Роль пластической деформации в стабилизации структуры и функциональных свойств никелида титана

УДК 669.018.2

РОЛЬ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СТАБИЛИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ НИКЕЛИДА ТИТАНА

М.А.Хусаинов, Н.В.Петров, О.А.Малухина

THE INFLUENCE OF PLASTIC DEFORMATION ON STABILIZATION OF THE STRUCTURE AND FUNCTIONAL PROPERTIES OF TITANIUM NICKELIDE

М.А.Khusainov, N.V.Petrov, О.А.Malukhina

Политехнический институт НовГУ, Mikhail.Khusainov@novsu.ru

Изучено влияние пластической деформации на характер формирования функциональных свойств в интервале полного мартенситного превращения в нагруженном состоянии. Показана возможность стабилизации структуры и свойств сплавов никелида титана в условиях жесткого защемления (k^x) при деформации 24%.

Ключевые слова: функциональные свойства, мартенсит, аустенит, стабилизация структуры, защемление, эффект памяти формы, деформация, устойчивость

This paper presents the data on the influence of plastic deformation on the formation of functional properties in the interval of complete martensitic transformation under load. The authors show the possibility of stabilizing the structure and properties of titanium nickelide alloys under rigid restraint (k^x) at the deformation of 24%.

Keywords: functional properties, martensite, austenite, structure stabilization, restraint, shape memory effect, deformation, stability

Введение

В связи с широким применением в технике и медицине сплавов никелида титана в качестве термочувствительных и термосиловых элементов, возникают вопросы, связанные с обеспечением стабильности структуры и свойств в процессе их эксплуатации. Работоспособность активных элементов из сплавов Т№ с эффектом памяти формы в строго заданном интервале температур определяется устойчивостью фаз аустенита и мартенсита [1]. Существенную роль в стабилизации играет состав сплава, так как любое отклонение от эквиатомного состава приводит к изменению характеристических температур мартенситного превращения [2] и, как следствие, к сужению или уширению интервала мартен-ситных превращений (МП). Некоторую роль в стабилизации аустенита выполняют процессы, связанные с релаксацией напряжений, вызванных ранее образовавшимися кристаллами мартенсита. Известно [3], что новые кристаллы мартенсита образуются в деформированном аустените и наследуют его дефекты. Сильное влияние на структурную устойчивость мартенсита оказывают температура и действующее напряжение, а также образование промежуточной фазы ^-мартенсита [4]. Показано также, что слабая предварительная деформация (2-4%) активизирует мартенситное превращение, а значительная деформация стабилизирует аустенит. В работе [5] показано, что комбинация пластической деформации и термической обработки может обеспечить

стабильные дислокационные конфигурации и высокие механические свойства не только при комнатной, но и при повышенных температурах. В данной работе представлены результаты исследования, посвященные пластическому деформированию проволочных образцов D = 0,4 мм в целях формирования устойчивой структуры с высоким уровнем функциональных свойств.

Материалы и методика экспериментов

Исследования проводились на проволочных образцах D = 0,4 мм после теплового волочения. Все образцы, взятые из бухты, предварительно подвергались отогреву до температуры 350°С при ст = 150 МПа с выдержкой в течение 10 мин. Температуры МП после такой обработки при ст = 120МПа: Му = 41 °С, М, = 60°С, А, = 80°С, Ау = 98°С, и механические свойства по диаграмме растяжения Стф = 150 МПа, ств = 810 МПа, 5 = 20%.

Диаграммы деформирования на 24% с последующим жестким защемлением представлены на рис.

В работе рассматриваются три варианта пластического деформирования (ПД): с жестким защемлением в мартенсите (рис. а), в аустените (рис. Ь) и поочередно в мартенсите затем в аустени-те (рис. с) с выдержкой в каждом фазовом состоянии 10 мин.

На первом этапе исследуемые образцы деформировались в аустенитном состоянии по АВ активно приложенной нагрузкой 4 кг. На втором этапе пла-

а)

Ь)

с)

Последовательность пластического деформирования проволочных образцов (АВСD) с жестким защемлением в мартенсите (а), аустените (Ь), в мартенсите и затем в аустените (с) с выдержкой в защемленном состоянии, разгрузкой и с записью контрольных гистерезисов при о = 120 МПа. Отдельно приведены гистерезисы после вылеживания в течение 96 ч при о = 120 МПа

стическое деформирование продолжалось с реализацией эффекта пластичности прямого МП по ВС. В положении точки С напряжение 557 МПа доводит деформацию до 24%. В таком состоянии образцы жестко защемлялись с выдержкой в течение 10 мин. Увеличение выдержки до 30 мин и более снижало деформацию памяти формы и расширяло интервал полного МП. Поэтому в данных исследованиях длительность выдержки в условиях защемления образца была принята равной 10 мин. По окончании выдержки производилась разгрузка образца до уровня начальной деформации 10-12%. В целях оценки качества стабилизации структуры записывались три петли

термомеханического гистерезиса при о =120 МПа. Затем проволочные образцы, прошедшие вышеизложенную термопластическую обработку, подвергались вылеживанию при о = 120 МПа в мартенсите.

Анализ гистерезисных кривых показал, что все три варианта ПД с общей деформацией в 23-25% способствуют формированию устойчивой структуры, стабилизирующей функциональные свойства. Гистерезисы МП становятся замкнутыми на первом цикле и многократно повторяются при циклировании. После вылеживания гистерезисы имеют тенденцию к сужению при небольшом уменьшении деформации эффекта памяти формы.

К наиболее благоприятному режиму можно отнести вариант, предусматривающий заневолива-ние образца с выдержкой 10 мин в мартенситном состоянии, обеспечивающий высокий уровень обратимой памяти — 7,7%, и после вылеживания — 7,0%. При этом формируется устойчивая петля гистерезиса, многократно повторяющаяся при заданном напряжении (см. рис. а). При условиях защемления в аустените еэпф снижается до уровня 6% и 5,6% после вылеживания. Вариант ПД с защемлением в мартенсите 10 мин, затем в аустените 10 мин, занимает среднее положение. Деформация памяти формы после ПД (рис. Ь) — 7,3% и после вылеживания — 6,6%.

Выводы

1. Разработана методика стабилизации структуры и функциональных свойств сплавов никелида титана посредством пластического деформирования до больших значений 23-25% с жестким защемлением.

2. Общим для всех вариантов стабилизации функциональных свойств является заметное сужение петли гистерезиса при малых изменениях температур МП.

3. Установлен наиболее эффективный вариант стабилизации, обеспечивающий высокий уровень обратимой деформации памяти формы, который

включает пластическую деформацию в 23-25% и жесткое защемление (к^ж) в мартенсите.

1. Eggeler G., Hornbogen E., Yawny A. et. al. Structural and functional fatigue of NiTi shape memory alloys // Material Science & Engineering: A. 2004. V.378. P.24-33.

2. Hosonda H., Hanada S., Inoue K. et. al. Martensite transformation temperatures and mechanical properties of ternary NiTi alloys with off stechiometric compositions // Intermetal-lics. 1998. V.6. P.291-301.

3. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во ЛГУ. 1987. С.197-205.

4. Лотков А.И., Гришков В.Н. Никелид титана, кристаллическая структура и фазовые превращения // Известия вузов. Физика. 1985. № 5. С.71-75.

5. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. М.: Металлургия, 1971. С.265-267.

Bibliography

1. Eggeler G., Hornbogen E., Yawny A. et. al. Structural and functional fatigue of NiTi shape memory alloys // Material Science & Engineering: A. 2004. V.378. P.24-33.

2. Hosonda H., Hanada S., Inoue K. et. al. Martensite transformation temperatures and mechanical properties of ternary NiTi alloys with off stechiometric compositions // Intermetal-lics. 1998. V.6. P.291-301.

3. Likhachev V.A., Kuz'min S.L., Kamentseva Z.P. Effekt pa-miati formy. L.: Izd-vo LGU. 1987. S.197-205.

4. Lotkov A.I., Grishkov V.N. Nikelid titana, kristallicheskaia struktura i fazovye prevrashcheniia // Izvestiia vuzov. Fizika. 1985. № 5. S.71-75.

5. Bokshtein S.Z. Stroenie i svoistva metallicheskikh splavov. M.: Metallurgiia, 1971. S.265-267.