Понятие о реактивных напряжениях

Пусть образец в мартенситом состоянии имеет фазовую деформацию. Он жестко закрепляется в устройстве, которая мешает ему деформироваться. После этого образец нагревается через интервал температур обратного превращения.В нем начнется явление памяти формы. Он будет стараться снять фазовую деформацию. Например, если в процессе прямого превращения он удлинился, то он будет стараться укоротиться. Но захваты не дают ему укоротиться. Тогда в образце возникнут большие растягивающие напряжения. Эти напряжения называются реактивными. Реактивные напряжения возникают в СПФ, когда материалу не дают “вспомнить свою форму”. Реактивные напряжения в (Нитинол)( ) могут доходить до 800МПа (в некоторых СПФ реактивные напряжения могут доходить до 1300МПа. В некоторых случаях реактивные напряжения могут привести к разрушению образца.

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.

Положение диаграммы перехода, соответствующее точке D на диаграмме деформирования когда обратное превращение заканчивается.

Значение можно найти из условия или, если

то , .

 

Рис.1.21

При дальнейшем снижении напряжений фазового перехода не будет, а будет просто упругая разгрузка, т.е участок DE диаграммы деформирования.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: