Введение к работе
Актуальность проблемы. Экспериментальные данные показывают, что характер функционально-механического поведения материалов с памятью формы во многом определяется спецификой конкретного превращения. Поэтому любая теория, претендующая на описание свойств материала при произвольном режиме изменения температуры и напряжения обязана учитывать особенности мартенситных реакций. Для сплавов с термоупругим превращением, похожих на никелид титана, эта задача была успешно решена в рамках структурно-аналитической теории прочности'. В вопросах же физического толкования наблюдаемых явлений мартенситнои неупругости для сплавов типа железо-марганец, с многовариантными ГЦК<-»ГПУ мартенсйтными превращениями (например, Fe-24%Mn) до сих пор нет полной ясности. Отсутствуют и аналитические приемы моделирования их механического поведения.
Между тем, эти материалы в последние годы привлекают к себе все больше внимания в связи с возможностью практического применения: они обладают довольно хорошей памятью формы, коррозионной стойкостью при легировании специальными добавками, широкий гистерезис может быть полезен в специальных приложениях, требующих стабильности в большом интервале температур. Немаловажным фактором является и их низкая стоимость.
Поэтому создание физической модели, описывающей спектр механических свойств, присущих железомарганцевым сплавам с ГЦК<-»ГПУ фазовым переходом, и допускающей практическое применение для решения конкретных инженерных задач, приобретает особую актуальность.
Цель работы состояла в построении физической модели явлений мартенситнои неупругости, включая эффекты пластичности превращения
і Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. - СПб: Наука, 1993. - 471 с.
и памяти формы, для сплавов системы железо-марганец с многовариантными мартенситными ГЦК<->ГПУ превращениями.
В соответствии с этой целью в работе были поставлены следующие задачи:
-
на основе имеющихся данных о кинетике и кристаллографии мартенситных реакций в данной группе материалов скорректировать определяющие уравнения структурно-аналитической теории прочности;
-
для описания механического поведения сплавов с различной кинетикой превращения при циклических изменениях температуры разработать способы учета аккомодационных процессов при росте мартенситных кристаллов;
-
сформулировать систему уравнений, отражающую как кристаллографические особенности ГЦК<-»ГПУ превращения, так и процесс пластической аккомодации мартенсита, и исследовать свойства ее решений.
Научная новизна. В рамках структурно-аналитической теории прочности развит подход к описанию функционально-механического поведения сплавов типа железо-марганец с многовариантными ГЦК-о-ГПУ мартенситными превращениями при произвольных режимах термосилового воздействия. Построена модель, учитывающая наличие аккомодационных процессов, связанных с ростом кристаллов новой фазы внутри материнской матрицы. Впервые теоретически показано, что особенности механического поведения рассматриваемой группы материалов (в частности, несовершенство эффекта памяти формы и характер формоизменения при теплосменах) в значительной мере обусловлены спецификой мартенситных реакций, а не дислокационной пластичностью.
Обоснованность научных положений и выводов и достоверность результатов основана на отображении в исходных соотношениях модели существенных кристаллографических и кинетических закономерностей
мартенситного превращения, хорошим согласованием расчетных данных с экспериментальными при разнообразных режимах термосилового воздействия для различных материалов.
Научная и практическая значимость. Предложенная модель функционально-механического поведения сплавов типа Fe-Mn с многовариантными ГЦКоГПУ превращениями позволяет объяснить ряд наблюдаемых свойств, а также прогнозировать поведение материалов для различных режимов воздействия. Результаты работы могут быть использованы для усовершенствования существующих моделей усталостных свойств применительно к сплавам с памятью формы.
Положения, выносимые на защиту.
-
В рамках структурно-аналитической теории прочности развит физический подход к описанию функционально-механического поведения сплавов типа железо-марганец с многовариантными ГЦК-<-»ГПУ мартенситными превращениями при произвольных режимах термосилового воздействия;
-
Показано, что несовершенство эффекта памяти формы и другие особенности механического поведения рассматриваемой группы материалов в значительной мере обусловлены спецификой мартенситных реакций, а не дислокационной пластичностью;
-
Предложена модель, учитывающая влияние микроупругой и микропластической деформации, возникающей при росте кристалла новой фазы;
-
Установлено, что наличие аккомодационных микропластических явлений определяет особенности поведения сплавов с памятью формы при циклическом изменении температуры, является причиной эффектов многократно обратимой памяти формы; при этом механические свойства конкретных материалов определяются кинетическими и кристаллографическими особенностями мартенситных реакций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXX Межреспубликанском семинаре "Актуальные
проблемы прочности" в г. Новгород (май 1994 г.), I международной конференции семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г. Новгород (сентябрь 1994 г.), XIV международной конференции по физике прочности и пластичности материалов в г. Самара (1995 г.), I Российско-Американском семинаре и XXXI семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г. Санкт-Петербург (1995 г), международной конференции " Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений " в г. Тамбов (1996 г.), XXXII семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г. Санкт-Петербург (1996 г), International workshop on new approaches to hi-tech materials-97 в г. Санкт-Петербург (1997), XXXIII семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г. Новгород (1997 г), а также на семинарах лаборатории прочности материалов НИИММ СПбГУ и кафедры электроники твердого тела физического факультета СПбГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы, содержащего 140 наименований.
Общий объем диссертации 145 машинописных страниц, включая 77 рисунков.
