Содержание
Глава 1. Акустическая эмиссия при термоупругих мартенситных превращениях никелида титана.........................................10
1.1. Деформация сплавов на основе никелида титана............10
1.2. Ориентационные эффекты мартенситных превращений 13
1.3. Факторы, влияющие на термоупругие мартенситные превращения.....................................................14
1.4. Реактивные напряжения при мартенситных превращениях в сплавах на основе никелида титана. Расчет реактивных напряжений 23
1.5. Акустическая эмиссия при термоупругих мартенситных превращениях...............:....................................26
1.6. Основные понятия и определения метода акустической эмиссии 28
1.7. Аппаратура для исследований методом акустической эмиссии. 31
1.8. Заключение по главе.....................................36
Глава 2. Автоматизированный комплекс регистрации и обработки
экспериментальных данных.............................................39
2.1. Метод акустической эмиссии..............................39
2.2. Автоматизированный измерительный комплекс для измерения акустической эмиссии при термомеханических воздействиях.........43
2.3. Программа для проведения физического эксперимента в режиме реального времени...............................................45
2.4. Регистрация экспериментальных данных....................48
2.5. Обработка экспериментальных результатов.................55
2.6. Обработка исходного акустического сигнала...............58
2.7. Анализ экспериментальных результатов....................68
2.8. Система автоматизации эксперимента......................69
2.9. Методика проведения экспериментов.......................74
2.10. Материалы и образцы....................................79
2.11. Заключение по главе.....................................82
Глава 3. Акустическая эмиссия и деформация при циклировании мартенситных превращений сплавов на основе никелида титана в условиях сложного термомеханического нагружения.......................84
3.1. Накопление и возврат деформации и акустическая эмиссия в серии мартенситных превращений в условиях нагружения.............84
3.2. Мартенситных превращениях в сплаве марки ТН-1В при - внешнем механическом нагружении.....................................85
3.3. Мартенситных превращениях в сплаве 'П50Ы14оСию при внешнем механическом нагружении..........................................91
3.4. Заключение по главе......................................96
Глава 4. Акустическая эмиссия и деформация при циклировании
мартенситных превращений сплавов на основе никелида титана в условиях действия реактивных напряжений...............................98
4.1. Циклирование мартенситных превращений материалов с
эффектом памяти при фиксированной деформации........................98
4.2. Измерение максимального значения реактивных напряжений и акустической эмиссии............................................101
4.3. Влияние реактивных напряжений на стабилизацию
мартенситной фазы при циклировании превращений в сплаве ТлзоТ^удМоо.}...................................................102
4.4. Акустическая эмиссия и деформация в сплаве марки ТН-1В в условиях фиксированной деформации...............................111
4.5. Аномальный акустический эффект при циклировании сплава Т15оМ14оСи,о в условиях фиксированной деформации................118
4.6. Заключение по главе.....................................124
Основные результаты и выводы
Литература......................
125
127
Введение
Актуальность работы. Все процессы, в которых происходит локальная перестройка структуры, сопровождаются излучением упругих волн. Активная работа в исследовании акустической эмиссии с 40-х годов 20 века способствовала развитию техники неразрушающего контроля на основе существующего в то время подхода в атомной физике измерения интенсивности потока событий. Разработанная техника неразрушающего контроля, в том числе на основе метода акустической эмиссии, получила широкое практическое применение. Исследование самого явления акустической эмиссии на основе анализа электрического отклика регистрирующей системы затруднено влиянием многих факторов на различных этапах: зарождения упругой волны, распространения,
преобразования упругих колебаний в электрические, работы с электрическим сигналом. Все перечисленное ограничило возможности экспериментальных исследований, поэтому вопросы о природе акустической эмиссии при структурных превращениях актуальны до настоящего времени. Тем не менее, излучение упругих волн представляет собой один из каналов диссипации энергии в ходе структурной перестройки материалов. Поэтому изучение явления акустической эмиссии относится к фундаментальным задачам физики.
Применение метода акустической эмиссии позволяет дать количественные характеристики, используемые для контролирования процесса. Эту информацию можно использовать и для изучения природы акустической эмиссии.
Природа акустической эмиссии до конца не изучена для мартенситных превращений в материалах с эффектом памяти формы. К мартенситиым превращениям относят большую группу структурных фазовых переходов бездифузионного, кооперативного типа, реализующихся во многих металлах, сплавах и соединениях. В сплавах интерметаллического соединения на
5
основе никелида титана реализуются мартенситные превращения. Термоупругие мартенситные превращения, являющиеся универсальным способом реализации структурных фазовых переходов в кристаллической среде, позволяют сформировать необходимые физико-механические свойства материалов для широкого круга практических задач. Применение метода акустической эмиссии при постановке таких задач предполагает работу в режиме реального времени (т-эки), а также возможность управления мартенситным превращением.
Механическое напряжение является одним из параметров управления мартенситным превращением (так же как и температура). Цикл мартенситного превращения под внешней механической нагрузкой как любой термодинамический цикл сопровождается так же накоплением и диссипацией энергии, в основном упругой. В условиях фиксированной деформации проведение цикла мартенситных превращений сопровождается генерацией и релаксацией напряжений, которые принято называть реактивными.
Условия фиксированной деформации являются наиболее распространенными при использовании материалов с эффектом памяти формы в качестве механических преобразователей энергии. Поэтому анализ реактивных напряжений важен с практической точки зрения. Так циклирование мартенситных превращений может привести к уменьшению реактивных напряжений вследствие структурной перестройки материала.
Акустическая эмиссия, сопровождающая мартенситные превращения, должна отражать эти изменения.
Цслыо настоящей работы является разработка комплексного метода измерения и анализа реактивных напряжений при термоупругих мартенситных превращениях сплава никелида титана на основе регистрации акустической эмиссии и деформации.
Для достижения данной цели требовалось решить следующие задачи:
1. Разработать методику регистрации акустической эмиссии и деформации в цикле мартенситных превращений в условиях действия реактивных напряжений.
2. Создать экспериментальную установку для исследования акустической эмиссии в условиях фиксированной деформации, совместно с программно-аппаратным комплексом для регистрации и обработки данных в реальном масштабе времени, позволяющим автоматизировать эксперимент.
3. Исследовать деформационные свойства и акустическую эмиссию при термоупругих мартенситных превращениях в условиях действия реактивных напряжений.
Научная новизна:
1. Разработан комплексный метод анализа реактивных напряжений включающий измерение среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии и деформации в цикле термоупругих мартенситных превращений.
2. Разработан программный комплекс, позволяющий осуществлять регистрацию и обработку данных, как высокочастотного сигнала, так и среднеквадратичных напряжений с различных аналого-цифровых преобразователей в режиме реального времени.
3. Впервые были получены данные но акустической эмиссии при термоупругих мартенситных превращениях в сплавах на основе никелида титана в условиях действия реактивных напряжений.
4. Обнаружен аномальный акустический эффект, заключающийся в существенном росте энергии акустической эмиссии в первом цикле мартенситных превращений, осуществляемого в условиях фиксированной деформации.
7
5. Установлен эффект стабилизации мартенситной фазы при термоупругих мартенситных превращениях никелида титана в условиях генерации и релаксации реактивных напряжений.
6. Показано, что экспоненциальное снижение акустической эмиссии при циклировании мартенситных превращений существенно зависит от фиксированной деформации. Скорость снижения энергии акустической эмиссии до уровня насыщения (в сплавах склонных к фазовому наклепу), характеризуемая коэффициентом в показателе экспоненты, зависит от величины фиксированной деформации как функция с минимумом.
Пр актнческая значимость работы. Разработанный программно-аппаратный комплекс является универсальным средством автоматизации эксперимент. Режим работы в реальном времени дает возможности его широкого применения в различных областях, как экспериментальных исследований, так и практического использования в качестве средств контроля.
Аномальный акустический эффект, обнаруженный в экспериментах с фиксированной деформацией позволяет определять склонность сплава к фазовому наклепу. А накопление пластической деформации необходимо учитывать при разработке изделий из материалов с эффектом памяти формы.
Эффект стабилизации мартенситной фазы при циклировании мартенситных превращений в условиях фиксированной деформации увеличивает интервал обратимого восстановления формы, что следует учитывать при разработке изделий из материалов с эффектом памяти формы.
Вклад автора. Участие в планировании, разработке и проведении эксперимента. Разработка автоматизированного программного комплекса. Участие в обсуждении экспериментальных данных, а также в формулировании основных результатов и выводов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Методика анализа реактивных напряжений по результатам измерения акустической эмиссии и деформации.
2. Программно-аппаратный комплекс для регистрации и обработки данных в реальном масштабе времени, как средство автоматизации физического эксперимента.
3. Аномальный акустический эффект при мартенситных превращениях в условиях действия реактивных напряжений.
4. Стабилизация мартенсигной фазы, как один из факторов, оказывающий влияние на акустическую эмиссию, а так же обратимую и необратимую деформации при мартенситных превращениях в условиях действия реактивных напряжений.
Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и российских конференциях: IV международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка 2006 г.); XVI международной конференции • «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара. 2006 г.); Х1ЛЧ1 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Н.-Новгород 2008 г.); X международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул 2008).
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 109 источников. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 69 рисунков.
Первая глава обзорная, посвящена описанию деформационных свойств никелида титана. Здесь же рассмотрены факторы, влияющие на характер мартенситных превращений и, как следствие, на акустическую эмиссию. Во второй главе рассматривается методика исследования акустической эмиссией и реализованные возможности программного комплекса, позволяющего проводить эксперимента в режиме реального времени с учётом особенностей
регистрации и анализа данных акустической эмиссии. В третьей и четвертой главах представлены экспериментальные результаты исследования акустической эмиссии при мартенситных превращениях в никелиде титана в условиях механического нагружения и фиксированной деформации соответственно.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 7 печатных работ в отечественных изданиях, из них 1 статья в журнале перечня ВАК.
10
ГЛАВА 1. АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ГЕРМОУПРУГИХ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ НИКЕЛИДА ТИТАНА
1.1. Деформация сплавов на основе никелида титана
При исследовании механических свойств металлов и сплавов соотношение между растягивающим напряжением и удлинением обычно изображается 1рафически при помощи кривой растяжения. Рассмотрим кривую растяжения сплава на основе никелида титана (рис. 1.1). Участок Оа характеризует упругую деформацию, то есть до точки а сохраняется пропорциональность между усилием растяжения и деформацией. В точке а пропорциональность изменяется так, что образец удлиняется без значительного роста напряжений. При разгрузке на участке аЪ образец восстанавливает исходную форму. Кривая напряжение-деформация при нагрузке и разгрузке описывает петлю гистерезиса. Такое явление называется сверхэластичностыо [1]. Напряжение в точке а называется пределом мартсиситного сдвига и обозначается стм*
Рис. 1.1. Зависимостьнапряжение-деформация сплава Ті-51%Кі[1]
Механизм проявления сверхэластичного поведения связан с возникновением мартенситиой фазы в результате внешнего напряжения при температуре выше Мъ (температура начала мартсиситного превращения) и
11
обратного перехода в исходную фазу при снятии внешней нагрузки. Накопление и возврат деформации, сопровождающие эти процессы, обусловлены высокой подвижностью межфазных границ раздела. «Трение», преодолеваемое границами при их образовании, перемещении и взаимодействии, обуславливает диссипацию энергии, которая характеризуется шириной петли гистерезиса и составляет 200-400 МПа. [1]
После того как мартенситный переход под нагрузкой станет завершенным, напряжения начинают превышать предел текучести в локальных областях материала, что вносит пластическую составляющую в деформацию. При этом гистерезис сверхэластического поведения резко возрастает. Одновременно увеличивается степень недовозврата формы 0-1, 0-3. Возврат деформации 1-2, 3-4 становится возможным только в результате нагрева, как следствие обратного мартепситиого превращения под действием температуры. Деформационное поведение сплава с эффектом сверхэластичности наблюдается вплоть до точки с! зависимости напряжение-деформация. При достижении некоторой критической величины напряжения обратное движение межфазных храниц раздела вообще становиться невозможным и эффект свсрхэластичности полностью подавляется. Такая величина напряжений называется общим пределом текучести и обозначается
о5. Температура М& является максимальной, при которой ещё появляется мартенситная фаза под действием напряжения, поэтому общий предел текучести соответствует максимальному пределу мартемситного сдвига.
Для получения информации о температурной зависимости предела текучести и критических напряжений мартепситиого сдвига в широком интервале температур достаточно иметь образец длиной 20-50 мм и площадью сечения 0.5-1 мм . Образец деформируют на 4-6% ниже интервала температур мартенситных превращений (например, при 77 К) и, не разфужая, ведут нагрев при фиксированной деформации. При этом измеряется уровень напряжений, развиваемых образцом при своём
- Киев+380960830922