Содержание к диссертации
Введение
1. Знакопеременная деформация и демпфирующие свойства сплавов на основе никелида титана 14
1.1. Знакопеременная деформация сплавов на основе никелида титана в условиях больших деформаций и малых частот 14
1.2. Внутреннее трение и демпфирующие свойства сплавов на основе иникелида титана при различных условиях воздействия 21
2. Постановка задачи. Материалы и методы исследования 40
2.1. Постановка задачи 40
2.2. Материалы и методы исследования 42
3. Знакопеременная деформация в сплавах на основе никелида титана в интервале температур мартенситных превращений 49
3.1. Особенности знакопеременной деформации в сплавах на основе никелида титана в интервале температур Mj-Af 49
3.2. Знакопеременная деформация при фазовых превращениях в интервале температур ниже М/ 53
3.3. Знакопеременная деформация и демпфирование при эффектах сверхэластичности 55
3.4. Знакопеременная деформация при эффектах памяти формы на гистерезисное поведение никелида титана 82
4. Демпфирующие свойства сплавов на основе никелида титана в условиях вынужденных и самопроизвольных колебаний 87
4.1. Демпфирование колебаний в сплавах на основе TiNi 89
4.1.1. Низкочастотное демпфирование никелида титана и его сплавов 89
4.1.2. Высокочастное демпфирование никелида титана и его сплавов 92
4.2. Влияние механотермической обработки и состава сплава на демпфирующие свойства сплавов на основе TiNi 96
4.2.1. Влияние деформации на демпфирование сплавов на основе TiNi 96
4.2.2. Влияние термической обработки на демпфирование сплавов на основе TiNi 98
4.2.3. Влияние легирования медью сплавов на основе TiNi
на их демпфирующие свойства 100
4.3. Демпфирующие свойства на основе никелида титана в условиях самопроизвольных затухающих колебаний 102
4.4. Демпфирующие свойства пористых сплавов на основе никелида титана 109
Выводы 115
Литература 117
- Внутреннее трение и демпфирующие свойства сплавов на основе иникелида титана при различных условиях воздействия
- Знакопеременная деформация и демпфирование при эффектах сверхэластичности
- Влияние механотермической обработки и состава сплава на демпфирующие свойства сплавов на основе TiNi
- Демпфирующие свойства на основе никелида титана в условиях самопроизвольных затухающих колебаний
Введение к работе
В середине прошлого века были открыты необычные свойства металлических материалов, проявляющих фазовые превращения мартенситного типа, названные памятью формы и сверхэластичностью. Среди металлов и сплавов существует достаточно широкий класс металлических систем, в которых при определенных условиях в области фазовых превращений возникают особенности, связанные с необычным изменением различных характеристик и параметров материала. К таким системам относятся сплавы с термоупругими мар-тенситными превращениями (Ti-Ni, Al-Cu-Ni, Ag-Cd, Fe-Pt и др). Исследованию различных свойств этих систем посвящено достаточно большое количество работ. Основное внимание в этих работах уделено изучению именно самих фазовых переходов и предпереходных явлений.
Использование сплавов с памятью формы в конкретных прикладных задачах и устройствах требует специальных исследований, выбора и обработки сплавов с определенными параметрами формоизменения, учитывая конструктивные особенности и условия использования.
В проблеме создания материалов с заданными свойствами центральное место занимают вопросы, связанные с выяснением природы фазовых превращений в металлах и сплавах. В окрестности фазового перехода твердого тела наблюдается нелинейный характер изменения свойств. Использование этих свойств является перспективным в практическом плане.
Основные направления применения сплавов на основе никелида титана в медицине и технике связаны с использованием их физико-механических свойств при варьировании температуры, напряжения и деформации. Вместе с общими требованиями высокой прочности, пластичности, износостойкости, упругости к сплавам с памятью формы предъявляются особые критерии -низкая степень недовозврата, большая величина обратимой деформации, низкий уровень напряжения мартенситного сдвига и высокий уровень развиваемых усилий в высокотемпературном состоянии. В последнее время представ ляет интерес изучение принципиально важных для практики свойств сплавов на основе никелида титана - таких как знакопеременная деформация и демпфирующие свойства в широком температурном интервале, при различных напряжениях и частотах воздействия.
Многочисленные литературные данные свидетельствуют о том, что материалы, в которых основными носителями деформации являются мартенситно-двойниковые реакции, обладают сложными характеристиками демпфирования, зависящими от многих факторов [1-5]. Все сплавы с мартенситными переходами по характеру влияния температуры на уровень демпфирования можно разделить на две группы. К первой из них относятся материалы, у которых внутреннее трение в низкотемпературном состоянии намного выше, чем в высокотемпературном (TiNi, CuMn, CuAlZn, CuAINi). Вторую группу составляют композиции с приблизительно равными демпфирующими свойствами мартенсита и аустенита (CoNi, CnZnSi). Во всех случаях вблизи температур мартенситного превращения происходит резкое увеличение внутреннего трения, и логарифмический декремент колебаний 8 может увеличиваться на порядок и более. Высота пика демпфирования больше у крупнозернистых сплавов и достигает максимума в монокристаллах, у которых прослеживается обычно весьма узкий пик. При нагревании и охлаждении внутреннее трение изменяется сходным образом, хотя из-за наличия температурного гистерезиса превращения, пики смещены по шкале температур. В ряде случаев уже после перехода в высокотемпературное состояние, возникает пик-сателлит.
Термоциклирование сплавов через интервалы фазовых превращений, хотя и не приводит к качественно новым результатам, тем не менее, вызывает изменение уровня демпфирования в мартенситном и в гетерофазном состояниях. У ряда материалов термоциклирование сопровождается увеличением внутреннего трения в мартенситном состоянии, практически не оказывая влияния на высоту максимумов в области мартенситного перехода и на декремент колебаний аустенита [6, 7].
Многочисленные работы специалистов [8-20] показывают, что в мартен-ситном состоянии и в процессе превращения, поглощение энергии колебаний обусловлено движением легкоподвижных границ раздела различного происхождения (межфазных, двойниковых и т.п.). Это приводит к резкому увеличению внутреннего трения в мартенситном и особенно в двухфазных состояниях. Значительное возрастание декремента колебаний в интервале превращений обусловлено, как принято думать, влиянием внешних и внутренних напряжений на температуры образования и исчезновения различных вариантов мартенсита. Поскольку в поликристаллах из-за наличия границ зёрен уровень внутренних напряжений выше, чем у монокристаллов, пик внутреннего трения у них, как правило, размыт или даже расщеплен [21].
Материалы в мартенситном состоянии обладают ярко выраженной амплитудной зависимостью внутреннего трения. В высокотемпературном же состоянии демпфирующая способность практически всех сплавов слабо меняется при увеличении амплитуды колебаний, и обычно логарифмический декремент затухания не превышает 1-2% даже при высоких амплитудах деформации [22, 23].
Влияние амплитуды колебаний на внутреннее трение материала определяется характером мартенситных превращений и дефектным строением низкотемпературного мартенсита. Очень часто демпфирование во время протекания мартенситных превращений больше, чем у уже возникшего мартенсита, независимо от амплитуды деформации. При этом скорость изменения декремента колебаний при увеличении амплитуды колебаний зависит от состава и состояния сплава. В эквиатомном никелиде титана максимальная чувствительность к амплитуде колебаний свойственна мартенситу, причем это иногда приводит к исчезновению характерного максимума на температурной зависимости внутреннего трения и как следствие к выравниванию уровней внутреннего трения в мартенситном и гетерофазном состояниях. Сходным образом могут себя вести и сплавы CuAINi [24,25].
Сильная амплитудная зависимость внутреннего трения материалов, находящихся в мартенситном состоянии, обусловлена, прежде всего, возможностью обратимого движения границ раздела в поле изменяющихся внешних и внутренних напряжений. Повышение декремента при увеличении амплитуды колебаний может происходить как за счет "включения" новых каналов деформирования, так и за счет преодоления силовым путем препятствий, стопорящих обратимое движение межфазных и двойниковых границ [26].
Внутреннее трение на уровне фона, для которого характерна слабая зависимость от амплитуды колебаний, обусловлено, как и у обычных металлов, динамическими свойствами дислокаций. Этот механизм демпфирования доминирует в высокотемпературной области, а в некоторых случаях (при небольших амплитудах деформации) - и в мартенсите.
Частота вибраций существенным образом сказывается на уровне внутреннего трения. Обычно декремент колебаний изменяется приблизительно обратно пропорционально частоте. Во многих случаях эта зависимость является более сложной, хотя общая тенденция сохраняется. Даже при частотах в десятки мегагерц декремент колебаний мартенсита превышает таковой для аустенита [27].
Демпфирующая способность вблизи интервала температур прямых и обратных мартенситных превращений существенно зависит от времени изотермической выдержки и от термической предыстории. После охлаждения из аустенита в двухфазное состояние внутреннее трение сначала возрастает вследствие изотермического допревращения, а затем постепенно снижается вследствие старения, приводящего к закреплению двойниковых и межфазных границ [28]. После нагрева из мартенсита в двухфазное состояние вследствие тех же причин всегда наблюдается только падение декремента колебаний. Это уменьшение может быть очень значительным и у некоторых сплавов через несколько месяцев изотермической выдержки декремент колебаний уменьшается в несколько раз. Последующий термоцикл через температурный интервал мартенситных превращений способен восстановить высокий уровень внутреннего трения, хотя в некоторых случаях оказывает обратное воздействие.
Поскольку скорость мартенситного превращения зависит от скорости изменения температуры, естественным оказывается и влияние ее на характеристики демпфирования. В однофазном состоянии, как показывают эксперименты, изменение скорости нагрева/охлаждения не влечет за собой какого-либо изменения величины внутреннего трения. Вместе с тем обнаружено значительное повышение уровня демпфирования при увеличении скорости нагревания и охлаждения (в 2-3 раза). При этом положение максимумов демпфирования на температурной зависимости не меняется. При понижении скорости нагрева/охлаждения максимальный уровень демпфирования в интервале мартенситных превращений уменьшается до значений, близких к декременту колебаний мартенсита [25].
Как правило, внутреннее трение материалов вблизи температур мартенситных превращений или в связи с ними существенно зависит от приложенных напряжений. Влияние последних неодинаково для сплавов с различной структурой мартенсита и кристаллографией мартенситных переходов. Хотя во всех случаях на температурной зависимости декремента колебаний наблюдаются характерные максимумы, а уровень демпфирования мартенсита выше, чем аустенита, внешние напряжения приводят к появлению ряда существенных особенностей в расположении и величине пиков.
В никелиде титана приложение напряжений вызывает изменение уровня демпфирования в мартенситном и двухфазном состояниях [28]. Многие особенности внутреннего трения сплавов на основе никелида титана определяются характером мартенситных реакций и строением мартенсита, которые зависят от состава композиции. При этом даже незначительные изменения в соотношении элементов могут отразиться на характере демпфирования. Хотя качественно поведение сплавов на основе никелида титана не отличается от других материалов с мартенситными превращениями, введение в состав TiNi третьих элементов меди приводит к значительным изменениям в структуре и демпфировании мартенсита. В то же время в области повышенных температур внутреннее трение всех тройных сплавов на основе TiNi слабо зависит от концентрации третьих элементов. [29].
Не только состав сплава, но и его предварительная обработка оказывают значительное влияние на характеристики внутреннего трения. Пластическая деформация, как правило, приводит к снижению демпфирования в интервале температур мартенситных реакций и в мартенситном состоянии, в результате чего внутреннее трение приближается к фону высокотемпературной фазы В2. При незначительных степенях наклепа наблюдается постепенное уширение пиков внутреннего трения во время мартенситных переходов, уменьшение их высоты и смещение по температурной шкале. Интенсивная механическая обработка, хотя и не подавляет само превращение, но вызывает столь резкое падение величины Q , что внутреннее трение материала практически перестает зависеть от температуры [30, 31].
В данной работе исследованы закономерности изменения знакопеременной деформации и демпфирующих свойств в сплавах на основе никелида титана.
Работа содержит введение, 4 главы, выводы и список цитируемой литературы. Содержание разделов следующее.
Первая глава посвящена обзору современного состояния проблемы исследования знакопеременной деформации и демпфирующих свойств сплавов на основе никелида титана. Рассмотрены основные характеристики демпфирующих свойств, внутреннего трения и знакопеременной деформации в сплавах на основе никелида титана. Особое внимание уделено изменению этих характеристик при температурном, силовом и частотном воздействии на исследуемые сплавы. Проведен анализ исследований по влиянию состава сплава и механической обработки на демпфирующие характеристики и параметры знакопеременной деформации. В качестве наиболее информативных методов ис следования демпфирующих свойств выделены резонансный метод и метод обратного крутильного маятника.
Вторая глава посвящена постановке задач и обоснованию выбора материалов и методов исследования. Описаны способы получения сплавов, методы обработки образцов и методика проведения экспериментов.
В третьей главе работы изложены результаты исследования знакопеременной деформации в сплавах на основе никелида титана в интервале температур мартенситных превращений. Интерес представляет знакопеременная деформация, осуществляемая вблизи температуры фазовых превращений, поэтому ситуация, связанная со знакопеременным циклированием при температурах вблизи Ms, когда материал проявляет спектр необычных свойств, требует тщательного изучения. Проведено исследование знакопеременной деформации при эффектах памяти формы, сверхэластичности, ферроэластичности в сплавах на основе никелида титана. Влияние знакопеременной деформации связывают, во-первых, с возникновением внутренних напряжений, оказывающих ориентирующие действие на микросдвиги в процессе превращения, и, во-вторых, с увеличением плотности дислокаций, что приводит к возрастанию эффективной "силы трения" при движении межфазных границ и тем самым к изменению температурной кинетики превращения. Осуществляя предварительное пластическое деформирование материала в симметричном цикле с изменением знака напряжения можно максимально уменьшить роль внутренних ориентированных напряжений. В этом случае при отсутствии выделенного направления предварительного деформирования все наблюдаемые явления будут связаны лишь с нарастанием плотности дислокаций. Знакопеременное деформирование сопровождается яркими экзотермическими (при прямом переходе) и эндотермическими (при обратном) эффектами, в соответствии с чем рост мартенситных кристаллов сопровождается тепловыделением, а сокращение их размеров вплоть до исчезновения - поглощением тепла и охлаждением сплава. Температурные эффекты оказывают существенное влияние на измене ниє гистерезиса в условиях нагрузки и разгрузки. В этой связи рассмотрено влияние тепловых процессов при мартенситных превращениях под нагрузкой на гистерезисное поведение никелида титана. Показано, что в адиабатических условиях гистерезис, а следовательно и демпфирующая способность материала, с фазовым переходом под нагрузкой будет значительно большей чем в изотермических условиях.
В четвертой главе рассмотрены особенности влияния состава сплава, термомеханической обработки, предварительной деформации на параметры демпфирования. Особый интерес представляют исследования демпфирующих свойств сплава ТН-10 и пористых сплавов на основе никелида титана, полученных методом СВС. Исследования демпфирующих свойств данных сплавов проводились методом акустической эмиссии на базе экспериментального комплекса для изучения изменения акустических свойств материала в зависимости от температуры испытания. Данный метод не вносит дополнительных возмущений в колебательную систему, позволяя надежно фиксировать колебательный процесс в образцах при различной температуре. В основу метода положено изучение поперечных волн в образце с независимым внешним возбуждением с использованием пьезоэлектрической регистрации свободных колебаний. Отличительной особенностью полученных амплитудно-временных зависимостей является существование длительной по времени области низкочастотных колебаний с малой амплитудой. Появление такой области-"площадки" на временной развертке связано со знакопеременным воздействием на инициирование внешним напряжением мартенситных реакций в двухфазном состоянии. Можно констатировать, что колебательная система, изготовленная из сплава ТН-10, имеет аномально высокую по величине длительность колебаний в температурном интервале М/ + Mj, т.е. области инициирования под напряжением двухфазного состояния. Проведен Фурье-анализ временных разверток, показывающий температурную зависимость поведения основного тона и обертонов исследуемых материалов. Такое поведение позво ляет предположить, что в колебательном процессе участвует различное количество мартенситной и высокотемпературной фазы (имеющие, как известно, пластинчатую морфологию), которые делятся на классы или группы по размеру, по величине объема, по структурным и морфологическим особенностям, внося свой особенный вклад в колебательный процесс.
Общим является механизм низкого уровня затухания колебаний в сплавах на основе никелида титана - высокая подвижность межфазных границ раздела (мартенситной и высокотемпературной фазы) и высокое значение энтальпии превращения, обуславливающее наличие теплового фронта при низкой удельной теплопроводности сплава.
Автор защищает:
1. Закономерности проявления знакопеременной деформации в сплавах на основе никелида титана в интервале температур фазовых переходов в условиях изменения внешних напряжений и деформаций, амплитуд и частот колебаний.
2. Метод исследования демпфирующих свойств в монолитных и пористых сплавах на основе никелида титана, позволяющий без существенных искажений фиксировать параметры колебательного процесса и осуществлять выбор материала с заданными параметрами демпфирования.
3. Закономерности изменения демпфирующих свойств сплавов на основе никелида титана в области фазовых превращений в широком интервале температур.
Внутреннее трение и демпфирующие свойства сплавов на основе иникелида титана при различных условиях воздействия
При исследовании демпфирующей способности сплавов с фазовыми переходами мартенситного типа определенное распространение получил метод внутреннего трения. При измерении амплитудно-независимого внутреннего трения в процессе охлаждения сплавов установлено [44], что в интервале температур мартенситного превращения всегда наблюдается увеличение внутреннего трения, т.е. степени демпфирования, причем максимум внутреннего трения соответствует наибольшей интенсивности превращения высокотемпературной фазы в мартенсит. Демпфирующую способность сплавов на основе никелида титана наиболее точно, через измерение внутреннего трения, можно провести с помощью резонансного метода [45], дающего довольно надежные данные по демпфирующей способности в звуковом диапазоне при различных частотах и уровнях воздействующих напряжений.
Непосредственную оценку внутреннего трения и демпфирующую способность никелида титана лучше вести через коэффициент затухания {Q 1), который связан с логарифмическим декрементом затухания соотношением: Произведение TJQ характеризует спад амплитуды колебаний за цикл. Коэффициент затухания, или демпфирующая способность, оценивается исходя из результатов измерения ускорения а (мм/с2) при частоте/и исходной амплитуде (размаха) А, т.е. где к - коэффициент (const). Для сплавов на основе TiNi значения коэффициента затухания достигают величины IO -ІО"2. Авторы работ [46, 47] одними из первых отметили уникальное свойство TiNi поглощать механические колебания. Они ударяли по бруску (полученному дуговой плавкой, содержащему 54.5 вес. % никеля и 0.09 вес. % железа) сплава при комнатной и умеренных температурах. При комнатной температуре при ударе возникал глухой тон, тогда как при 57 С слиток издавал металлический звук, который имел более высокий тон. Также было замечено, что на это явление влиял состав сплава. Авторы [46, 47], изучая поведение сплавов с содержанием никеля от 52,5 до 58 вес. %, обнаружили, что полученные электродуговой плавкой слитки, содержащие 54,5 вес. % никеля, давали переход от структуры с хорошей демпфирующей способностью к структуре с низкими демпфирующими характеристиками в узком температурном интервале и при температурах близких к комнатной. Было отмечено, что максимум Q"1 наблюдается при температуре на 50 меньшей, чем температура, соответствующая минимуму, модуля упругости. Объяснения этому эффекту авторами дано не было. В сплавах, содержащих 54,7 и 54,8 вес. % никеля, полученных дуговой плавкой, отмечается наличие широкого гистерезиса. Чистый звук, наблюдаемый при комнатной температуре, полностью исчезает при охлаждении до -15 С, но когда стержни снова нагревали до 25 С, сила звука была значительно ниже, чем прежде.
При нагревании образцов до 45 С вновь возникал резкий исходный звук, сохранявшийся при охлаждении до комнатной температуре. Изменение этого явления во времени сопровождалось охлаждением стержня до -76 С и нагреванием его до комнатной температуры. Через 92 часа равновесные звукопроводящие свойства вновь восстановились. Количественное из мерение демпфирующей способности никелида титана методом низкочастотных крутильных колебаний (0,4 Гц) проведены в работе [48]. В качестве образцов использовали полученную волочением проволоку диаметром 0,525 и 0,915 мм. Результаты, полученные для сплава содержащего 55,1 вес. % никеля (с 0,09 вес. % железа) представлены на рис. 1.2. Этот сплав показал небольшую зависимость демпфирующей способности от температуры. С другой стороны, два проволочных образцов из сплава 54,5 вес. % никеля отмечается резкое уменьшение внутреннего трения при увеличении температуры до 93 С. Изменение демпфирующей способности сплава с изменением температуры исследовали Хасигути и Ивасаки, которые оценивали внутреннее трение с помощью метода крутильного маятника [49]. Приготовленные проволочные образцы имели состав 51 ат.% Ni и 49 ат.% Ті. Для получения сплава использовали титановую губку с малыми примесями железа. Температура Ms составила 40 С. Были получены типичные кривые зависимости внутреннего трения от периода колебаний и периода колебаний от температуры (модуль G пропор-ционален величине \lt, где / - период колебания). На кривых изменения внутреннего трения определяются два хорошо различимых пика при -70 С и при 600 С, а в интервале температур Ms от 40 до -50 С отмечается нерегулярная "зубчатость". Эта "зубчатость" названа авторами "тонкой структурой". Выше температуры 40 С, которая, как принято, считалась температурой Ms, внутреннее трение снижалось.
Температурные интервалы между отдельными измерениями в работе [49] были гораздо меньше, чем в работах Василевски [50], Бредли [51], Спиннера и Рознера [52]. В соответствии с этим "тонкая структура" как явление другими авторами не была выделена, а рассматривается лишь отдельные пики. Кауфман [53] демпфирующую способность мартенситных сплавов оценивали резонансным методом. Выбор этого метода был обусловлен тем, что он обеспечивает точное измерение демпфирующей способности в звуковом диапазоне при различных частотах и уровнях приложенных напряжений. Все измерения осуществляли при частоте колебании в интервале 150-250 Гц, который представляет собой наиболее важную часть спектра звуковых частот. Ис пользуемый резонансный метод основан на создании вынужденных колебаний с косвенным определением затухания на простом по конструкции элементе путем измерения выходного сигнала после возбуждения с модальной частотой. В измерениях в качестве конструктивного элемента использовали консольную балку. Метод возбуждения колебаний модальной частоты в балочном образце заключается в прикреплении балки к электромагнитному вибратору, который, в свою очередь, другой своей стороной крепится к массивной опоре. К образцу крепится датчик для измерения ускорений. Реакцию консольной балки на возбуждение от электромагнитного вибратора измеряют с помощью микроскопа, сфокусированного на кончике образца. Исследование было проведено на 55 вес.% Ni + 45 вес.% Ті. Полученные сплавы первоначально термообрабатывали путем отжига при 790 С в течение 30 минут с последующей закалкой в воду. Затем осуществляли измерения электрического сопротивления в интервале от -80 до +80С. Эти результаты использовали для определения температуры Ms, которая соответствует положению максимума на кривой сопротивления в зависимости от температуры. Каждый образец перед испытанием претерпевал от 50 до 80 циклов между -80 и +80С.
Заключительный цикл ограничивался нагревом от -80 до +25С. На рис. 1.3 представлены результаты измерений коэффициента затухания, динамического модуля Юнга, электрического сопротивления и тепловыделений - на одной группе образцов сплава 55 вес.% Ni + 45 вес.% Ті. В настоящем случае температура Ms сплава составляла около +7С. При этой температуре наблюдались четко выраженные пики на кривой электросопротивления от температуры и тепловыделения при охлаждении. Было обнаружено, что коэффициент затухания возрастает при охлаждении до температур, существенно превышающих М» и остается весьма высоким (Q 1 составляет почти 0,01) при нагреве до еще более высоких температур. Эти измерения затухания были проведены при частотах в диапазоне 150-200 Гц и напряжениях в интер-вале от 1,4-3,5 кг/мм . Чтобы исключить возможность, что напряжения, при
Знакопеременная деформация и демпфирование при эффектах сверхэластичности
Сверхэластичное поведение характерно для сплавов на основе никелида титана с высоким пределом прочности и низким напряжением мартенситного сдвига, например, легированных железом и молибденом и др. Сверхэластичное поведение проявляется при температурах выше Ms и имеет различный вид. На примере сплава Ті + 51 ат.% Ni и сплавов TiNi, легированных железом и молибденом, проведем рассмотрение различных механизмов сверхэластичного поведения сплавов на основе TiNi. В сплаве Ті + 51 ат.% Ni реализуются одновременно два мартенситных перехода с последовательностью превращений B2 r+R r+R +#19 - 2?19 . Причем температуры обоих переходов Ms и TR доволь но близки друг к другу. Сверхэластичное поведение проявляется при температурах выше Ms и имеет различный вид (рис. 3.6). С повышением температуры величина упругой деформации (участок о-і на зависимости т-є на рис. 3.6, а), дающая вклад в эффект сверхэластичности, увеличивается, достигая 2%.
Рентгенографические исследования показали, что за аномальную упругость отвечает в основном мартенсит ромбоэдрической модификации, который под действием нагрузки монодоменизируется. При дальнейшем деформировании (участок i-j на зависимости ст - є) накопление деформации реализуется за счет перехода монодоменизированного R мартенсита в мартенсит низкотемпературной модификации 519 . На этой стадии происходит переориентация пластин мартенсита 519 . Снятие нагрузки приводит с гистерезисом, характеризующим степень демпфирования, к обратному процессу - к переходу мартенсита 519 в монодоменизированный мартенсит и далее к переходу R-+B2. На рис. 3.7 подробно проанализированы особенности деформации и проявления сверхэластичности с привлечением данных рентгеноструктурного анализа и температурной зависимости изменения электросопротивления на примере сплава Ті+51 ат.% Ni. На зависимости а - є выделены характерные точки. Так, например, точки р и / характеризуют процесс монодоменизации. Точки j и / соответствуют состоянию, кода сплав находится в мартенситном состоянии (фаза В19 ), точки т, п отражают развитие обратного перехода при снятии нагрузки из R фазы в В2 (рис. 3.7, б, в). Остаточная деформация, которая часто имеет место, связана с присутствием #19 фазы и некоторой пластической составляющей деформации. Дополнительный нагрев приводит к полному исчезновению В\9 фазы и как следствие - к дополнительному восстановлению формы сплава. Таким образом, сверхэластичность и гистерезисные потери в данном сплаве реализуется в две стадии, связанные при нагрузке с переходами 52- 7? + 519 - 519", а при разгрузке - с B19 - R + В19 В2. В особенности четко двухстадийный характер сверхэластичности проявляется в сплавах, легированных железом и молибденом. Рис. 3.7. Особенности сверхэластичного гистерезисного поведения сплава ТІ+ +51 ат.% Ni: а - температурная зависимость электросопротивления; б - деформационная зависимость а(є) при T MS (Ms = -50 С); в - зависимость а(є) с выделенными характерными точками о-п. Вставки (о-п) соответствуют фрагментам дифракционных картин сплава при 7=20 С и отражают изменение кристаллической структуры в процессе деформационного воздействия На рис. 3.6, в представлены зависимости а-є для сплава Ті + +47 ат.% Ni + 3 ат.% Fe, которые иллюстрируют разный характер проявления сверхэластичности от степени деформации и обусловлены развитием сложной последовательности фазовых переходов.
Первая стадия связана с переходом B2 r R, которая затем переходит в стадию упругой деформации R фазы. Второе плато на зависимости as на рис. 3.6, б обусловлено развитием перехода R r+B\9 . При обратном переходе последовательность повторяется и происходит в обратном порядке 519 - /? -»Z?2. При реализации только одного перехода, например, B2+-+R, в сплавах на основе никелида титана, реализуется простое сверхэластичное поведение, соответствующее рис. 3.6, б. При на-гружении сплава в аустенитном состоянии (фаза В2) идет процесс образования R-фазы и ее монодоменизация. Снятие нагрузки приводит к обратному процессу монодоменизированния: Я-фаза демонодоменизируется, искажение снимается и R-фаза переходит в В2 фазу. Важной особенностью сверхэластичного поведения в сплавах на основе TiNi является зависимость формы петли гистерезиса, характеризующей уровень демпфирования, не только от типа и последовательности превращений, но и от условий, в которых происходит деформирование. В средах с высокой охлаждающей способностью петля гистерезиса сверхэластичного поведения резко сужается. Такое же влияние оказывает знакопеременная деформация и уменьшение скорости деформации. Воздействие условий эксперимента на сверхэластичное поведение связано с экзотермическими и эндотермическими процессами при мартенситных превращениях. При прямом переходе (при на-гружении) происходит разогрев материала вследствие выделения скрытой теплоты превращения, а при обратном переходе (при разгрузке), наоборот, наблюдается поглощение тепла и происходит охлаждение материала. Поэтому если условия эксперимента приближаются к изотермическим, то гистерезис сверхэластичного поведения сводится к минимуму, а в адиабатических условиях - к максимуму.
Влияние механотермической обработки и состава сплава на демпфирующие свойства сплавов на основе TiNi
Интересным представляется рассмотрение влияния деформации на демпфирующие свойства никелида титана. Исследовались две серии сплавов: ТН-20 и ТН-10, которые были прокатаны при комнатной температуре на 8, 15 и 21% после закалки в воду от 850 С На рис. 3.8 приведены кривые зависимостей логарифмического декремента затухания от частоты испытания сплава ТН-20. Наблюдаются совершенно разные частотные зависимости. Образцы, деформированные на 8 и 15%, ведут себя практически одинаково - с увеличением частоты демпфирующая способность сильно уменьшается вначале и немного в конце. При этом демпфирующая способность образцов, деформированных на 0 и 21 %, слабо зависит от частоты во всем частотном диапазоне. Зависимость демпфирующей способности от степени холодной прокатки для сплава ТН-10 приведена на рис. 3.9. Видно, что с увеличением степени деформации демпфирование увеличивается, а затем уменьшается при дальнейшем увеличении степени деформации. Как было отмечено выше, демпфирование мартенсита связано с движением межфазных границ раздела и двойников и что возникновение дислокаций и их движение, вызванное холодной прокаткой вносит свой вклад в общую картину демпфирования материала. Т.е. можно отметить, что демпфирующая способность деформированного мартенсита возрастает по двум причинам - межфазное демпфирование и дислокационное демпфирование.
Поведение кривых демпфирования для образцов (рис. 3.8, 3.9), деформированных на 8 и 15 % объясняется либо движением и дислокаций и движением межфазных границ. С одной стороны демпфирование мартенсита, связанно с движением межфазных и двойниковых границ, а с другой стороны наличие полей дислокаций снижает их подвижность, и как следствие, снижает межфазное демпфирование при увеличении степени прокатки. Однако дислокационное демпфирование пропорционально плотности дислокаций и также связано с их подвижностью. Поэтому вначале при увеличении степени прокатки дислокационное демпфирование возрастает, но с увеличением плотности дислокаций уменьшается их подвижность [102]. В соответствии с этим комбинация двух этих факторов объясняет изменение демпфирующих свойств в зависимости от степени деформации прокаткой. На рис. 3.10 представлены температурные зависимости демпфирования сплава ТН-10 при различных термических обработках. После закалки от 850 С присутствует только один пик, который ассоциируется с прямым мар-тенситным превращением 2— 519\ Увеличивая время выдержки, появляются 2 пика демпфирования. Пик Pi связан с переходом в R фазу, а пику Р2 соответствует переход R- B\9\ При дальнейшем увеличении времени выдержки при 450 С, наблюдаются уже три пика демпфирования, причем пику Р2 также соответствует переход R- B\9\ Три пика демпфирования (рис. 20, в) можно отнести к явлению взаимного влияния R фазы и 519 фазы, когда они достаточно широко разнесены по температурному интервалу. Выбирая пик демпфирования, соответствующий мартенситному превращению для сплава ТН-10 при различных условиях температурной выдержки, можно отметить, что уровень демпфирования после длительной термической обработки значительно выше, чем закаленного от 850 С. Более того, уровень демпфирования вначале возрастает с увеличением времени выдержки и снижается при дальнейшем времени старения. Наблюдаемому явлению может быть две причины.
После закалки от 850 С на ранних стадиях времени выдержки при 450 С выделяются частицы вторичных фаз Ті№з и ТізМІ4, которые мелкодисперсны и хорошо связаны с матрицей [103]. Индуцируя поля внутренних напряжений, частицы с увеличением времени выдержки при 450 С укрупняются, а поля внутренних напряжений становятся слабее. Кроме этого межфазная граница между матрицей и вторичными фазами также вносит вклад в демпфирование при фазовом превращении снижая или увеличивая свою подвижность в зависимости от структуры материала. При легировании медью сплавов системы TiNi имеет место двухстадий-ный мартенситный переход. Превращение сопровождается переходом из кубической структуры В2 в отрторомбическую В19 вблизи комнатной температуры. Фаза 519, которая превращается в моноклинную 519 при дальнейшем охлаждении, характеризуется высоким демпфирующим свойством при комнатной температуре. Внутреннее трение сплава TiNiCu измерялось методом крутильного маятника. Было найдено, что существуют два пика, связанные с обратимыми переходами 52 г- 2?19 и 519 - #19 , которые обозначены как Р\ и Р2 - при охлаждении и Р3 и Р - при нагреве. Уровень пиков зависит от скорости нагрева/охлаждения. Значение самого высокого пика внутреннего трения колебалось в пределах 130-10", характеризуя сплав TiNiCu как очень хороший демпфирующий материал. Двухстадийное превращение имеет место при содержании меди свыше 6 ат.% и температура перехода 519-»519 значительно снижается при увеличении содержания меди до 20 ат.%.
Демпфирующие свойства на основе никелида титана в условиях самопроизвольных затухающих колебаний
Знакопеременная деформация в условиях затухающих колебаний - одно из наиболее часто встречающихся в практике условий воздействия на элемен ты конструкций. При этом в зависимости от состояния материала, изготовленного из сплавов на основе никелида титана, деформация может осуществляться либо в однофазном мартенситном (структура 519 ), либо в двухфазном (R+B19 ) или (519 +52) состоянии, либо в однофазном 52 состоянии. Однако, следует заметить, что знакопеременная деформация В2 состояния вблизи температуры Ms отличается от состояния В2 фазы вблизи Md. Вообще, строго говоря исходное состояние сплава на основе TiNi в широком интервале температур представляется вполне индивидуальным. Рассматривая механизм знакопеременной деформации сплава ТН-10 при температуре 309 К можно установить, что деформация при температуре выше Ms связана с переходом 52-»519 . При снятии нагрузки часть мартенсита 519 сохраняется, обуславливая остаточную деформацию. Реакция мартенсита на деформацию обратного знака циклирования приводит к переходу 519 -»52, т.е. к полному возврату материала в исходное состояние под действием напряжения. Впервые это явление было представлено в работе [105]. Механизм накопления и возврата деформации при знакопеременном воздействии в таком состоянии не вызывает существенных изменений в структуре сплава. Но такое рассмотрение знакопеременной деформации приводилось при достаточно низких скоростях деформации. В тех случаях, когда система участвует в быстрых колебательных процессах, когда амплитуда деформация невелика, а скорость знакопеременного воздействия имеет большую величину, механизмы деформации проявляют себя особенным образом.
Любая атомная система, в том числе и сплав на основе TiNi, находящаяся, например, в предмартенситном состоянии, будучи выведенной из состояния равновесия и предоставленная самой себе, должна возвратиться в состояние равновесия либо в иное состояние, если заданным условиям соответствуют несколько устойчивых состояний. Переход системы TiNi из состояния 52 в состояние 519 и наоборот составляет полный колебательный цикл. Рассеяние энергии колебаний при этом будет определяться всей совокупностью релаксационных процессов разыгрывающихся при периодическом деформировании кристаллов В2 фазы и мартенсита В\9 и потому определять его в общем виде не представляется возможным. Следует, однако, учесть, что одним из определяющих факторов мартен-ситной реакции являются тепловыделения. По некоторым данным [80] количество выделяющегося тепла при переходе Z?2- i?19 составляет более 8.3 кДж/моль. При этом такое же количество тепла поглощается системой при обратном переходе /?19 - 2?2. В условиях системы, когда теплопроводность TiNi чрезвычайно мала и составляет 1 Вт/(м-град), тепловые процессы играют определяющую роль при колебаниях. В особенности, если колебания происходят в адиабатических условиях (когда выделение тепла при появлении мартенсита и поглощении тепла с появлением В2 фазы не отводиться во внешнюю среду). Появление мартенсита выше температуры Ms под действием нагрузки связано соотношением [64] Да =(АНМ)(ТоЕм) 1, где Да - приложенное напряжение, ДГ - изменение температуры, Tv=(Ms-Md)/2 - температура равновесия фаз, Д# - скрытая теплота превращения, гм - деформация за счет мартенсит-ной реакции.
Для индивидуальной z-ой мартенситной пластины или микрообласти вы (± с учетом выделения или поглощения тепла). Однако, если появление единичной /-ой мартенситной пластины связано с приложением нагрузки Ло, то увеличение температуры на величину AT/ приводит к появлению напряжения обратного знака: где с - удельная теплоемкость. Приравнивая оба выражения можно получить условия равновесия для колеблющейся системы (без учета других релаксационных процессов) 105 {AT/fc . W)2 двдс іучаем AT/ = + ля, показывает условие равновесия системы в адиабатических условиях, когда выделение скрытой теплоты перехода за счет появления мартенситной фазы (пластин мартенсита) приводит к локальному разогреву и как следствие к возникновению теплового фронта, который является движущей силой обратного перехода.
Можно ожидать, что при инициировании низкочастотных, колебаний образца сплава на основе TiNi в интервале температур возможного появления мартенсита под нагрузкой, т.е. в интервале Mf T Md колебания системы на основе TiNi будут характеризоваться низким уровнем демпфирования. На рис. 4.13 представлена амплитудно-временная зависимость колебаний камертона сплава ТН-10. В начальный период колебания носят квазигармонический характер, причем амплитуда колебаний изменяется приблизительно по логарифмическому закону. Начиная с некоторого момента времени, амплитуда колебаний остается практически постоянной, а период колебаний уменьшается. На всем временном протяжении колебательного процесса можно заметить характерные биения. Колебательная система ведет себя так, как будто присутствует вынуждающая сила, поддерживающая колебания в течении длительного промежутка времени. Стабильность амплитуды колебаний и наличие биений указывают на то, что частота вынуждающей силы находится вблизи одной из более низких гармоник, сдвинутой на небольшой угол по фазе. Исследуя развертку свободных колебаний образца сплава ТН-10 (рис. 4.13) были получены результаты подтверждающие, что одним из определяющих факторов мартенситной реакции являются тепловыделения. В интервале температур Mf + Md наблюдается необычное увеличение времени колебания системы, а в мартенситном состоянии колебания наоборот практически полно
