Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в авиакосмической, транспортной, медицинской технике и других отраслях машиностроения внедряются интеллектуальные материалы, обладающие специфическими функциональными свойствами. К таким материалам относятся сплавы с эффектом запоминания формы (ЭЗФ), которые способны в определённом температурном интервале восстанавливать свою форму, измененную предварительной деформацией. В процессе восстановления формы эти сплавы могут развивать реактивные напряжения и совершать работу. Материалы, обладающие ЭЗФ, используются для изготовления термочувствительных датчиков и терморегуляторов, элементов силовых приводов, термомеханических соединений, трансформирующихся конструкций и др.
В основе проявления ЭЗФ лежит обратимое мартенситное превращение (МП). Кристаллография и кинетика мартенситного превращения при деформации и термическом воздействии определяют основные характеристики ЭЗФ. Поэтому неоднократно предпринимались попытки разработки математических моделей, позволяющих описывать мартенситное превращение на основе кристаллографических параметров исходной и образующейся фаз, с целью прогнозирования характеристик ЭЗФ. Однако, созданные до настоящего времени модели затрагивают лишь отдельные стороны явления (кристаллогеометрию образующегося мартенситного кристалла и деформацию превращенной формы исходной фазы или среднюю деформацию поликристалла и т.п.) и не могут быть использованы для прогнозирования свойств конкретных изделий на базе данных о кристаллогеометрии мартенситного превращения. Кроме того, существующие модели позволяют оценивать характеристики ЭЗФ только для сплавов с конкретным химическим составом и не дают возможности прогнозировать их изменение при варьировании химического состава и кристаллической структуры мартенсита. Это в полной мере относится как к "классическим" сплавам с ЭЗФ на основе никелида титана, так и к сплавам на основе титана, в которых этот эффект обнаружен недавно. В то же время сравнение теоретически рассчитанных величин накопленной и восстановленной деформации с экспериментально наблюдаемыми характеристиками ЭЗФ позволит выявить причины неполного восстановления формы, а. следовательно, найти способы снижения неблагоприятных факторов и разработать
технологические рекомендации по выбору химического состава, обработке и использованию полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе титана и никелида титана, обеспечивающие повышение комплекса их специальных свойств.
Цель работы.
Цель настоящей работы состояла в теоретическом анализе кристаллогеометрических параметров мартенситных превращений и экспериментальном исследовании их взаимосвязи с характеристиками эффекта запоминания формы сплавов на основе титана и ннкелида титана для уточнения принципов легирования сплавов и разработке технологических способов их термической обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Уточнить существующие математические модели мартенситных превращений для обеспечения возможности расчета кристаллогеометрических и деформационных параметров мартенситных превращений типа 6-их', В-кх", В2->В19, В2-»В19' и B2-+R в монокристаллах и поликристаллах сплавов на основе титана и никелида титана.
-
Исследовать взаимосвязь кристаллогеометрических параметров мартенситных превращений с характеристиками эффекта запоминания формы сплавов на основе титана и никелида титана различных систем и степени легирования.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований мартенситных превращений и эффекта запоминания формы уточнить принципы легирования титановых сплавов с повышенным комплексом специальных свойств.
-
Исследовать влияние структуры и текстуры полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана на расчетные и экспериментально определенные характеристики эффекта запоминания формы с целью выбора оптимальных параметров их обработки и схем деформирования для реализации ЭЗФ, позволяющих реализовать максимальный уровень восстановления формы.
Научная новизна.
-
На основе анализа и модернизации существующих математических моделей накопления деформации при P-xi', Р-хх." МП в сплавах иа основе титана и В2->В19. В2->В19', B2-»R МП в сплавах на основе никелида титана разработана новая методика и алгоритм расчета, позволяющие по периодам кристаллических решеток исходной и образующейся фазы рассчитать индексы габитусных плоскостей, системы двойни-кования, накапливаемую деформацию в конкретном кристаллографическом направлении монокристалла и среднюю накапливаемую для поликристалла.
-
Установлено влияние системы и степени легирования титановых сплавов на кристаллогеометрические параметры мартенситных превращений и характеристики эффекта запоминания формы. Показано, что основными причинами, приводящими к неполному восстановлению формы образцов по-сравнению с расчетными характеристиками являются: дислокационный механизм вторичной деформации при образовании а'-мартенсита: низкая термическая стабильность фаз в малолегированных ^-стабилизаторами сплавах; образование и-фазы в сплавах критического состава: стабилизация Р-фазы к мартенситному превращению под нагрузкой в сильнолегированных (3-стабилизаторами сплавах: развитие процессов дислокационного скольжения при формоизменении образцов.
-
Установлено, что дополнительное легирование систем Ti-p-изоморфный стабилизатор алюминием в количестве 10%1 и Р-эвтектоидообразующим элементом хромом в количестве 1% способствует увеличению восстанавливаемой степени деформации за счет подавления образования ю-фазы в сплавах критического состава и более полного формоизменения образцов по мартенситному механизму за счет повышения напряжений, необходимых для развития скольжения.
-
Разработана методика расчета накапливаемой при МП деформации в тек-стурованных полуфабрикатах из сплавов на основе никелида титана при различных схемах нагружения. Экспериментальные исследования влияния текстуры и схемы вырезки образцов в горяче- и холоднокатаных листах сплава эквиатомного состава показали адекватность предложенной методики расчета.
1 Здесь и далее по тексту содержание легирующих злемсігтов приведемо в атомных * .
Практическая значимость.
-
Разработан состав сплава на основе титана (Ті-10А1-12V-1 Сг), в котором после деформации сжатием и нагрева со скоростью не менее 0,1 К/с в интервале температур 120 - 250С восстанавливается 3,5% деформации, что на 0,5 - 0,7% выше, чем у известных титановых сплавов.
-
Разработаны технологические рекомендации по термической обработке листовых полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана, позволяющей в зависимости от химического состава сплава обеспечивать требуемые температуры восстановления формы в интервале от 60 до 110С в сплавах эквиатомного состава и от -140 до 30С в сплавах с 52 % Ni.
-
Разработаны технологические рекомендации по выбору геометрии изготовления изделий из текстурованных полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана и оптимальные схемы их деформации, позволяющие реализовать восстанавливаемую деформацию от 72 до 80% максимально возможной накапливаемой при МП деформации.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 13 научно-технических конференциях и конгрессе.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, обших выводов ло работе, списка использованной литературы из 102 наименований и приложения. Изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 11 таблиц.
Диссертационная работа выполнена при научной консультации доцента, к.т.н. Коллерова М.Ю.
