МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

Вводные замечания

Сплавы с памятью формы (СПФ) открыты

СПФ 1950-1960г в США Ливерморская лаборатория.

Свойство

Если СПФ продеформировать нагрузками за предел упругости при некоторой не высокой температуре и снять нагрузки, материал остаётся продеформированный. Если теперь нагреть этот материал, то деформация исчезает. Материал вспомнит свою первоначальную форму – свойство памяти формы.

Причины уникальных механических свойств СПФ

Причина такого поведения СПФ связана с его микроструктурой, с происходящими в СПФ (твёрдотельными) фазовыми переходами. При этом меняется кристаллическая структура твёрдого тела.

Фазовые состояния сплава с памятью формы

Сплав с памятью формы в простейшем случае может находиться в двух фазовых состояниях

1. Фазовое состояние-Аустенит

Высокая температура, высокая прочность, высокая жёсткость, объемно центрированная кубическая решетка (ОЦК).

Рис. 1.1

2. Фазовое состояние- Мартенсит

Низкая температура, низкая прочность, низкая жёсткость, моноклинная структура с искажениями. Ячейка моноклинной структуры с искажениями представляет собой непрямоугольный параллелепипед. Условно аустенитную кристаллическую ячейку можно изображать на плоскости в форме квадрата, а мартенситную – в форме параллелограмма (см. рис. 1.2).

Фазовые превращения в СПФ

Рис. 1.2

Рис.1.2.а

На рисунке изображены (а) аустенит при высокой температуре и (б)мартенсит после прямого превращения без напряжений, взяты из работы Yinong Liu and D.Favier ( Stabilisation of martensite due to shear deformation via variant reorientation in polycrystalline TiNi, Acta mater.48(2000) 3489-3499).

Фазовые превращения в СПФ делятся на прямые и обратные (рис. 1.2).

1. Прямое превращение – переход из аустенитной фазы в мартенситную. Происходит при охлаждении от температуры до температуры . Прямое превращение может происходить также при постоянной температуре в случае роста механических напряжений (см. раздел «Сверхупругость).

2. Обратное превращение – переход от мартенсита до аустенита. Происходит при нагреве от до . Обратное превращение может также происходить при постоянной температуре вследствие уменьшения напряжений (см. раздел «Сверхупругость»).

Диаграмма фазового перехода

Параметр фазового состояния – объемная доля мартенсита , в аустенитном состоянии q = 0, в мартенситном состоянии q = 1. При прямом превращении растет от нуля до единицы при понижении температуры от до (рис. 1.3). При обратном превращении величина убывает от единицы до нуля при возрастании температуры от до рис. 1.3.

Рис. 1.3

Рис.1.3.а

На рисунке изображены прямое и обратное превращение под действием постоянного напряжения ( -деформация после прямого превращения, - деформация после обратного превращения и - остаточная деформация), взятый из работы Y. Suzuki, Ya Xu, S. Morito, K. Otsuka, K. Mitose (Effects of boron addition on microstructure and mechanical properties of Ti–Td–Ni high-temperature shape memory alloys, Materials Letters 36_1998. 85–94).

Влияние на диаграмму фазового перехода действующих механических напряжений.

Фазовые превращения в СПФ называются термоупругими фазовыми превращениями (термоупругими мартенситными превращениями), поскольку на протекание этих превращений существенное влияние оказывают действующие механические напряжения.

При приложении к СПФ механических напряжений диаграмма перехода меняется, она смещается в сторону более высоких температур (см. рис. 1.4).

Рис. 1.4

В большинстве случаев . Величина может быть больше чем , а может быть меньше чем . То же самое можно сказать и о величинах и . Часто для величины используют линейное выражение через действующие напряжения вида

(1.1)

где для . Если , , º C то по формуле (1.1) получается º C

Рис.1.4.а

На рисунке показывается зависимость температур перехода от напряжений для проволоки с диаметром 0.5mm из СПФ(Ti50Ni50) после отжига при температуре за 1.8ks, взятый из работы X.D.Wu, G.J.Sun, J.S.Wu (The nonlinear relationship between transformation strain and applied stress for nitinol, Materials Letters 57(2003) 1334-1338).

Явление памяти формы

Если образец, имеющий деформацию после прямого превращения нагревать то после достижения увеличивающейся температурой значения (температура начала обратного превращения) при дальнейшем нагреве деформация начинает уменьшаться (образец вспоминает свою форму). При полном обратном превращении (т.е > ) деформация исчезает либо полностью (если она была небольшой) либо не полностью (т.е остаётся некоторая небольшая деформация – если до обратного превращения деформация была достаточно велика).

Для того, чтобы при прямом превращении накапливались деформации формоизменения надо чтобы были приложены напряжения. Для того, чтобы эти деформации исчезли при обратном превращении напряжения не нужны. Более того, исчезновение деформации будет и в случае, когда приложены напряжения, и в случае, если они не приложены и в случае, когда приложены напряжения противоположного знака.

Рис.а

Прямое и обратное превращение под действием различных напряжений после отжига 1173 K за 3.6 ks (a) СПФ (b) СПФ. Диаграмма взята из работы Y.Suzuki, Ya.Xu, S.Morito, K.Otsuka, K.Mitose (Effects of boron addition on microstructure and mechanical properties of Ti-Td-Ni high-temperature shape memory alloys, Materials Letters 36(1998) 85-94).

Явление сверхупругости

Пусть образец из сплава с памятью формы, находящийся в аустенитом состоянии (достаточно высокая температура) нагружается при постоянной температуре (т.е изотермически) возрастающим напряжением. Сначала с ростом напряжения образец деформируется упругую.Потом, при достижении напряжением некоторого значения начинается резкий нелинейный рост деформаций при небольшом увеличении напряжений. После того, как деформации достигли некоторого значения, начинается обычное упругое деформирование (одновременной рост и деформаций и напряжений. Это происходит при напряжении .

Если в некоторой точке (A) при прекратить рост напряжений и начать их уменьшать, то сначала деформация будет уменьшаться с уменьшением напряжений по линейному закону (до точки (B), для которой .При дальнейшем уменьшении напряжений деформации начнут резко уменьшаться при очень маленьком уменьшении напряжений до значения . Дальнейшее уменьшение напряжений от до 0 приводит к упругому уменьшению деформаций. Это явление называется явлением сверхупругости. Резкий рост деформаций при возрастании напряжений от значения похож на пластическое деформирование материала. Однако есть большая разница между явлениями сверхупругости и пластичности.

1 Напряжение растет с ростом температуры (достаточно интенсивно). Предел текучести (для пластичности) падает с ростом температуры.

2 При снятии напряжений деформация сверхупругости исчезает. Пластическая деформация при снятии напряжений остается (рис1.12, 1.13).

Рис1.12

Рис.1.13

Явление сверхупругости наблюдается не при всех температурах. Оно имеет место при . Если то деформационная петля имеет вид, изображенный на рис. 1.14, т.е. деформация при разгрузке исчезает не до конца. Чтобы убрать оставшуюся деформацию, материал надо нагреть до температуры .(рис.1.14).

Если то при разгрузке деформация совсем не будет сниматься. Чтобы её снять, надо образец опять нагреть до .(рис.1.15).

Рис.1.14

Если то материал не будет находится в аустенитом состоянии и явление сверхупругости не возможно. Для явления пластичности нагрев никогда не приводит к снятию деформации.

Рис1.15

Можно дать следующее качественное объяснение явления сверхупругости.

Образец из СПФ в аустенитом состоянии при изотермически нагружается возрастающим напряжением. Сначала происходит упругое деформирование. Потом при начинается интенсивный рост деформаций при небольшом увеличении напряжений. Этот процесс продолжается до напряжения . Дальнейшее увеличение напряжений выше проводит к резкому упрочнению.

Если при начать уменьшать напряжения, то сначала будет упругая разгрузка с мартенситным модулем меньшим, чем аустенитный модуль первоначального нагружения. Когда напряжение уменьшиться до , начнется резкое уменьшение деформаций при незначительном уменьшении напряжений до значения . Дальнейшее уменьшение напряжений приводит к упругой разгрузке.(рис.1.16).

Рис.1.16.а

Кривые сверхупругости при некоторых температурах для Cu-Al-Ni. Диаграмма взята из работы J.San Juan, M.L.No ( Damping behavior during martensitics transformation in shape memory alloys, Journal of Alloys and Compounds 355(2003) 65-71).

Рис.1.16б

Сверхупругость при температуре (T=343K) для Ti-50.2at%Ni после отжига (T=723K), взятый из работы Yinong Liu, Yong Liu and Jan Van Humbeeck ( Luders-Like Deformation Associated With Martensite Reorientation In NiTi, Scripta Materialia, Vol.39, No.8, pp. 1047-1055, 1998).

Почему при росте напряжений от до деформация резко возрастает, а при падении напряжений, от до деформация резко подает? Чтобы понять это рассмотрим, как меняется диаграмма перехода при росте и падении напряжений. Начальное положение диаграммы перехода изображено на рис.1.17.

Рис.1.17

Точка О на диаграмме растяжения рис.1.16 соответствует значениям .

При росте напряжений диаграмма перехода двигается вправо. Материал будет вести себя упруго, пока точка не совпадет с точкой .

Рис. 1.18

Точка (A) диаграммы растяжения соответствует равенству .

При дальнейшем росте напряжений диаграмма перехода смещается дальше вправо (рис. 1.18). Точка, изображающая фазовый состав материала будет вынуждена двигаться вверх по диаграмме (т.к она не может находиться слева от диаграммы). Следовательно, будет расти величина q и происходит прямое превращение, вызванное не охлаждением, а ростом напряжений. При этом действует возрастающее напряжение , следовательно, должны накапливаться деформации прямого превращения. Именно поэтому при росте напряжений выше наблюдается резкий рост деформаций.

При каком напряжении начинается резкий рост деформаций?

Найдем это напряжение из условия . Но . Следовательно отсюда получаем

(1.2)

Следуя (2) фазовый предел текучести линейно возрастает с ростом температуры.

Прямое превращение и связанный с ним рост деформаций прекратится, когда величина q достигнет значения 1.

В этой точке должно быть (рис.1.19).

Рис. 1.19

Рис. 1.19 соответствует точке (B) диаграммы растяжения, рис. 1.16. Значение можно определить следующим образом: (1.3)

Рассмотрим, что происходит при разгрузке (уменьшении напряжений )

При уменьшении напряжений диаграмма начнет двигаться влево вдоль оси температур. До тех пор, пока точка не совпадет с точкой. фазового перехода не будет, будет обычная упругая разгрузка по прямой BC рис.1.16. Точка С диаграммы соответствует рис.1.20.

Рис.1.20

При дальнейшем уменьшении диаграмма двигается влево. Точка, изображающая фазовый состав материала должна опустить вниз. q уменьшается и происходит обратное превращение вызванное не нагревом, а уменьшением напряжений. Напряжение при котором начинается обратное превращение находиться из условия или или . Поскольку начинается обратное превращение, то за счет явления памяти формы деформация уменьшается, чем и объясняется резкое падение деформации на участке CD. Обратное превращение закончится, когда величина совпадет с (точка D на диаграмме рис.1.16). Соответстсвующее положение диаграммы фазового перехода изображено на рис.1.21.