойств сплавов
с эффектом памяти формы
1.1 Мартенситные превращения
Превращения, в которых кристаллы могут переходить из одной кристаллической структуры в другую принято называть кристаллохимическими. Переход кристаллической структуры, может осуществляться посредством как диффузионного, так и бездиффузионного кристаллохимического превращения. Мартенситные превращения (МП) — названные в честь известного немецкого ученого А-. Мартенса (1850-1914г.), открывшего структуру такого рода в метеоритном железе -- лежат в основе ЭПФ,- представляют собой бездиффузионные фазовые превращения, в. твёрдом состоянии из высокотемпературной фазы (аустенита) в низкотемпературную фазу (мартенсита). В настоящее время известно; что МП обнаружены во многих металлах, сплавах и соединениях: Т1,2г, €о, ТОП, РеЖ, СиА1, СиМп, АиСс1, СиАМ, Со№, №А1, СигпА1, СиА1Мп и др. [57, 74,
94, 95, 110, 114, 117, 144]. Инициировать в материале такие превращения, можно как механическим напряжением, так и- изменением температуры. Превращение, происходящее при охлаждении, обычно называют прямым МП (из высокотемпературного в низкотемпературное состояние), а при нагреве -обратным МП. Прямое превращение может быть инициировано различного рода внешними факторами - изменением температуры, механическими напряжениями, деформациями, что соответствует следующим названиям: термомартенсит, мартенсит напряжения и мартенсит деформации [57, 74, 94,
95, 110, 114, 144].
Для обратимых мартенситных превращений характерна зависимость фазового состава от температуры. На рис. 1.1 представлен процесс фазового перехода из аустенита в мартенсит и обратно, что может происходить неоднократно во время охлаждения из высокотемпературного состояния в
- Київ+380960830922