Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Актуальной задачей разработки функциональных материалов и их технологий является не только получение партий материалов с близкими значеннями служебных характеристик, отвечающих заданным параметрам, но и обеспечение их стабильности на протяжении всего срока эксплуатации. Этим требованиям в полной мере должны отвечать и сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Как известно, обратимые макроскопические деформации при нагреве и охлаждении, приводящие к ЭПФ, отчетливо проявляются только в сплавах, где мартенситное превращение имеет термоупругий характер. Они оказываются возможными благодаря тому, что при термоупругом мартенситном превращении перестройка кристаллической структуры осуществляется путем относительно небольших подвижек атомов, исходная и мартенситная фазы обладают упорядоченной структурой, а степень когерентности между исходной и мартенситной фазами велика. В целом, изменение формы при термоупругом мартенситном превращении в сплавах с ЭПФ характеризуется чрезвычайно малым изменением объема, по своему характеру деформация близка деформации путем чистого сдвига, в идеальном случае в матричной фазе пластическая деформация не протекает. Эволюция структуры носит многоуровневый характер: изменение мотива атомно-кристаллической структуры в результате структурного превращения сопровождается, как правило, формированием ориентированной двойниковой доменной структуры, которая под действием приложенных напряжений приобретает направленный характер. Полная обратимость мартен-ситного превращения достигается только в объектах с совершенной структурой. В реальных поликристаллических материалах, указанные выше условия могут соблюдаться не полностью, поэтому при переходе через мартенситное превращение за счет изменения температуры или деформации в них происходят необратимые структурные изменения, приводящие к несоответствию их служебных характеристик стандартным значениям, и лимитирующие применение этих материалов. Наиболее актуальна эта проблема, очевидно, для сплавов с обратимым эффектом памяти формы (ЭОПФ).
Специфика термоупругого мартенситного превращения и особенности кристаллической структуры соединений, на основе которых разрабатываются сплавы с ЭПФ (наличие дальнего порядка, необходимость соблюдения когерентности матричной и мартенситной фаз, существование между их решетками ориентационных соотношений), проявляются в том, что физико-механические свойства этой обширной группы металлических материалов существенным образом зависят от структурного состояния. В связи с этим
4 возникают трудности в получении их в виде проволок, лент, пластин с заданными характеристиками ЭПФ, такими как степень восстановления формы при прямом (ПМП) и обратном (ОМП) мартенситных превращениях (СВФпмп и СВФ0мп)> температура и интервал превращения и др. Разброс в значениях этих параметров определяется химическим составом, в том числе отклонением от стехиометрии, чистотой исходных компонентов, режимами термомеханической обработки, приводящими к изменению дальнего порядка, состояния субструктуры (плотности дислокаций, внутренних напряжений) и, как следствие, к нарушению обратимости при мартенситном превращении. Существующие технологии получения материалов с ЭПФ не всегда обеспечивают стабильность гарантированных характеристик. Одним из методов их стабилизации служит термомеханическая тренировка.
Характеристики материалов с ЭПФ (реактивная деформация прямого и обратного превращения, характеристические температуры превращений, остаточная пластическая деформация) заметно изменяются в процессе термического циклирования и циклической деформации. Они зависят от условий напряженно-деформируемого состояния: цикличности и уровня приложенных нагрузок, числа циклов, схемы нагружения (изгиб, растяжение, сжатие). Закономерности изменения этих характеристик определяются особенностями формирования двойниковой доменной структуры материала. При термомеханическом циклировании возможны изменения текстуры, выделение микрогетерогенных включений вторых фаз. Эти структурные изменения фиксируются измерениями физических свойств, таких как теплоемкость, упругие характеристики, электропроводность и др.
ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ явилось исследование структурных особенностей, физических свойств и функциональных характеристик сплавов NiTi в процессе термомеханической тренировки (ТМТ), в которых ЭПФ контролируется превращением В 2 ->В 19'.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие конкретные задачи:
1. Исследование влияния числа циклов ТМТ на:
структурные изменения в NiTi;
эволюцию температурных зависимостей квадрата частоты свободных колебаний и теплоемкости;
функциональные характеристики (СВФПмп, СВФ0МП).
-
Исследование влияния величины задающего напряжения на механическое поведение образцов NiTi, находящихся в защемленном состоянии.
-
Моделирование температурной зависимости изменения энтальпии об-
5 разцов NiTi на интервале превращения, прошедших ТМТ и образцов NiTi, находящихся в защемленном состоянии, а также температурных зависимостей теплоемкости защемленных образцов NiTi. 4. Выделение нехимического вклада в энтальпию превращения поликристаллических образцов NiTi, прошедших ТМТ и образцов аналогичного состава, находящихся в защемленном состоянии, на основе моделирования температурных зависимостей энтальпии, энтропии и свободной энергии Гиббса монокристаллов NiTi.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Выбор в качестве объекта исследования сплава на основе NiTi обусловлен его уникальными характеристиками ЭПФ и широким применением в технике и медицине. Среди многих сплавов с ЭПФ, сплавы NiTi чаще всего используются в практіпіеских целях вследствие высокой прочности и пластичности поликристаллических образцов, и их хороших эксплуатационных характеристик.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Рентгеновские исследования выполнены на дпфрактометре ДРОН-2 в Си-Ки излучении, с оригинальной термомеханической приставкой к нему, позволяющей проводить съемку исследуемых образцов, находящихся непосредственно под нагрузкой в температурном интервале мартенситного превращения. При анализе текстурных изменений в процессе ТМТ, использовали метод построения обратных полюсных фигур. Частоту свободных колебаний измеряли динамическим резонансным методом. Для равномерного нагрева-охлаждения был разработан блок сканирования температуры. Измерение теплоемкости проводили методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Аппроксимация и моделирование тепловых эффектов проводились на основе общеизвестных термодинамических уравнений в программе Microsoft Excel.
НА УЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:
-
В рамках комплексного исследования структуры и физических свойств, установлено, что в процессе ТМТ происходит изменение вкладов различных ориентировок исходной текстуры образцов сплавов Ni-Ti при температурах ниже структурного превращения. Усиливаются компоненты текстуры превращения В2—>В19' с высокими значениями деформации превращения. Дополнительных компонентов не возникает.
-
Моделирование тепловых эффектов в области мартенситного превращения с помощью термодинамических функций позволило выделить и
оценить нехимический вклад в энтальпию превращения, состоящий в основном из энергии упругой деформации и необратимой энергии.
-
Предложен вариант модели частичной переориентации двойниковых доменов, которая позволяет связать ее с особенностями температурных зависимостей физических свойств в процессе ТМТ, обусловленных изменениями текстуры.
-
По результатам измерения теплоемкости построена температурная зависимость энтальпии на различных этапах ТМТ. Использование этих данных совместно с измерениями напряжений, возникающих в образцах данного сплава, находящихся в защемленном состоянии, позволило смоделировать температурную зависимость теплоемкости материала, Находящегося под напряжением.
-
Предложен способ оценки величины задающего напряжения, исходных материалов с ЭПФ приводящего к максимальному эффекту обратимой памяти формы при ТМТ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в том, что по результатам выполненного исследования с привлечением экспериментов по изучению защемленного состояния предложен обоснованный подход к выбору нагрузки для термотренировки материалов на основе сплава NiTi с ЭОПФ. С этой целью предложен режим ТМТ, предусматривающий циклическое на-гружение материала в мартенситном состоянии при нагрузках несколько превышающих предел упругости и температурах соответствующих концу интервала ПМП, позволяющий стимулировать и увеличить обратимый ЭПФ для сплавов NiTi.
АПРОБАЦИЯ. Результаты и методика исследований, изложенные в диссертации, докладывались на VI Всесоюзной конференции "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах", на III конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета, на III Всероссийской научно-технической конференции и на научном семинаре Средневолжского математического общества.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.
СТРУКТУРА. Диссертация состоит из введения, четырех глав, включая литературный обзор, заключения, основных выводов и списка цитированной литературы. Она содержит 153 страницы машинописного текста, включая 68 рисунков. Список цитированной литературы содержит 123 наименования.
