Мартенситные превращения и обратимая деформация в биметаллическом композите ti 49,3Ni 50,7-ti 50ni 50

УДК 669.017.3

МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ОБРАТИМАЯ ДЕФОРМАЦИЯ В БИМЕТАЛЛИЧЕСКОМ КОМПОЗИТЕ ^49,3^7-^^

© С.П. Беляев, В.В. Рубаник, Н.Н. Реснина, В.В. Рубаник мл., И.В. Ломакин

Ключевые слова: биметаллический композит, никелид титана, эффект памяти формы, сварка взрывом.

Исследована кинетика мартенситных превращений и изменение величины обратимой деформации в биметалле ^49,3№50,7-ТО0№50, изготовленном сваркой взрывом и подвергнутом отжигу при температуре 600 °С.

В работе [1] было показано, что метод сварки взрывом может быть успешно использован для соединения сплава и стали. Это открыло перспективы для

создания термочувствительных биметаллических элементов с памятью формы, способных работать в качестве термомеханических приводов. При термоциклиро-вании предварительно деформированного биметаллического композита с эффектом памяти формы через интервал мартенситного превращения наблюдается обратимое формоизменение [2, 3]. Это обусловливается тем, что при нагревании сплав с памятью формы восстанавливает заданную деформацию и деформирует упругий стальной слой. В композите возникает напряжение. При охлаждении в напряженном слое сплава реализуется эффект пластичности превращения, вследствие чего биметалл деформируется в противоположном направлении, а напряжение релаксирует. В ходе последующих термоциклов описанные процессы повторяются, и наблюдается обратимое формоизменение композита. Влияние величины предварительной деформации на функциональные свойства биметаллического композита «^М-сталь» описано в работах [2, 3]. Установлено, что величина обратимой деформации биметалла при термоциклировании может достигать 1 %, что в пять раз больше, чем величина эффекта обратимой памяти формы в сплаве при прочих равных условиях.

Из самых общих соображений становится очевидным, что величина обратимой деформации зависит от способности «пассивного» компонента биметалла упруго деформироваться. В связи с этим представляется эффективным использование в качестве такого компонента псевдоупругого материала, который при активном деформировании аккумулирует большую упругую энергию. Таким материалом может являться сплав с небольшим избытком никеля относительно эквиа-томного состава. Его химический состав должен быть подобран таким образом, чтобы при предварительном деформировании и в процессе термоциклирования сплав находился в аустенитном состоянии.

В настоящей работе представлены результаты изучения мартенситных превращений и способности обратимо деформироваться при термоциклировании в интервале температур мартенситных переходов биметаллического композита ^49,зМ50,7-^50М50. Соединение двух сплавов получено сваркой взрывом.

Температура, С

Рис. 1. Калориметрические кривые, полученные при охлаждении и нагреве биметаллического композита сразу после сварки и после отжига при температуре 600 °С в течение одного часа

Результаты исследования фазовых превращений с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии показали, что после сварки мартенситные превращения в значительной степени подавлены, однако последующая термообработка способствует их восстановлению (рис. 1). Подобное изменение кинетики мартенситных превращений, протекающих в композите, связано с тем, что отжиг приводит к устранению дефектов кристаллической структуры, возникших при пластической деформации в процессе сварки [4]. После отжига при температуре 600 °С в течение одного часа в биметалле наблюдается следующая картина мартенситных превращений: пик А на рис. 1, соответствует B2 ^ B19, превращению в слое ^50М50 с температурами Мн = 52 °С и Мк = 31 °С, пик B соответствует B2 ^ B19, превращению в слое с темпера-

турами Мн = -13 °С и Мк = -33 °С. Пик С, соответствующий обратному превращению B19, ^ B2 в слое ^^М^, имеет температуры Ан = 3 °С и Ак = 23 °С, а пик D, соответствующий обратному превращению B19, ^ B2 в слое ^50№50, имеет температуры Ан = 65 °С и Ак = 88 °С.

2029

0,25

я-

а

о>

0,15

g ь 4 1

9 4 4 4 >

m

10

20

30

N

Рис. 2. Зависимость величины обратимой деформации биметаллического композита от числа термоциклов

U

о

of

Он

Н

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

-o-mk- --A . -A-A

A

\ i " A

L A L

г h [ 1

'.-I.

„ г 1 1 1 1

/ о \ 1 о / * С 1 r

1 1 1 1 1

10

20

N

30

Рис. 3. Зависимость температур начала и окончания формоизменения биметаллическом композита от числа термоциклов

Для того чтобы исследовать способность биметалла накапливать деформацию при охлаждении и восстанавливать при нагреве, проводили следующие эксперименты. Биметаллический композит деформировали методом трехточечного изгиба в испытательной машине Lloyd LR30k при температуре 55 °С, при которой слой с избытком никеля находился в аустенитном состоянии, а эквиатомный слой - в мартенситном, до величины деформации 4,2 %. После предварительного деформирования образец нагревали до температуры 120 °С для того, чтобы реализовать в нём эффект памяти формы. Далее производили термоциклирование в интервале температур от +20 до +120 °С так, чтобы в слое эквиатомного состава происходило обратимое превращение B2 ^ B19’, а слой с избытком никеля находился в аустенитном состоянии. При этом последний выполнял роль упругого (псевдоупругого) элемента в композите. Термоциклирование производили тридцать раз.

На рис. 2 представлена зависимость величины обратимой деформации образца от номера термического цикла. Видно, что в первом термоцикле величина обратимой деформации составляет 0,18 % и ее значение увеличивается к десятому циклу до 0,25 %. Далее значение этой величины несколько снижается, и в тридцатом цикле величина обратимой деформации составила 0,22 %. На зависимостях температур начала и окончания формоизменения от числа циклов (рис. 3) видно, что температуры понижаются на 5-10 °С с увеличением числа циклов.

Таким образом, результаты работы показали, что биметаллический композит Ti49,3Ni50,7-Ti50Ni50, полученный сваркой взрывом, обладает способностью к обратимому формоизменению при переменах температуры в интервале температур мартенситных переходов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Stainless Steel Compound Material, made by Explosive Welding. Rolf Prummer, Dieter Stuckel in Fundamental issues and applications of shock-wave and high-strain-rate phenomena / ed. by K.P. Staundham-mer, L.F. Murr, M.A. Meyers. Elsevier, 2001.

2. Belyaev S., Rubanik V., Resnina N., Rubanik V.(jr), Rubanik O., Borisov V., Lomakin I. Functional properties of bimetal composite of “stainless steel - TiNi alloy” produced by explosion welding // Physics Procedia. 2010. V. 10. P. 52-57.

3. Беляев С.П., Рубаник В.В., Реснина Н.Н., Рубаник мл. В.В., Ломакин И.В., Рубаник О.Е. Влияние предварительной деформации на функциональные свойства биметаллического композита «TiNi-сталь» // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 1152-1155.

4. Belyaev S., Rubanik V., Resnina N., Rubanik V.Jr., Rubanik O., Borisov V. Martensitic transformation and physical properties of “steel-TiNi” bimetal composite, produced by explosion welding // Phase Transitions. 2010. V. 83. № 4. P. 276-283.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Belyayev S.P., Rubanik V.V., Resnina N.N., Rubanik jr V.V., Lomakin I.V. MARTENSITIC TRANSFORMATIONS AND RECOVERABLE STRAIN IN Ti49,3Ni50,7-Ti50Ni50 BIMETAL COMPOSITE

Martensitic transformation kinetics and values of recoverable strain in bimetal composite Ti49 3Ni507-Ti50Ni50 at 600 °C welding are investigated.

Key words: bimetal composite; TiNi; shape memory effect; explosion welding.

2030