Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности функционально - механического поведения материалов с мартенситным механизмом неупругости 8
1.1. Общие сведения о материалах с обратимыми мартенситными переходами 8
1.2. Пластичность превращения в материалах с обратимыми мартенситными превращениями 16
1.3. Явление памяти формы 23
1.4. Обратимая (многократнообратимая) память формы металлов в свободном состоянии .25
1.5 Обратимая память формы, реализуемая в нагруженном состоянии (циклическая память формы) 31
1.6 Влияние термоциклирования и термомеханической обработки на эффект обратимой памяти формы и другие свойства мартенситной неупругости материалов 35
1.7. Структурно-аналитическая теория прочности 39
1.8. Структурно - аналитическая теория физической мезомеханики материалов .51
Выводы по главе 1 55
Глава II. Постановка научной проблемы и методика экспериментальных исследований 57
2.1. Основные направления исследований 57
2.2. Методика экспериментальных исследований 59
Глава III. Результаты экспериментальных исследований 64
3.1. Поведение сплава ТН-1 в условиях кручения при термоциклировании под постоянными нагрузками 64
3.1.1. Обратимое формоизменение в сплаве ТН-1 при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под
постоянными нагрузками (первый режим) 65
3.1..2 Влияние предварительной термомеханической "тренировки" на характеристики обратимого формоизменения при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под постоянными нагрузками 72
3.2. Обратимое формоизменение в сплаве ТН-1 при термоциклировании в разгруженном состоянии при нагревании и под постоянными
напряжениями при охлаждении (второй режим) 78
3.2.1. Влияние предварительной термомеханической "тренировки" во втором режиме испытаний 82
33. Обратимое формоизменение в сплаве ТН-1 при термоциклировании под постоянным моментом сил на этапе нагревания и в разгруженном состоянии на этапе охлаждения (третий
режим) 87
3.3.1. Влияние предварительной термомеханической "тренировки" на характеристики обратимого формоизменения в третьем режиме 94
3.4 Явления термоциклической ползучести в сплаве ТН-1 91
3.5. Влияние термоциклической тренировки на явление термоциклической ползучести 98
3.6. Эффект термоциклического возврата в сплаве ТН-1 100
Выводы по главе III 103
Глава IV. Теоретическое обоснование основных явлений мартенситнои неупругости 105
4.1. Одноуровневый поход в описании свойств мартенситнои неупругости І 05
4.2. Модель, учитывающая влияние предварительной термоциклической тренировки на свойств мартенситнои эффект обратимого формоизменения под постоянной нагрузкой 111
Общие выводы по работе 114
Заключение 116
Список литературы
- Явление памяти формы
- Методика экспериментальных исследований
- Влияние предварительной термомеханической "тренировки" на характеристики обратимого формоизменения при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под постоянными нагрузками
- Модель, учитывающая влияние предварительной термоциклической тренировки на свойств мартенситнои эффект обратимого формоизменения под постоянной нагрузкой
Введение к работе
В настоящее время хорошо известен широкий класс материалов, обладающий обратимыми мартенситными переходами (ОМП). К ним относятся, прежде всего, сплавы на основе TiNiMnCuCuZnCuAlFeMn и другие. С полной уверенностью можно сказать, что указанные материалы занимают особое место в физике твердого тела, физическом материаловедении и механике деформируемого твердого тела (МДТТ), так как им характерен целый ряд уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, выделяющий их из класса обычных конструкционных металлов и сплавов. К этим свойствам прежде всего относится способность материала восстанавливать большие неупругие деформации до 10 -s- 15% при изменении температуры или изотермической разгрузке. В литературе отмеченные явления более известны как эффекты памяти формы (ЭПФ) и псевдоупругости (ПУ) [59]. Названным материалам характерен и ряд других эффектов, таких как: обратимая память формы (ОПФ) - обратимое изменение деформации при теплосменах; эффект реверсивной памяти формы (ЭРПФ) -реверсивное, т.е. знакопеременное изменение деформации при нагревании; пластичность прямого превращения (ПІШ) - накопление деформации в сторону внешней нагрузки при охлаждении в интервале прямого мартенситного перехода; циклическая память формы (ЦПФ) - обратимое формоизменение при термоциклировании в нагруженном состоянии и другие явления. Перечисленные свойства можно обобщить одним термином -мартенситная неупругость (МН). Вышеупомянутые уникальные свойства материалов с ОМП дают возможность использовать их в различных областях техники: в космонавтике, машиностроении, медицине и т.д. [76,78,90,93]. В частности, они могут быть использованы в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функционального назначения, мартенситных двигателях, тепловых реле, в строительных конструкциях и в ряде других инженерно-технических направлениях.
6 Многообразие всевозможных вариантов использования данных материалов дает возможность говорить об актуальности проблемы исследования влияния предварительной термомеханической тренировки на эффекты обратимого формоизменения цилиндрических образцов из сплава ТН-1. Однако, остаются до конца не выясненными механизмы этого процесса, технологические приемы создания материалов с выраженным эффектом обратимой памяти формы, закономерности проявления ее в различных условиях, силовые характеристики. В подавляющем большинстве случаев материалы при реализации ОПФ демонстрируют качественно сходное поведение, независимо от конкретного типа трансформации решетки при мартенситных превращениях. Последнее обстоятельство позволяет изучать довольно общие закономерности эффекта ОПФ на конкретных модельных материалах, таких как TiNi, TiNiCu и CuMn.
В контексте выше сказанного была поставлена цель работы: исследовать влияние предварительной термомеханической тренировки на эффекты обратимого формоизменения сплошных цилиндрических образцов из сплава ТН-1 при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов в различных термосиловых режимах.
В связи с этим была создана экспериментальная методика, позволяющая проводить экспериментальные исследования явлений МН в неизотермических условиях на образцах из сплава ТН-1 с помощью экспериментальной установки [39], в следующих температурно-силовых режимах:
Термоциклирование через интервалы мартенситных переходов под постоянным моментом сил.
Термоциклирование через интервалы мартенситных переходов в разгруженном состоянии на этапе нагревания и под постоянным моментом сил на этапе охлаждения.
Термоциклирование через интервалы мартенситных переходов под постоянным моментом сил на этапе нагревания и в разгруженном состоянии на этапе охлаждения.
В теоретическом плане предполагали развить подход, позволяющий ставить задачи мартенситнои неупругости в рамках МДДТ в терминах инженерной механики.
В качестве объектов исследований были выбраны сплошные цилиндрические образцы выполненные из равноатомного сплава ТН-1. Выбор объекта исследования был обусловлен тремя обстоятельствами. Во-первых, наличием у него всех основных разновидностей эффектов обратимого формоизменения (ОФИ). Во-вторых, возможностью практического использования данного сплава. В-третьих, титанникилевые сплавы достаточно хорошо изучены.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю Андронову Ивану Николаевичу-доктору технических наук, профессору Ухтинского государственного технического университета, за оказанную им помощь при выборе направления исследований, при постановке диссертационной задачи, за постоянные совместные обсуждения научных результатов диссертации и непрерывный контроль за их достоверностью. Постоянная всесторонняя поддержка со стороны Андронова Ивана Николаевича позволила автору успешно завершить данную работу в течении срока отведенного для обучения в очной аспирантуре.
Коллективу и администрации Ухтинского государственного технического университета, где были получены результаты диссертационной работы, за повседневную поддержку при решении организационных вопросов, связанных с работой над диссертацией.
Явление памяти формы
Под эффектом памяти формы понимается явление восстановления предварительно заданной неупругой деформации. Восстановление деформации может осуществляться как изотермически (такое явление в материалах с МН, как мы уже отмечали, называется псевдоупругостью), так и при нагревании через интервал ОМП - т.е. в процессе реализации ЭПФ. Ниже в данном параграфе будет рассматриваться, главным образом, возможность восстановления деформации при изменении температуры. Эффект памяти может иметь место как в разгруженном состоянии -свободная память, так и в нагруженном состоянии - ЭПФ под нагрузкой. Существует несколько способов формирования ЭПФ. а) ЭПФ формируется путем сообщения материалу значительной остаточной деформации изотермическим путем при различных температурах. ЭПФ, сформированный таким образом, как правило, очень сильно зависит от температуры деформирования. И выражен наиболее сильно после деформирования в мартенситном состоянии. б) Исходное деформирование материала происходит в процессе ППП как при охлаждении через полный, так и неполный интервалы прямого мартенситного перехода. в) Исходное деформированное состояние задается путем термоциклирования материала в интервалах мартенситных переходов под нагрузкой. Причем термоциклирование можно производить как в полных, так и неполных интервалах. В современной научной литературе существует достаточно обширный материал по всем приведенным выше видам формирования ЭПФ, который достаточно подробно изложен в [59, 66, 67, 97, 98].
На рис. 1.8., в качестве примера проиллюстрирована взаимосвязь деформаций, связанных с реализацией ЭПФ в свободном состоянии и псевдоупругостью для тройного сплава CuZnSn [103]. Псевдоупрутость мартенситнои структуры для этого сплава невелика, поэтому возврат деформации при нагружении незначителен - кривая 2 на рис. 1.8. Однако он может быть инициирован нагревом. Зависимость степени восстановления деформации от температуры изображена кривой 1 на рис. 1.8. При повышении температуры деформирования Т А доминирует Н псевдоупругий возврат (кривая 2 на рис. 1.8.J, в силу чего формовосстановление при нагревании в значительной степени подавлено (кривая 1 на рис. 1.8.). Отмеченные обстоятельства позволяют поэтому рассматривать память формы как нереализованную псевдоупругость. Особенности реализации ЭПФ в свободном состоянии обусловлены положением температуры деформирования относительно ХТМП М ,М ,А н к н и А (рис. 1.1.). После деформирования в мартенситном состоянии восстановление деформации при нагревании может происходить в несколько стадий. Ниже А - условно первая стадия возврата, в процессе ОМП (А Т А ) - условно вторая стадия возврата и выше А - условно третья н к к стадия [141]. Однако обычно память формы наиболее сильно выражена в интервале ОМП, например, в TiNi [81, 102, 111, 27], CuMn [22,29,35], CuZnSn [103] и ряде других сплавов [70,77]. Схематически процесс реализации ЭПФ в свободном состоянии имеет вид, представленный кривой 1 на рис. 1.15. ат б. При последующем охлаждении материал может вести себя по-разному, например, как это показано кривой 2 на рис. 1.15. а. В этом случае говорят, что имеет место эффект однократной памяти формы. Возможен и другой вариант: при последующем охлаждении в интервале М М наблюдается накопление деформации (кривая 2 на рис. 1.15. б). В этом случае мы имеем дело с так называемой многократно обратимой или сокращено обратимой памятью формы, величина которой задается деформацией - eoQ, причем єоб всегда меньше єп. Последующее нагревание в интервале А - А приводит вновь к частичному возврату деформации (кривая 3 нарис. 1.15. б). а) Реализация эффекта однократной памяти формы при нагревании через интервалы обратного мартенситного перехода (кривая 1), еп - деформация, обусловленная ЭПФ. Последующее поведение образца при :охлаждении (кривая 2). б) Эффект однократной памяти формы (кривая 1) и эффект обратимой памяти (кривые 2 и 3), є б - деформация, обусловленная эффектом ОПФ. Более подробно поведение материалов в условиях проявления ОПФ будет рассмотрено в следующем параграфе настоящей главы.
Обратимая (многократнообратимая) память формы металлов в свободном состоянии
Эффект обратимой памяти формы может иметь место как в свободном, так и нагруженном состояниях [59]. Рассмотрим ОПФ первого типа. Её можно инициировать различными способами, а) Путем задания предварительной деформации в изотермических условиях, б) Посредством охлаждения через интервал ПМП или термоциклирования в интервалах МП переходов под нагрузкой с последующей разгрузкой в изотермических условиях. Сведения об ОПФ после изотермического деформирования имеются в работе [29]. На рис Л. 16. приведены зависимости деформации от температуры в полуциклах нагревания и охлаждения для сплавав MnCu при различном содержании марганца. Кинетика изменения деформации при охлаждении через интервал ПМП, представленная кривыми 2, свидетельствует о том, что в данных сплавах сформирована ОПФ.
Более подробно этот эффект изучали в работе [24]. На рис. 1.17. показана кинетика реализации ОПФ, сформированной в процессе предварительного термоциклирования (N = 21 термоцикл) через интервалы мартенситных переходов в нагруженном состоянии (т = 127 МПа). і Предварительным термоциклированием была накоплена сдвиговая деформация - у, равная 68.2%. В состоянии, отвечающим точке А на рисЛ.17., нагрузка была снята и образец продолжали нагревать и охлаждать без напряжения.
Методика экспериментальных исследований
Как отмечалась в обзорной части, к настоящему времени выполнено большое количество работ, посвященных исследованию материалов, обладающих памятью формы. Считается установленным, что инициатором ЭПФ могут быть обратимые носители деформации, обусловленные мартенситным превращением, упругим двойникованием и др. Часто для объяснения эффектов обратимой памяти применяются идеи о текстурировании, о наведении ориентированных зародышей или ориентированных микронапряжений. Наряду с исследованиями, посвященными природе эффекта запоминания формы, проводятся работы с целью использования этого явления в различных областях науки и техники. Авторы [52] выделяют такие перспективные использования ЭПФ. 1. Для прямого преобразования тепловой энергии в механическую. 2. В чувствительных термомеханических датчиках. 3. В саморазворачивающихся конструкциях антенн, мачт и др. 4. В химическом оборудовании (коррозионная стойкость). 5. В конструкциях надводных и подводных кораблей (поглощение ультразвука, износостойкость, стойкость к коррозии). 6. В материалах с высокой износостойкостью. 7. В противоударных демпфирующих устройствах в автотранспорте. 8. В механизмах, которые могут совершать значительную механическую работу на протяжении многих термоциклов. 9. В медицине, например, при лечении переломов и т.п. 10. Для изготовления заклепок, запоминающих форму. 11.Для изготовления самосрабатывающих соединительных муфт на трубопроводах. О возможностях применения материалов с ЭПФ с различными инженерно-техническими целями сообщалось также в [33, 82, 87, 92, 100].
Влияние термомеханической тренировки на свойства циклической памяти формы марганцемедных сплавов изучено в работах [1, 25]. Для никелида титана этот вопрос остается не проработанным и имеются лишь отрывочные данные по влиянию термомеханической тренировки на поведение материала при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под постоянной нагрузкой [25, 26, 13]. С практической точки зрения может представлять интерес и те случаи, когда охлаждение происходит под нагрузкой, а нагрев в разгруженном состоянии или когда охлаждение происходит без нагрузки, а нагрев под нагрузкой [16]. Сказанное выявило проблему недостаточной изученности свойств мартенситной неупругости в сплаве ТН-1 в различных условиях реализации ОФИ. Для решения данной проблемы проведено исследование эффектов мартенситной неупругости в условиях проявления ОФИ при термоциклировании под некоторым внешним механическим моментом. Здесь предполагается изучение таких явлений, как эффект памяти формы, пластичность прямого. Исследование влияния предварительной термоциклической тренировки на характеристики ОФИ.
В теоретическом плане необходимо развить подход, позволяющий ставить задачи мартенситной неупругости в рамках МДДТ в терминах инженерной механики. Методика экспериментальных исследований
С целью осуществления экспериментальной части настоящей работы была использована ранее спроектированная и изготовленная специальная установка [39]. Она позволяет сообщать образцу крутящий момент до 5 Н м. Схема установки представлена на рис. 2.1. Образец 1 правым концом закреплен с помощью двух винтов в захвате 2, жестко соединенной с правой опорой 3. Левый конец образца таким же образом закреплен в конце вала 4, имеющего возможность свободно вращаться и перемешаться в осевом направлении в подшипниках опор 5. Крутящий момент передается через шкив 6, жестко закрепленный на валу шпоночным соединением, на котором намотана прочная нить 7 с подвешенным на конце грузом 8. При этом предусмотрена возможность изменения направления закручивания.
Угол закручивания образца определяли по показаниям шкалы 22 измерительного устройства.
Нагрев производили электропечью 24. Температуру в процессе эксперимента регистрировали при помощи миливольтметра М 253, подклгоченого к хромель - капелевой термопаре, спай который подсоединяли к рабочей части образца.
Влияние предварительной термомеханической "тренировки" на характеристики обратимого формоизменения при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под постоянными нагрузками
Исследования осуществляли в первом режиме испытаний. Отличие состояло лишь в том, что после приведенного термоциклического "тренинга" мы возвращались к первоначальным напряжениям и повторяли эксперимент. Практически это выглядело следующим образом: после начальной серии испытаний т=25; 50; 75; 100; 125; 150; 175; 200 МПа; образцы подвергалли двум дополнительным сериям испытаний; т=25; 50; 75; 100; 125; 150; 175; 200; 250 МПа и т=25; 50; 75; 100; 125; 150; 175; 200; 250; 300 МПа, Принимали, что во всех опытах второй серии материал был тренирован при напряжением ттр=200 МПа, а в опытах третий серии при =250 МПа. После этого, установившиеся характеристики ОФИ при новых напряжениях сравнивали для не тренированного и тренированного материалов.
На рис. ЗЛО приведены типичные зависимости угловой деформации от температуры при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов, для конкретного уровня напряжений т=25 МПа после предварительной термомеханической "тренировки". Из хода кривых на рис. ЗЛО мы видим, что тренированный материал в первом термоцикле на этапе нагревания демонстрирует интенсивное восстановление деформации, достигающее почти 5%. При этом на этапе охлаждения происходит накопление деформации приблизительно равное 2%.
Из рисунка видно, что в первом цикле деформация ЭПФ существенно превосходит деформацию ППП. В целом за первый термоцикл возврщается около 4%. Возврат деформации происходит и при последующих термоциклах однако менее интенсивно (кривые 2,3,4). Кроме того, важно отметить, что после термомеханической тренировки деформационные отклики, связанные с ЭПФ и ППП значительно увеличились по отношению к не тренированному образцу. Более конкретно этот эффект будет рассмотрен ниже.
Кривые на рис. 3.11 показывают, что после предварительной термомеханической тренировки, для более высоких уровней напряжений кинетика изменения деформации имеет тот же характер, что и для не тренированных образцов. Однако, термоциклирование сопровождается значительным ростом деформационных откликов, что более подробно будет исследовано далее.
На рис. 3.12 представлены зависимости угловой деформации от температуры для образца тренированного при 1 =200 МПа. Из хода кривых видно, что термомеханическая тренировка под напряжением Ттр=200 МПа способствует значительному увеличению деформационных откликов связанных с ЭПФ и ППП.
Поведение материала при тренировки под напряжением хгр=250 МПа, в данном режиме термоциклирования, показано на рис. ЗЛЗ. Как видно из хода кривых и здесь имеет место явление ТВ описанного ваше на рис. ЗЛО.
В работе [25] показано, что в марганцемедных сплавах деформации уп и улп зависят не только от числа циклов и уровня действующих напряжений, но и от предварительной термомеханической тренировки под более высокими напряжениями. Указанная закономерность подтверждается и на сплаве ТН-1, о чем свидетельствует ход кривых 2 и 3 на рис. ЗЛ4.
Из сравнения кривых 1,2 и 3 видно, что указанная выше предварительная термоциклическая тренировка при напряжении ттр=200 МПа увеличивает значения деформаций уп и упп для действующих напряжений 15 МПа примерно на 30-40%, а при ттр=250 МПа примерно в 2 раза по отношению к нетренированному образцу [13].
Более отчетливо эффект термоциклической тренировки проиллюстрирован на рис. 3.15, где по оси абсцисс отложено отношение тренировочного и действующих напряжений Тхр/т, а по оси ординат величина количественного увеличения деформаций, обусловленных ЭПФ и ППП соответственно уп тр/ув и упл тр/упп в результате тренировки. Кривая 2 показывает, что значения уп и упг могут быть увеличены посредством термоциклической тренировки более чем в три раза [18, 19].
Предварительная термоциклическая тренировка материала под напряжениями, превышающими действующие (эксплуатационные), приводит к существенному повышению значений деформационных характеристик ОФИ. Приведенные выше экспериментальные факты могут лечь в основу феноменологического описания (в рамках механики деформируемого твердого тела) поведения материалов в условиях проявления О
Модель, учитывающая влияние предварительной термоциклической тренировки на свойств мартенситнои эффект обратимого формоизменения под постоянной нагрузкой
К исключительным свойствам материалов с каналами мартенситной неупругости относится их способность демонстрировать обратимое формоизменение при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов в различных температурно-силовых условиях [59]. В работах [24, 25] показано, что при определенных условиях предварительного термоциклирования материала из сплава MnCu последующие теплосмены в разгруженном состоянии приводят к явлению термоциклического возврата (ТВ), которое обусловлено тем, что при нагревании возврат деформации большее ее накопления при охлаждении. Описанный эффект не интерпретирован и не изучен и по сей день, а по этому нуждается в тщательном изучении и проверке на других материалах с каналами МН.
Ниже приведены данные экспериментальных исследований эффекта термоциклического возврата в сплаве ТН-1 для трех режимов испытаний.
Отмечено, что переход при термоциклировании от больших напряжений к меньшим часто сопровождается так называемым явлением термоциклического возврата, обнаруженным в первые на марганцемедных сплавах [24, 59]. Сказанное иллюстрируется кривыми на рис. 3.45- 3.47. Из хода кривых видно, что во всех режимах испытания явление термоциклического возврата протекает довольно интенсивно величина деформационного эффекта за один термоцикл достигает 0.06 %. Важно отметить, что накопление деформации происходит в направлении противоположном внешней нагрузки по этому указанный эффект можно классифицировать как эффект ТВ.
В работе не ставилась задача обсуждения природы явления. Для объяснения конкретных микромеханизмов деформации нет необходимости привлекать научные концепции отличные от ранее изложенных в [42]. Отметим лишь только, что в качестве одно из основных причин такого явления авторы [42] называли фазовый переход.
Систематически изучено поведение сплава ТН-1 в условиях термоциклирования через интервалы мартенситных переходов в трех температурно-силовых режимах в условиях неизометрического кручения. 1 .Под постоянными напряжениями на этапах нагревания и охлаждения. 2.Под постоянным напряжением на этапе охлаждения в разгруженном состоянии при нагревании. 3. Под постоянным напряжение на этапе нагревания и в разгруженном при охлаждении.
Установлено, что для любого режима термоциклирования материал демонстрирует, как правило, необратимое формоизменение, направленное на увеличение общей деформации в сторону внешней силы. Начиная с некоторого числа термоциклов, формоизменение становится частично, а в случае низкого уровня действующих напряжений и полностью обратимым. В первом и втором режиме термоциклирования на этапах нагревания, начиная с некоторого цикла, реализуется эффект памяти формы с соответствующими деформационными откликами у„, а на этапах охлаждения всегда имел место эффект пластичности прямого превращения, чему отвечают деформации упп. В третьем режиме испытания при охлаждении деформационных эффектов не обнаружено. Однако, на этапе нагревания, начиная с некоторого числа термоциклов, обнаруживали устойчивый эффект реверсивного формоизменения (ЭРФ). ЭРФ отвечали два типа деформационных откликов: деформация, направленная в сторону внешней нагрузки, условно, деформация пластичности обратного превращения у,1011 и деформация, направленная в направлении, противоположном внешней нагрузки, условно, у„. Установлено, что все перечисленные деформационные отклики монотонно возрастают с ростом действующих напряжений. Однако, их значение можно увеличить по средствам предварительной термоциклической тренировки по любому из указанных режимов под напряжениями, превышающими исходное.
Выше сказанное свидетельствует, что предварительная термоциклическая тренировка может приводить к многократному увеличению обратимой составляющей деформации. На необратимую составляющую деформации указанная тренировка в полном соответствии с аналогичными данными для марганцемедных сплавов демонстрирует диаметрально противоположные действие, заметно уменьшая последнюю.
Похожие диссертации на Влияние истории термомеханического нагружения на обратимое формоизменение образцов из эквиатомного никелида титана
