Вариант теории физической мезомеханики для материалов с эффектом памяти формы

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................................6
1. Физико-механические свойства материалов в условиях инициирования фазовых превращений мартенситного типа (Литературный обзор)................................................12
1.1. Закономерности массопереноса в материалах с мартенситными превращениями.......................................................12
1.1.1. Механизмы пластической деформации............................14
1.1.2. Обратимые механизмы деформации за счет инициирования двойникования
1.1.3.Особенности массопереноса при термоупругих мартенситных
превращениях .......................................................16
1.1.4. Самоорганизация и многоуровневый (микро-, мезо-, макромасштабный) характер эволюции мартенситных структур.............................22
1.2. Механические свойства материалов с обратимыми мартенстиными
превращениями.......................................................26
1.2.1. Влияние различных факторов на фазовый предел текучести (аФ)..26
1.2.1.1. Зависимость стф от химического состава......................
1.2.1.2. Зависимость аФот температуры...-............................
1.2.1.3. Зависимость аф от формы и размеров зерен....................
1.2.1.4. Зависимость аФ от скорости деформирования...................
1.2.1.5. Зависимость <уФот процессов старения........................
1.2.1.6. Зависимость характеристических температур фазовых превращений от механических напряжений..............................
1.2.1.7. Зависимость оФ от предварительной пластической деформации
1.2.2. Псевдоупругость превращения.............•.........................32
1.2.2.1. Влияние температуры.............................................
1.2.2.2. Влияние состава.................................................
1.2.2.3 Влияние схемы нагружения...............................................
1.2.2.4. Влияние скорости деформирования.................................
1.2.2.5. Влияние старения................................................
1.2.3. Эффект пластичности превращения...................................37
1.2.4. Деформация ориентированного превращения...........................38
1.2.5. Эффект памяти формы...............................................39
1.2.6. Эффект обратимой памяти формы.....................................40
1.2.7. Эффект реверсивной памяти формы...................................41
1.2.8. Реактивные напряжения.............................................42
1.2.9. Деформационные эффекты при сложном напряженном состоянии..........44
1.2.10. Баромеханические эффекты мартенситной неупругости................45
1.3. Анализ теоретических методов описания механических свойств материалов с мартенситным каналом мас-сопереноса.........................46
1.3.1. Кинетические модели ..............................................46
1.3.2. Термодинамический подход..........................................51
2
1.3.3. Элементы механики среды с мартенситными превращениями........52
1.3.4. Микромеханический подход.....................................54
1.3.5. Структурно-аналитическая теория для материалов с эффектом памяти формы...............................................................56
1.3.6. Структурно-аналитическая теория физической мезомеханики......58
2. Постановка задачи и методы исследований..........................63
2.1. Постановка задачи..............................................63
2.2 Методы исследования.............................................65
3. Модель физической мезомеханики для сред с мартенситным механизмом массопереноса, основанная на структурно-аналитической концепции...........................................................66
3.1. Масштабные и структурные уровни в нагруженном материале с мартенситным механизмом массопереноса...............................66
3.2. Микроструктурный уровень.......................................70
3.3. Мезоструктурный уровень........................................75
3.3.1. Мезоструктурный уровень-1....................................76
3.3.2. Мезоструктурный уровень-2....................................80
3.4. Макромасштабный уровень........................................85
3.4.1. Макромасштабный уровень-1....................................85
3.4.2. Макромасштабный уровень-2.................................. 89
4. Аналитический расчет функционально-механических свойств материалов с мартенситным механизмом массопереноса..................91
4.1. Определяющие соотношения макромасштабного уровня в условиях линейного напряженного состояния.................................. 91
4.2. Пластичность прямого мартенситного превращения.................94
4.2.1. Постановка задачи............................................94
4.2.2. Микроструктурный уровень.....................................95
4.2.3. Мезоструктурный уровень-1....................................98
4.2.4. Мезоструктурный уровень-2...................................100
4.2.5. Макромасштабный уровень.....................................105
4.3. Методика верификации параметров модели
111
5. Теоретический анализ влияния фазового состава и сложных траекторий изотермического нагружения на эффекты мартенситной неупру гости.......................................................117
5.1. Программа компьютерных экспериментов и математический объект исследования .........................................................................................................117
5.2. Исследование деформаций объектов различного фазового состава в условиях симметричного знакопеременного сдвигового нагружения..122
5.2.1. Аустенитное состояние..........................................................................................123
5.2.2. Мартенситное состояние.........................................................................................126
5.2.3. Двухфазное состояние...........................................................................................129
5.3. Исследование деформаций мартенситной неупругости объектов различного фазового состава в условиях симметричного одноосного растяжения-сжатия.....................................................................................................133
5.3.1. Аустенитное состояние..........................................................................................133
5.3.2. Мартенситное состояние.........................................................................................136
5.3.3. Двухфазное состояние...........................................................................................138
5.4. Многозвенные траектории нагружения, содержащие участки резкого излома и знакопеременного воздействия на объект в аустенитном состоянии.............................................................................................................144
5.4.1. Многозвенная траектория знакопеременного нагружения (режим 0-2) с амплитудами напряжений:
=±256,6 МПа, о£'=±90 МПа..........................................................................................144
5.4.2. Многозвенная траектория знакопеременного нагружения (режим 0-3) с амплитудами напряжений:
а<°> =±212,18 МПа, о£'=±122,5 МПа................................................................................... 149
5.4.3. Многозвенная траектория знакопеременного нагружения (режим 0-4) с амплитудами напряжений:
а(^=± 150 МПа, сг^=±150 МПа...........................................................................................152
5.5. Многозвенные траектории нагружения, содержащие участки резкого излома и знакопеременного воздействия на объект в мартенситном состоянии.............................................................................................................157
5.5.1. Многозвенная траектория знакопеременного нагружения (режим 0-2) с амплитудами напряжений:
(а) (а)
=+256,6 МПа, =+90 МПа.............................................................................................157
5.5.2. Многозвенная траектория знакопеременного нагружения (режим 0-3) с амплитудами напряжений:
_.(Ч> -(а)
=±212,18 МПа, =±122,5 МПа.........................................................................................160
5.5.3. Многозвенная траектория знакопеременного нагружения (режим 0-4) с амплитудами напряжений:
(а) (о)
=+150 МПа, =±150 МПа..............................................................................................163
5.6. Многозвенные траектории нагружения, содержащие участки резкого излома и знакопеременного воздействия на объект в двухфазном состоянии.............................................................................................................167
4
5.7. Метод анализа эволюции фазового состава на микроуровне с помощью гномостереографических проекций........................177
6. Экспериментальные исследования эффектов мартенситной неупругости и сопоставление с теоретическим прогнозом.............183
6.1. Объект исследования, методика проведения опытов и программа испытаний.........................................................183
6.2. Исследование диаграмм деформации при циклических нагружениях касательным напряжением с переменной амплитудой...................185
6.2.1. Пульсирующее сдвиговое нагружение с переменной амплитудой
6.2.2. Симметричное сдвиговое нагружение с периодически изменяющейся
амплитудой.......................................................185
6.3 Циклическое нагружение, содержащее комбинацию фиксированного уровня о (или т) и симметричного знакопеременного изменения т (или а) 189
6.4. Исследование диаграмм деформации при циклических синхронных нагружениях нормальным и касательным напряжениями.................195
6.5. Исследование диаграмм деформации при синхронном воздействии нормальным и касательным напряжениями при "нейтральных" траекториях нагружения............................................202
6.5.1. Диаграммы деформации при "нейтральных" траекториях нагружения в пространстве напряжений...........................................202
6.5.2. Анализ эволюции фазового состава при "нейтральных" траекториях с помощью метода компьютерного моделирования полюсных фигур мартенситных текстур..............................................207
Выводы...........................................................218
Литература ......................................................221
Приложения.......................................................231
5
Введение
В настоящее время создан широкий класс материалов, обладающих способностью к обратимым мартенситным превращениям в процессе термомеханического воздействия. К ним относятся, прежде всего, сплавы на основе Тл№, различные медные сплавы: МпСи, С\&п, СиЛ1, сплавы на основе железа: РеМп и многие другие. Названным объектам характерен целый ряд уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, среди которых можно отмстить способность материала восстанавливать большие неупругие деформации до 10-25% при изменении температуры (эффект памяти формы- ЭПФ) или при изотермической раз1рузке (эффект псевдоупругости -ЭПУ). Кроме названных, рассматриваемым материалам свойственны также деформационные проявления, такие как эффект пластичности превращения (Э1Ш), обратимая память формы, ферроупругие свойства при циклическом нагружении, баромеханические эффекты и многие другие.
Необходимо отметить практически полное отсутствие систематических экспериментальных данных о деформационных эффектах материалов с ЭПФ при сложных траекториях нагружения в пространстве напряжений.
Сплавы с ЭПФ являются многообещающими функциональными объектами для применения их в аэрокосмической промышленности, атомной энергетике, медицине и в других областях техники. Широкое внедрение рассматриваемых материалов сдерживается отсутствием методов описания механического поведения объектов с ЭПФ, адекватных реальным, весьма сложным и разнообразным деформационным эффектам мартенситной неупругости. Сложность проблемы обусловлена тем, что в процессе сс решения, как задачи механики, необходимо рассматривать проблему эволюции внутренней структуры, в том числе и эволюцию связей между составляющими структурными элементами и их влияние на служебные и функциональные свойства материала. Принципиальное значение при этом играют процессы взаимодействия на внутренних границах раздела фаз, возникающие на различных масштабных уровнях. Таким образом материал с обратимыми фазовыми превращениями должен рассматриваться как сложная иерархически организованная система представительных объемов разных масштабов. Эта система эволюционирует
6
в ходе нагружения и адаптируется к приложенным воздействиям, а элементы ее внутреннего строения - микро и мезоструктура- способны к самоорганизации.
В настоящей диссертационной работе па основе синтеза основных достижений механики сплошной среды, материаловедения, физики твердого тела, термодинамики фазовых превращений и других сопутствующих дисциплин поставлена задача сформулировать определяющие соотношения многоуровневой иерархически организованной структурно-неоднородной среды с термоупругими мартенситными превращениями и на их основе выполнить систематические теоретические и экспериментальные исследования механических свойств материалов с ЭПФ при сложных режимах термомеханического воздействия, включая непропорциональные траектории нагружения в пространстве напряжений. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
□ разработка модели физической мезомеханики неоднородных сред с
термоупругими мартенситными превращениями, основанной на структурноаналитической концепции;
□ вывод аналитических соотношений для прогноза эффекта пластичности превращений и эффекта памяти формы;
□ определение параметров модели на основе экспериментальных данных но
диаграммам пластичности превращения и памяти формы;
□ разработка методик и выполнение систематических экспериментальных
исследований эффектов мартснситной неупругости на тонкостенных трубчатых образцах из эквиатомного никелида титана при сложных траекториях нагружения в пространстве напряжений, включая ортогональные, циклические и "нейтральные" траектории;
□ разработка алгоритмов и выполнение численных экспериментов по
моделированию нетривиальных функционально-механических свойств в условиях циклического и сложного нагружения в пространстве напряжений.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:
I. создана трехуровневая модель физической мезомеханики неоднородных сред с термоупругими мартенситными превращениями, основанная на структурно-аналитической концепции;
7
2. выведены эволюционные уравнения для расчета компонент тензоров кинетических коэффициентов структурной податливости, структурной памяти формы и структурной неоднородности межфазового взаимодействия;
3. выведены аналитические соотношения для прогноза эффекта пластичности превращения при одноосном нагружении;
4. получены экспериментальные и теоретические данные о механическом поведении сплава 'П-50%Ы1 при сложных траекториях изотермического нагружения в пространстве напряжений, включая:
4.1. двухзвенные траектории с ортогональным изломом;
4.2. многозвенные траектории, содержащие резкие изломы и участки знакопеременною нагружения;
4.3. "нейтральные" траектории нагружения при плоском напряженном состоянии;
5. разработаны алгоритмы, реализованы программы компьютерного моделирования процессов знакопеременного циклического нагружения при сложном напряженном состоянии.
Диссертация состоит из шести глав, выводов, библиографического списка, состоящего из 145 наименований, 125 рисунков, 6 таблиц и приложения.
В первой главе "Физико-механические свойства материалов в условиях инициирования фазовых превращений мартенситного типа" приведен литературный обзор, посвященный описанию физико-механических свойств материалов в условиях инициирования обратимых мартенситных реакций. Материал главы состоит из трех основных разделов.
В первом представлен анализ возможных механизмов деформирования, на физическом уровне рассмотрения, кристаллических объектов. Основное внимание уделено обсуждению физических аспектов деформации в материалах с обратимыми мартенситными превращениями.
Второй раздел посвящен обзору основных функционально-механических проявлений, наблюдаемых в кристаллических материалах при инициировании мартенситных реакций.
В заключительной части выполнен анализ теоретических подходов, используемых для описания деформационных свойств в материалах с мартенситным механизмом деформации.
8
Во второй главе "Постановка задачи и методы исследования" обосновываются и формулируются основные задачи настоящей диссертации, а также определяются методы теоретического и экспериментального анализа функциональномеханических свойств материалов с эффектом памяти формы.
Центральное место в работе занимает третья глава "Модель физической мезомеханики для сред с мартенситным механизмом массопереноса, основанная на структурно-аналитической концепции". В настоящей главе, используя методы структурно-аналитической теории физической мезомеханики, формулируются определяющие уравнения для прогноза деформационных эффектов в материалах с обратимыми мартенситными превращениями.
Развивается метод построения связной системы иитегро-дифференциальных соотношений для описания процессов структурной эволюции и деформации на микро- мезо- и макромасштабных уровнях. Особое внимание уделяется развитию метода эффективного поля, с целью моделирования эволюции сгрукгурных ориентированных напряжений, возникающих на границе раздела аустенитной и мартенситной фаз.
На основе методов непрерывной аппроксимации статистической механики сплошной среды выведены эволюционные уравнения для расчета кинетических коэффициентов структурной податливости, структурной памяти формы и структурной неоднородности межфазового взаимодействия.
Четвертая глава "Аналитический расчет функционально-механических свойств материалов с мартенситным механизмом массопереноса" посвящена аналитическому описанию эффекта пластичности превращения в условиях линейного напряженного состояния. Подробно описан алгоритм расчета от микро до макро уровня, представлены физические механизмы деформации, а также соответствующие аналитические структуры каждого масштабного уровня.
С целью расчета интенсивности ориентированных струкгуриых напряжений, инициируемых несовместными деформациями на движущейся границе раздела мартенситной и аустенитной фаз мезоструктурного масштабного уровня выведено интегральное уравнение Фрсдгольма первого рода с вырожденным ядром.
9
Получены аналитические соотношения для расчета компонент четырехвалентных тензоров кинетических коэффициентов структурой податливости и структурной релаксации. Разработана методика верификации параметров модели.
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования влияния уровня напряжений, степени предварительной деформации, различных структурных факторов на вышеуказанные кинетические коэффициенты, а также на формирование деформационных эффектов.
В пятой главе "Теоретический анализ влияния фазового состава и сложных траекторий изотермического нагружения на эффекты мартенситной неупругости" представлены результаты систематических компьютерных
исследований механического поведения математического объекта, близкого но свойствам к сплаву Си~12%АМ,5%Мп, при сложных траекториях изотермического нагружения в пространстве напряжений, содержащих участки знакопеременного воздействия.
Большое внимание уделяется анализу влияния фазового состава и вида напряженного состояния на деформационные эффекты мартенситной неупругости. Подробно исследуются перекрестные эффекты механоциклической памяти формы. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с данными опытов.
Шестая глава "Экспериментальные исследования эффектов мартенситной неупругости и сопоставление с теоретическим прогнозом" содержит результаты экспериментально-компьютерных исследований деформационных эффектов мартенситной неупругости тонкостенных трубчатых образцов из эквиатомного никелида титана при сложных траекториях нагружения содержащих ортогональные изломы, циклическое знакопеременное нагружение в условиях плоского напряженного состояния, а также деформирование по "нейтральным" траекториям в пространстве напряжений. Результаты опытов сопоставлены с данными теоретического прогноза, получено хорошее согласование.
В выводах сформулированы основные результаты работы.
Приложение состоит из зрех частей, в которых приведено описание методик компьютерно-экспериментальных исследований сложных деформационных свойств модельных объектов, деформирующихся в условиях инициирования маргенситных механизмов массоперсноса. Для теоретических исследований использовались
10
популярные математические пакеты MathCad 7.0 Pro и Maple 5.0 R4, а также инструментальная интегрированная компьютерная среда структурно-аналитической теории прочности iXSAT (в приложении III подробно описан ее интерфейс). Для выполнения экспериментальных исследований использовались установки СНТ-1 и CIIT-3, описанные в приложении П.2. В последнем приложении П.З приведены протоколы компьютерных исследований и результаты экспериментальных данных, а также алгоритмы и листинги про1рамм.
Настоящая работа проводилась в лаборатории "Компьютерное
конструирование материалов и технологий" (ККМТ) на кафедре "Механики и физики прочности материалов и конструкций" (МФПМК) Новгородского Государственного Университета имени Ярослава Мудрого.
Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность сотрудникам лаборатории "Компьютерное конструирование материалов и технологий" и коллекгиву кафедры МФПМК.
Особую благодарность выражаю руководителю лаборатории ККМТ доктору физико-математических наук, профессору Малинину В.Г., а также научному руководителю профессору Дикалову Б.А.
11
1. Физико-механические свойства материалов в условиях инициирования фазовых превращений мартенситного типа
(Литературный обзор)
В данной главе выполнен краткий ретроспективный анализ литературных данных, посвященных описанию физико-механических свойств материалов в условиях инициирования обратимых мартенситных реакций. Материал главы состоит из трех основных разделов. В первом представлен анализ возможных механизмов деформирования, на физическом уровне рассмотрения, кристаллических объектов. Основное внимание уделено обсуждению физических аспектов деформации в материалах с обратимыми мартенситными превращениями. Второй раздел посвящен обзору основных функционально-механических проявлений, наблюдаемых в кристаллических материалах при инициировании мартенситных реакций. В заключительной части приведен анализ теоретических подходов, используемых для описания деформационных свойств в материалах с мартенситным механизмом деформации.
1.1. Закономерности массопереноса в материалах с мартенситными превращениями
Известно, что деформация кристаллов может быть обратимой и необратимой. Необратимая деформация, обычно называемая пластической, может происходить за счет движения и размножения различных дефектов структуры вещества. Обратимая деформация может быть реализована за счет упругих искажений межатомных связей кристаллической решетки, механического двойникования, твердотельных химических реакций типа обратимых фазовых превращений мартенситного характера и др. [1,2].
Кривые деформирования (например растяжения) большинства обычных пластичных материалов имеют простой вид, схематически изображенный на рис. 1.1. На начальном этапе - участке ДВ, деформация упругая, а зависимость напряжения а от деформации е линейна. Начиная с напряжения ал называемого пределом упругости, коэффициент с1а/с!е уменьшается (иногда резким спадом до нуля, если возникает площадка текучести). На участке ВС и далее, вплоть до разрыва образца, накапливаются как упругие, так и пластические деформации. Последние обусловлены,
12
в основном, скольжением дислокаций. Если в точке С произвести разгрузку, то траектория ее (CD) оказывается параллельной линии АВ. В результате после возвращения упругой деформации 6е сохранится остаточная деформация е„. При повторном нагружении материал деформируются по линии DCF до максимального напряжения о„ которое принято называть пределом прочности или временным сопротивлением. Дальнейшее деформирование вызывает или разрушение, или течение с образованием шейки и соответствующим спадом нагрузки. Вариации температуры и скорости испытания влияют на вид кривой деформирования: изменяются пределы текучести и прочности, модуль Юнга, максимальная деформация и т.д.
Рис. 1.1. Кривая деформирования нормально пластичного материала.
Упругая деформация в кристаллах обычно весьма мала и измеряется сотыми и десятыми долями процента. В то же время реализация мартенситных обратимых реакций и процессов двойникования может привести к значительным, в некоторых случаях свыше 10% обратимым деформациям [2,3]. Ьольшая величина деформаций, инициируемая за счет двойникового или мартенситного каналов массопереноса, приводит иногда к неправомочному отождествлению их с пластической, необратимой деформацией. Последнее стимулирует иногда неоправданные попытки использовать классические методы теории пластичности при формулировке определяющих соотношений для материалов с эффектом памяти формы. Для названных объектов при формулировке математических моделей на первое место выдвигается необходимость отражения физического аспекта процесса деформирования. Остановимся более подробно на физических аспектах механизмов обратимой и необратимой деформации.
13
1.1.1. Механизмы пластической деформации
Как уже отмечалось, пластическую деформацию в кристаллических телах вызывает движение различных структурных дефектов. Наиболее часто деформация, обеспечивается миграцией точечных дефектов[4,5] и перемещениями дислокаций [1,6]. Сдвиговая деформация происходит, если приложенные напряжения превышают некоторый уровень. Наряду с дислокационным механизмом массоперсноса при повышенных температу рах наиболее энергетически выгодным становится диффузия точечных дефектов в поле механических напряжений. Иногда встречается смешанный дислокационно-диффузионный механизм. Па рис. 1.2.а показана схема деформации монокристалла за счет трансляционного скольжения.
В разных материалах пластическая деформация происходит не только благодаря перемещению отдельных дислокаций, но и их ансамблей различной природы, а также границ блоков, ячеек, фрагментов вещества [7,8]. Важно отметить, что после снятия нагрузки, вызвавшей перемещение дефектов, практически отсутствуют силы, способные восстановить исходное положение элементов. Поэтому иеупругая деформация, в этом случае, является фактически необратимой.
Рис. 1.2. Схемы деформации монокристаллов: а.- за счет трансляционного скольжения (Л-А - плоскость скольжения; с! - период решетки); Ь - в следствие двойникования (1-1 — исходный кристалл; 1-1- плоскость двойникования [2]).
Накопление макроскопической деформации при реализации диффузионного канала массопереноса можно объяснить тем, что точечные дефекты "дрейфуют в направлении действующей силы. После снятия нагрузки новые позиции этих дефектов будут' не предпочтительнее исходных. Поэтому можно сказать, что такой массоиеренос приводит также к необратимой макроскопической деформации [4,5]. Кроме указанных основных механизмов в некоторых случаях могут доминировать и другие механизмы необратимого деформирования, например движение границ
/
14
зерен [7]. Однако по макроскопическому проявлению пластичности они подобны дислокационно-диффузионным механизмам [1,4,6].
Необходимо отметить, что пластическую деформацию могут вызвать не только внешние, но внутренние микронапряжения. Эти внутренние микронапряжения могут быть следствиями различных причин, таких как разнородность и анизотропность структуры относительно механических термических и других воздействий. Так, например, в результате многократного термоциклирования, в отсутствие внешних нагрузок, поликристаллы получают очень большие (более 100%) пластические деформации [11,18,19].
1.1.2. Обратимые механизмы деформации за счет инициирования
двойникования
Двойникование представляет собой процесс образования двух структур с различной ориентацией, что эквивалентно сдвигу одной части тела относительно другой, (см. рис. 1.2.б). В одном и том же кристалле могут реализовываться несколько типов двойников. Их ориентации связаны с определенным преобразованием симметрии: отражением в некоторой кристаллографической плоскости (плоскости двойникования), поворотом вокруг кристаллографической оси (оси двойникования), инверсией относительно точки (аксиальные двойники, двойники отражения, двойники инверсии) [1,9, 10].
При определенных условиях двойникование приводит к макроскопической сдвиговой деформации образца, причем без изменения его объема. Эти условия должны быть такими, чтобы смещение атомов происходило в определенном направлении. Для монокристалла таким условием является наличие сдвиговой силы определенного направления и уровня, например, вдоль плоскости двойникования в направлении возможного вектора смещения для образования двойника отражения. При дальнейшем приложении к кристаллу силы той же величины, но противоположного знака, его форма восстанавливается.
Анизотропия материала в способности деформироваться по двойниковому механизму приводит к тому, что суммарный деформационный эффект от многих двойниковых переориентаций отдельных кристаллов определяется зонами их перекрытия и, следовательно, сложным образом зависит от совокупности способов
15
двойникования [10]. В условиях макроиапряженного состояния одни зерна поликристалла могут деформироваться двойиикованием, а другие будут испытывать лишь упругие деформации. Поэтому в материале возникают значительные структурные напряжения, которые с одной стороны препятствуют развитию двойникования, а с друз ой - стремятся вызывать раздвойникование, причем по такому же механизму, что и двойникование - при снятии внешней нагрузки. Раздвойникование можно инициировать как на этапе разгрузки, так и нагревом, который снижает сопротивление движению границ двойников. Такое раздвойникование ведет к полному или частичному возврату геометрических размеров тела к исходным, обеспечивая эффекты памяти формы и псевдоупругости [2].
Характерно, что двойникование осуществляется бездиффузионным способом за счет кооперативного перемещения атомов, эта операция обратима и в этом ее схожесть с мартенситными превращениями [2, 9,10].
1.1.3.0собенности массопереноса при термоупругих мартенситных
превращениях
О мартенситных превращениях как о бездиффузиониых фазовых превращениях стало известно в значительной степени благодаря трудам Курдюмова Г.В. и Хандроса Л.Г. [12-14]. В настоящее время известно, что мартенсигные превращения по кристаллографическому признаку близки к двойникованию, но в отличие от них, в мартсиситной фазе решетка оказывается кристаллогеометрически неэквивалентной материнскому кристаллу. Мартенсигные реакции, как и двойники, могут порождаться механическими усилиями или деформациями. Однако, в отличии от двойников, они инициируются и изменением температуры кристалла. Различают также термомартенсит, мартенсит напряжения и мартенсит деформации. Как правило, мартенситное превращение можно вызвать как нагревом (обратная реакция), так и охлаждением (прямая реакция). Поэтому различают высокотемпературную фазу -аустенит, и низкотемпературную - мартенсит.
Мартенсигные переходы могут быть ггервого и второго рода (близкими к таковым). В нервом случае имеет место выделение (поглощение) некоторой скрытой теплоты превращения и резкая смена типов решетки в локальных областях тела с
16
последующим распространением новой фазы но всему объему [2, 15]. Во втором случае теплота не выделяется (не поглощается) и фазовое превращение представляет собой малую флуктуацию в большом объеме [2].
Конкретных механизмов предполагаемых схем превращения довольно много. Например, ГЦК (аустенит) - ОЦК (мартенсит) но Бейну [2, 13]. Это превращение сводится к однородной деформации, причем тензор деформации Д имеет отличные от нуля компоненты Ои= О22*0, О}3*0, а остальные Для сталей, например. Оп -0,12. Д, = - 0,2.
Во многих случаях мартенситиые превращения не могут быть сведены только к однородной деформации. Примером неоднородно протекающей мартенситной реакции является ГЦК - ГПУ превращение. Оно развивается по схеме простого сдвига на вектор 1/6 <112> в каждой второй плоскости (111 )1Ш или в более сложной последовательности.
При рассмотрении двойникования было видно, что материнская часть кристалла по отношению к двойнику ориентированна всегда определенным образом, при этом симметрия решетки не меняется. Поэтому двойникование и раздвойникование с точки зрения симметрии - эквивалентные операции. В случае мартенситных превращений ситуация иная [14, 16]. Несмотря на то, что прямые и обратные реакции кристаллогеометрически обратимы, количество способов перехода одной фазы в другую при этом не одинаково. Например, для превращения В2-В19/ имеется 24 способа перехода атомов из одного состояния в другое. В то же время реакция В19 -В2 вследствие более низкой симмсгрии решетки В 19х ,вероятно, может протекать лишь по одному пуги [14, 15, 17].
Реализация в материале мартенситных превращений первого рода всегда связана с преодолением сопротивления среды движению межфазной границы. Иными словами имеются поля микроиапряжений, препятствующих образованию новой фазы. Поэтому для обеспечения роста кристалла новой фазы требуется дополнительное переохлаждение или перегрев. Это приводит к тому, что при нагреве так же как при охлаждении начато и конец превращения для макроскопического объема не совпадают. Обозначим через М„, Мк, и А,„ Ак характеристические температу ры начала и конца образования мартенсита в прямой реакции и начала и конца образования
17
аустенита в обратной реакции соответственно. Тогда М„>М„ АК>Л„. Часто с хорошей точностью соблюдается условие: (Мн-Мк)=(А<-Аы).
Для реализации прямой реакции требуется некоторое переохлаждение относительно температуры термодинамического межфазного равновесия То в отсутствии каких-либо сил, а для реализации обратной реакции требуется соответствующий перегрев выше То. Таким образом, поля неориентированных внутренних напряжений приводят к возникновению характерного гистерезиса фазового превращения, при котором АН>МК, АК>М„. Обычно соблюдается правило (А-МК)=(А-М„). Роль же ориентированных напряжений сводится, в основном, к смещению температур А, А, М, Мк вдоль температурной оси [2]. На рис. 1.3 представлены диаграммы фазовых превращений Ф=Ф(Т); здесь Ф - доля объема вещества, занятого мартенситной фазой, Г - температура.
Рис. 1.3. Фазовые диаграммы для материалов с мартеиситными превращениями: а -широкий гистерезис; Ь - узкий гистерезис; Ф - объемная доля мартенсита [2].
В зависимости от материала, его предварительной термообработки гистерезис может быть с малым значением разности (А - Щ и может быть с большим. Говорят, что гистерезис бывает узкий и широкий. Оказывается, что свойства материалов с узким и широким гистерезисом могут сильно различаться. Так, например, рассмотрим характеристическую температуру М,ь ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но под действием механического напряжения [2]. В случае широкого гистерезиса (см. рис. 1.3а) величина Ма может оказаться меньше А,„ а в случае узкого (см. рис. 1.36) - больше А- Тогда для материала с широким гистерезисом наведенный механомартенсит (мартенсит напряжений) будет термодинамически усгойчив и должен сохраняться при разгрузке. При узком гистерезисе точно такой же процесс приведет к образованию нестабильного мартенсита, который должен исчезнуть при разгрузке [2, 13], обеспечивая
Ь)
фЛ
100
о
Г
инициирование эффекта псевдоупругости [2]. Коротко остановимся на характерных признаках мартенсиных реакций.
1.1.3.1. Обратимые мартенситные превращения Мартенситиое превращение можно определить как преобразование решетки
посредством кооперативного движения атомов без участия диффузии. При
образовании линзообразных или пластинчатых областей в исходной фазе атомы
движутся не по отдельности, а как единый комплекс; деформация сдвига
осугцествляется как бы "ряд за рядом" [3, 8], в результате чего происходит
перестройка исходной фазы (аустенита) в решетку мартенсита. При таком движении
сохраняется однозначное соответствие между узлами решетки аустенита и
мартенсита. Поэтому если исходная фаза (аустенит) имеет' упорядоченную решетку,
то и в мартенситной фазе в следствие соответствия решеток также образуется
упорядоченная решетка.
Мартенситиое превращение имеет следующие особенности:
Превращение является бездиффузионным. В следствие того, что концентрация
атомов, находящихся в твердом растворе в мартенситной фазе такая же, как и в
исходной фазе, диффузии атомов па большие расстояния не происходит.
Превращение характеризуется дилатацией и деформацией сдвига постоянной
величины. При мартенситном превращении изменяется кристаллическая решетка,
обуславливающая деформацию, которая проявляется как эффект памяти формы и
пластичность превращения. Между решетками обеих фаз (аустенитной и
мартенситной) имеются определенные ориентационные соотношения.
1.1.3.2. Термодинамические аспекты превращений
Для превращения исходной фазы в мартенситную необходимо, чтобы
химическая свободная энергия мартенситной составляющей была ниже, чем соответствующая энергия исходной фазы. Для протекания превращения необходима избыточная свободная энергия, такая как энергия деформации превращения, энергия поверхности раздела; если разность химических энергий двух фаз не превышает указанной свободной энергии нехимической природы, то превращение не начинается (см рис. 1.4). Следовательно, мартснситная реакция не начинается если нет переохлаждения до температуры Мт более низкой, чем температура
19
термодинамического равновесия Т1Ь при которой химические энергии исходной и мартенситной фаз равны. Движущая сила необходима и при обратном превращении, т.е. необходим перегрев до температуры А„, более высокой чем Та [ 17, 18].
Рис.1.4. Схема зависимости свободной энергии от Рис. 1.5. Соотношения между ГЦК н температуры для мартенсита (¥м) и аустенита (ГА). ОЦК, предложенное Бейном.
1.1.3.3 Кристаллографические особенности Структурный переход, который заключается только в изменении решетки
твердого раствора, характеризуется наличием строгой кристалло-геометрической
связи между решетками мартенсита и исходного аустенита, иными словами в
процессе превращения осуществляется непрерывный переход от одной решетки к
другой. При маргенситном превращении межфазная граница имеет, как правило,
упорядоченную структуру (когерентная или частично когерентная граница).
Движение границы осуществляется скольжением и, следовательно, без участия
термической активации, или путем миграции под действием внешнего напряжения
[2, 7, 50].
Если мы знаем кристаллическую структуру исходной и полученной фаз, то не составляет труда найти соотношения между ними. Так на рис. 1.5 показан ГЦК - ОЦК переход в сплавах на основе железа. Па этом рисунке изображены две элементарные ячейки аустенита (ГЦК), из которой выделена объемн-центрированная тетрагональная ячейка, ориентированная тетрагональной осью [001]м вдоль (001]а, с осями [100]м и [010],., соответственно вдоль направлений [110]а и [Ю0]а. Механизм мартенситного превращения по Бейну сводится к однородной деформации кристалла сжатием вдоль направления [001 ]а и растяжением вдоль [П0)а и [010)а. Деформация, переводящая
20
узлы ГЦК в ближайшие узлы 01ЦС, в кубических осях исходной фазы представляет собой тетрагональную деформацию.
На кинетику мартенситного превращения существенное влияние оказываег внешнее силовое воздействие [14]. Под действием нагрузки, приложенной при температуре выше М„г происходит- рост кристаллов мартенсита напряжения, благоприятно ориентированных в поле действия сил. Далее в реакцию вступают области с менее благоприятной ориентировкой структуры. Увеличение усилия изменяет свободную энергию системы и приводит к ускорению роста как характерного размера кристаллов мартенсита, так и числа зародышей новой фазы, которые в отсутствии нагрузки реализовывались бы при более низкой температуре. При последующей разгрузке происходит полный (Т>АЛ) или частичный (Т<АМ) распад мартенситных структур [20]. Действие напряжения, как правило, сдвигает температурный интервал прямого и обратного мартенситного превращения в область более высоких температур [2, 14,20].
Мартенситное превращение можег протекать как взрывообразно* так и на конечном интервале изменения температуры (термоупругое превращение). Кинетика превращения тесно связана с различиями в состоянии исходного аустенита, с разной восприимчивостью материала к влиянию внешних воздействий, с различиями возникающей структуры.
В случае взрывообразного превращения при некоторой температуре (температуре начала превращения) большое число кристаллов мартенсита образуется скачком. Эти кристаллы имеют форму плоскопараллельных пластин, которые пересекаясь взаимно, могут пронизывать аусгенитное зерно от границы до границы, образуя молниеобразные группы. При дальнейшем охлаждении происходит образование уже новых мартенситных кристаллов.
При тсрмоупругом превращении относительно медленно возникает мартенсит другой структуры. В этом случае не только рост но и появление новых кристаллов обусловлено изменением температуры. Кристаллы этого мартенсита имеют значительно меньшие размеры, принимают форму пластин с рельефной поверхностью и с двойниковой зоной, расположенной под углом к поверхности кристалла [21]. На
кинетику перехода от одной зоны к другой оказывает влияние механизм релаксации внутренних напряжений.
Кристаллы мартенсита образуются, как правило, на границах зерен. При наличии трещин или раковин кристаллы мартенсита образуются прежде всего в этих местах. Увеличение доли новой фазы происходит как за счет образования кристаллов мартенсита, так и за счет роста уже возникших.
Подробная библиография о механизмах формирования мартенситной псу пру гости представлена в [2, 22].
1.1.4. Самоорганизация и многоуровневый (микро-, мезо-,
макромасштабный) характер эволюции мартенситных структур
Принципиально важный этап в понимании природы пластичности и прочности твердых тел связан с развитием физической мезомеханики материалов [23 - 42).
В основе физической мезомеханики материалов лежит новая парадигма -концепция структурных уровней деформации твердых тел [23]. Экспериментально и теоретически было обоснованно,. что рассматриваемый на микроуровне сдвиг как элементарный акт неупругой деформации на самом деле сопровождается поворотными модами деформации на более высоком мезоскопическом масштабном уровне. Поворотные моды вовлекают в самосогласованную деформацию всю иерархию структурных уровней нагруженной среды. Нагруженный материал в ходе пластического течения формирует на мезоуровне диссипативные структуры, способные осуществлять процесс деформации по схеме "сдвиг + поворот". Деформируемое твердое тело является, таким образом, многоуровневой иерархически самоорганизующейся системой, в которой микро-, мезо и макроуровни органически взаимосвязаны.
Коротко рассмотрим основные аспекты процессов массопереноса с точки зрения физической мезомеханики [24, 27]. Из работ Панина В.Е. и его школы известно, что на мезоуровне носителями неупругой деформации являются трехмерные структурные элементы (мезообъемы), характер которых зависит от природы материала, его внутренней структуры и условий нагружения. В связи с этим необходимо отметить, что закономерности движения трехмерных структурных элементов на мезоуровне и движения элементарных носителей на митфоуровне
22
подчиняются законам подобия [24, 27]. Это означает, что для расчета интегральных механических характеристик нег необходимости описывать самоорганизацию сложных структурных ансамблей на микроуровне. Достаточно описать на мезоуровне законы движения трехмерных структурных элементов.
В локальных зонах концентраторов напряжений кристаллы теряют свою сдвиговую устойчивость и перестраиваются в другую структуру. При этом силы связи не разрываются. Требуется лишь затратить сравнительно набольшую энергию, чтобы локально переместить атомы из одних позиций в другие. Однако этого оказывается достаточно, чтобы в кристалле произошел локальный кристаллографический сдвиг. Такие сдвиги развиваются сугубо локально. Но их самоорганизация обуславливает пластическое течение всего кристалла. Нагружение структурно неоднородного материала выше предела текучести инициирует многочисленные локальные концентраторы напряжений критической величины, в зоне которой локальная сдвиговая устойчивость исходной кристаллической решетки теряется. В этих локальных зонах кристалла рождаются фрагменты другой структуры (рис. 1.6.а). В поле градиента концентратора напряжений локальное структурное превращение распространяется эстафетно. При этом концентратор напряжений релаксирует, распределение напряжений в кристалле становится более однородным. Кстественно, что такой механизм обеспечивает очень высокую подвижность структурных элементов в кристаллической решетке. Кристаллографический харакгер движения мартенситных ламелей в рамках заданных граничных условий (сохранение заданной траектории нагружения) обуславливает самоорганизацию мартенситных ансамблей и формирование диссипативных мартенситных структур (рис. 1.6). В деформируемом материале возникает мезоскопическая субструктура [36], классифицируемая в [24] как мезоуровень I.
Локальная потеря сдвиговой устойчивости кристаллической решетки и связанная с ней пластичность материала определяют первый этап в поведении нагруженного материала. Исходный высокопрочный кристалл в ходе пластической деформации наполняется дефектами структуры, которые снижают его сдвиговую устойчивость. Дефекты понижают прочность кристалла, но сплошность его сохраняется. Способом релаксации нагруженного материала является зарождение и
23
Локальная неустойчивость кристаллической решетки
, ч микро
1117у
Формирование диссипативной субструктуры в исходной структуре образца
<с
.ч.и> ^
полос и фрагментация образца
Рис. 1.6. Масштабные уровни потери сдвиговой устойчивости » деформируем "■ г...' теле (схема»: а - микро; б - мезо (: в - мезо II: г - макро [41?].
движение дислокаций, вскрытие двойников, а также инициирование локальных фазовых превращений мартенситного характера.
Вторым этапом деформационного течения нагруженного материала является локальная потеря сдвиговой устойчивости нагружаемого образца как целого. На мезоконцентраторах напряжений зарождаются потоки деформационных дефектов, движущихся в направлении максимальных касательных напряжений независимо от кристаллографической ориентации решетки (рис. 1.6.в). Это уже не дислокации, а плоские мезодефекты. Наиболее распространенными из них являются полосы деформации (писгоЬапск [35-38], тс$оЬапбз [27-37]). Каждый поток реализует одновременно сильно локализованные сдвиги и развороты материала. Кристаллическая структура исходного материала начинается фрагментироваться. Иногда мезополосовые структуры образуются в материале с самого начала пластического течения: высокопрочные материалы, взрывное нагружение,
сверхпластичность [39-41], сдвигонеустойчивые состояния, обусловленные фазовыми превращениями [42].
На этом этапе деформации материал перед мезополосой еще сохраняет свою высокую прочность и рождает мощные встречные напряжения, которые тормозят движение границы раздела мартенситной мезополосы деформации и окружающей аустенитной фазы. Сохранение локальной устойчивости материала как целого связано на этом этапе с блокировкой движения потоков деформационных дефектов через все сечение деформируемого образца, крисгалл оказывается разбитым на фрагменты. Границы между фрагментами являются дефектами, по таким границам легко распространяется трещина, поэтому фрагментация материала на этом этапе нагружения — это уже стадия разрушения.
Далее в деформируемом образце возникает макроконцентратор напряжений, под действием которого происходит глобальная потеря устойчивости во всем поперечном сечении образца. В локальном сечении образца образуется пластическая деформация в виде одной-двух сопряженных макрополос деформации (рис.1.6 г).
Таким образом, согласно представлениям физической мезомеханики, в ходе пластического течения нагруженного твердого тела четко прослеживаются три этапа, каждый из которых связан с потерей его сдвиговой устойчивости на определенном
25
масштабном уровне: микро, мезо и макро. Каждому этапу соответствует и свой масштабный уровень концентраторов напряжений. Микроконцентраторы напряжений рождают дефекты в кристаллической решетке, инициируют в локальных объемах мартенситные превращения. Мезокон центраторы напряжений инициируют мезополосы деформации, которые распространяются в протяженных мезообъемах образца по направлению максимальных касательных напряжений независимо от кристаллографической ориентации материала, обуславливая организацию самоаккомодированных мартенситных ламелей. Макроконцентраторы напряжений генерируют локализованный во всем поперечном сечении образца сдвиг и сопровождающую его трещину.
1.2. Механические свойства материалов с обратимыми мартенстиными превращениями
1.2.1. Влияние различных факторов на фазовый предел текучести (сгФ) Рассмотрим влияние различных факторов на характеристические температуры прямого (М„, МА и обратного (Ат А) превращений и на фазовый предел текучести о«*.
1.2.1.1. Зависимость <уФ от химического состава
Оно весьма разнообразно. Одни добавки в состав вещества М01ут приводить к очень значительным изменениям, а другие - не приводить к ним совсем. Так, медь, вводимая в Т1№ в качестве заменителя никеля, при определенных концентрациях расширяет гистерезис превращения, а железо, кобальт и германий почти не сказываются на нем [2, 43]. Таким образом изменением химического состава соединения можно эффективно варьировать его характеристические температуры. В настоящее время освоен очень широкий диапазон температур: от 4,2К до около 1300К 12], что означает возможность управления физико-механическими свойствами материалов в этом интервале. Поскольку вид кривых существенным образом зависит от расположения температуры нагружения относительно характеристических температур мартенситных превращений, естественным оказывается и влияние химическою состава на механические свойства материала, в первую очередь на пределы текучести.
26
Так из рис. 1.7 видно, что даже незначительные изменения в составе сплавов золото'-кадмий сказываются и на величине пределов текучести аустенита и мартенсита, и на характере зависимости их от температуры деформирования. Интересно отметить, что не зависимо от состава линейная связь между сгФ и Тл, как правило, сохраняется. Линейная зависимость предела текучести от температуры нагружения (7У сохраняется во всех случаях, однако наклон кривых сгФ - 1], в значительной степени определяется способом предварительного термического воздействия. Поэтому экстраполяция кривых - Оо-Та к нулевому значению напряжения не всегда дает температуру М„ (пересечение таких кривых с температурной осью может происходить как выше так и ниже М„).
1.2.1.2. Зависимость сгФ от температуры Большое влияние на характер материалов с мартснситными превращениями оказывает температура испытания, точнее, как отмечалось ранее, ее расположение относительно характеристических температур фазовых превращений. Общая тенденция заключается в том, что но мере приближения к температурам фазового перехода со стороны низких или более высоких температур, фазовый предел текучести снижается, а обычный - испытывает лишь тривиальное уменьшение с ростом температуры.
Соответствующим выбором состава или температуры нагружения можно резко уменьшить фазовый предел текучести, даже сделать его пренебрежимо малым, сохраняя на высоком уровне напряжения течения по дислокационному механизму. На рис. 1.8 а, Ь построены кривые растяжения для монокристаллов сплава А§-45%Сс1 (М„=199К, Мк = 181К, Л„-193К. Лк-206К) [2]. При повышении температуры, т.е. при переходе из мартенсита в аустенит, фазовый предел текучести сгФ растет и исчезает "зубчатость" кривых. При температуре 263К, которая на 57К выше Ак сплав все еще демонстрирует- необычное механическое поведение - часть деформации возвращается при разгрузке.
27