Накопление необратимой деформации при многократных теплосменах в никелиде титана: эксперимент и расчет

УДК 669.017.01

НАКОПЛЕНИЕ НЕОБРАТИМОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ МНОГОКРАТНЫХ ТЕПЛОСМЕНАХ В НИКЕЛИДЕ ТИТАНА: ЭКСПЕРИМЕНТ И РАСЧЕТ

© С.П. Беляев, А.Е. Волков, М.Е. Евард, Н.Н. Реснина, А.В. Сибирев

Ключевые слова: никелид титана; накопление необратимой деформации; термоциклирование; мартенситные превращения, сплавы с эффектом памяти формы.

Исследованы особенности накопления необратимой деформации при термоциклировании сплава с эффектом памяти формы через интервал мартенситных превращений под постоянной нагрузкой 50 и 200 МПа. Представлен расчет накопления необратимой деформации при теплосменах через интервал мартенситных превращ е-ний, выполненный на основе структурно-аналитической теории прочности.

Сплавы с памятью формы, в частности никелид титана, обладают уникальными функциональными свойствами. Во время охлаждения под нагрузкой они способны накапливать большую деформацию, а при последующем нагреве восстанавливать исходные размеры. Причиной является то, что сплавы с памятью формы испытывают термоупругие мартенситные превращения. Никелид титана в аустенитной (высокотемпературной) фазе имеет В2 решетку, упорядоченную по типу CsCl, а при низкой температуре - моноклинную решетку - В19\ Существует 24 кристаллографически эквивалентных варианта перехода В2 ^ В19’. При отсутствии внешних воздействий образование каждого варианта равновероятно. В случае если на образец действуют внешние напряжения, то при превращении более вероятным будет образование тех вариантов мартенсита, у которых сдвиг сонаправлен с действующим напряжением. Таким образом, при теплосменах под нагрузкой в образце из сплава с памятью формы будет наблюдаться обратимое макроскопическое формоизменение. При охлаждении деформация будет накапливаться (эффект пластичности превращения - ЭПП), а при нагреве - деформации будет восстанавливаться (эффект памяти формы - ЭПФ).

При многократных теплосменах через интервал мартенситных превращений наблюдается необратимое накопление деформации. Это связано с тем, что во время прямого мартенситного превращения в области растущей мартенситной пластины создаются высокие локальные напряжения, которые могут превышать дислокационный предел текучести. В этом случае происходит необратимое движение дефектов кристаллической решетки (дислокаций) и, следовательно, накопление деформации. При эксплуатации устройств, созданных с применение сплавов с памятью формы, такие процессы являются нежелательными, т. к. они приводят к изменению геометрических размеров рабочего тела, а также меняют функциональные свойства сплава. Поэтому исследование особенностей накопления необратимой деформации при многократных тепло-сменах и разработка методов ее снижения является актуальной задачей материаловедения, что и стало целью данной работы.

Исследование проводили на проволочных образцах сплава ИМ диаметром 0,5 мм. Детальное описание образцов и характеристик сплава дано в работе [1]. Образцы были подвергнуты термоциклированию под постоянным растягивающим напряжением 50 или 200 МПа так, чтобы температурный интервал прямого мартенситного превращения при охлаждении охватывался либо полностью, либо частично на 0,25; 0,5 или

0,75 от своей величины. Были получены зависимости деформации от температуры, по которым определяли величины ЭПП и ЭПФ и вычисляли величину необратимой деформации в каждом цикле. Также был выполнен расчет накопления необратимой деформации при термоциклировании с использованием структурноаналитической теории прочности, основные положения которой представлены в [2].

0 10 20 30 дг

Рис. 1. Зависимости накопленной необратимой деформации от числа циклов при термоциклировании образцов сплава под постоянным напряжением 50 МПа. Сплошные линии -экспериментальные данные, пунктирные линии - расчетные

Материальные константы для расчета выбирали по экспериментальным данным, полученным при термо-циклировании сплава ИМ через полный температурный интервал мартенситного превращения под постоянным напряжением 50 МПа.

2031

На рис. 1 представлены экспериментальные (сплошные линии) и теоретические (пунктирные линии) зависимости накопленной необратимой деформации от числа циклов при термоциклировании через различную долю температурного интервала мартен-ситного превращения под постоянным напряжением 50 МПа. Видно, что с увеличением числа циклов при термоциклировании накопление необратимой деформации происходит немонотонно, с постепенно уменьшающимся темпом. Прирост необратимой деформации уменьшается тем быстрее, чем меньшая доля температурного интервала прямого превращения реализовалась во время термоциклирования. Так, например, при термоциклировании через 0,25 и 0,5 долю температурного интервала превращения накопление необратимой деформации происходит только в первых 2 циклах, тогда как при термоциклировании через полный температурный интервал превращения необратимая деформация не достигает постоянного значения даже к 30 циклу. Также величина накопленной деформации немонотонно зависит от доли температурного интервала превращения. За 30 термоциклов через полный интервал превращения накапливается 0,57 % деформации, тогда как после 30 термоциклов через 0,25 доли температурного интервала она равна 0,06 %, а для 0,5 и 0,75 эти значения составляют 0,14 % и 0,32 %, соответственно. Расчет показал удовлетворительное качественное и количественное совпадение с экспериментом.

0 10 20 30 N

Рис. 2. Зависимости накопления необратимой деформации от числа циклов при термоциклировании образцов сплава TiNi под постоянным напряжением 200 МПа. Сплошные линии -экспериментальные данные, пунктирные линии - расчетные

На рис. 2 представлены экспериментальные (сплошные линии) и теоретические (пунктирные линии) зависимости накопленной необратимой деформации от числа циклов при термоциклировании через различную долю температурного интервала прямого мартенситного превращения под постоянным напряжением 200 МПа. Увеличение напряжения приводит к значительному росту значений накапливаемой деформации. Так, значение деформации к 30 циклу при тер-

моциклировании через полный температурный интервал превращения достигает 41 %. Тем не менее, уменьшение доли температурного интервала превращения позволяет значительно снизить это значение. На рис. 2 видно, что к 30 циклу при термоциклировании через 0,25 температурного интервала перехода накапливается 7 % необратимой деформации. При этом скорость накопления деформации с некоторого числа циклов становится постоянной, но не достигает нуля даже при термоциклировании через 0,25 доли температурного интервала. Расчетные зависимости, полученные для случая 200 МПа, также показали неплохое соответствие с экспериментальными данными.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Основное накопление необратимой деформации происходит в первых циклах. При действующем постоянном напряжении 50 МПа при термоциклировании через 0,25 и 0,5 температурного интервала прямого мартенситного превращения значение необратимой деформации становится постоянным после первых 2-х циклов.

2. Большая часть необратимой деформации накапливается в последней четверти температурного интервала прямого мартенситного превращения. Аккомодация мартенсита на первых этапах превращения происходит упруго, пластическая аккомодация в основном происходит на завершающем этапе превращения.

3. Увеличение напряжения, действующего во время термоциклирования, значительно повышает величину необратимой деформации.

4. Расчет, выполненный на основе структурноаналитической теории прочности, показал удовлетворительное совпадение с экспериментом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Belyaev S., Resnina N., Sibirev A. Peculiarities of residual strain accumulation during thermal cycling of TiNi alloy // Journal of Alloys and Compounds. Elsevier B.V., 2012. V. 542. P. 37-42.

2. Terriault P., Trouchu F., Volkov A.E. Structure-analytical model // Shape Memory Alloys: Fundumentals, Modeling and Industrial Applications / ed. by F. Trochu et al. Quebec City: Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, 1999. P. 586-634.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (госконтракт № 14.132.21.1405).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Belyayev S.P., Volkov A.E., Evard M.E., Resnina N.N., Sibirev A.V. RESIDUAL STRAIN ACCUMULATION DURING THERMAL CYCLING OF TITANIUM NICKELIDE ALLOY: EXPERIMENT AND SIMULATION

TiNi alloy wire samples were subjected to thermal cycling under constant stress of 50 and 200 MPa through the temperature range of complete and incomplete forward martensitic transformation. Experimental and model dependences of residual strain accumulation are presented.

Key words: TiNi; residual strain accumulation; thermal cycling; martensitic transformation; shape memory alloys.

2032