Эффект памяти формы в TiNi при термоциклировании внутри температурного интервала мартенситно-аустенитного превращения

УДК 539.4

ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В TiNi ПРИ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИИ ВНУТРИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА МАРТЕНСИТНО-АУСТЕНИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

© С.П. Беляев, М.Ю. Демина, Л.Н. Курзенева

Россия, Санкт-Петербург, Институт математики и механики СПбГУ Сыктывкар, Сыктывкарский Лесной институт Санкт-Петербургской лесотехнической академии

Belyaev S.P., Demina M.U., Kurzeneva L.N. Shape memory effect in TiNi in incomplete interval of martensite-austenite transformation. The experimental investigations of shape memory effect in TiNi in incomplete interval of phase transitions are carried out. Contraction of thermomechanical loop and reduction of temperature As are discovered with reduction of temperature interval of thermocycling under loading. If direct martensite reaction stopped a recovery of deformation would bedin practically instantly and it was necessary to achieve temperature Ms that formed austenite had been transformed in martensite. After repeated thermocycling within range Mf - Af material «remembered» way of changing shape and as a result particular point appeared on a curve у - T when deformation is restored.

В последнее время появился ряд экспериментальных [1-4] и теоретических [5, 6] работ, посвященных изучению термомеханических свойств металлов с эффектом памяти формы в неполном интервале мартен-ситно-аустенитного превращения. Подобного рода исследования важны как в практическом отношении, так как позволяют прогнозировать работу конкретного материала в устройствах и приспособлениях различного назначения, так и в теоретическом плане, поскольку деформационное поведение связано с кинетикой мар-тенситных кристаллов и, следовательно, со структурным состоянием сплава.

В данной работе приведены результаты экспериментального исследования эффекта памяти формы в почти эквиатомном никелиде титана (45,8 Т1 54,2 N0 с характеристическими температурами Мн = 345 К, Д/А. = 295 К, Ан = 375 К, Ак = 425 К в ограниченном температурном интервале. Использовали сплошные цилиндрические образцы радиусом г = 2 мм, длиной / = 34 мм. При температуре 450 К, выше температуры А„ металл нагружали постоянным крутящим моментом, соответствующим касательному напряжению т = 50 МПа, а затем термоциклировали под этой нагрузкой, то есть проводили охлаждение, сменяемое нагревом материала. Выбор именно этого значения т был обусловлен тем, что, с одной стороны, напряжения такого порядка, как показано в [8], не должны приводить в никелиде титана к сдвигу характеристических температур, с другой - величина применяемого напряжения должна быть достаточна, чтобы повлиять на кинетику мартенситных реакций, если материал деформировать в неполном температурном интервале. Скорость нагрева и охлаждения составляла 1 К/мин; выполняли четыре термоцикла под нагрузкой, варьируя температуры начала и конца охлаждения и нагрева.

В первом режиме (рис. 1), независимо от того, при какой температуре прекращали нагрев и начинали охлаждение, температура начала прямого превращения в каждом термоцикле была близка к 345 К (разброс составлял 8 К с тенденцией к увеличению), как и в пер-

вом термоцикле. Температура начала обратной мартен-ситной реакции Ан уменьшалась с уменьшением температуры окончания нагрева, как показано на рис. 2. Наблюдалось сужение температурно-деформационной петли, т. е. уменьшение ширины гистерезиса Г (рис. 2). Наличие гистерезиса связано с существованием в кристаллах стопоров, тормозящих движение межфазной границы. По-видимому, предварительное термоцикпи-рование под нагрузкой с постепенно уменьшающимся по величине размахом деформации приводит к уменьшению силы трения, и следовательно, уменьшению величины гистерезиса. Ползучесть материала за четыре термоцикла составила 2 %.

Во втором режиме деформирования (рис. 3) температуры начала прямой мартенситной реакции практически совпадали во всех четырех термоциклах. Возврат формы начинался сразу после завершения охлаждения и начала нагрева, а заканчивался при разных температурах: если в первом термоцикле Ак = 425 К,

Температура.К

1-й термоцикл —О—2-й термоцикл —О—3-й термоцикл —— 4-й термодел —5-й термоцикл

Рис. 1. Температурно-деформационный гистерезис при тер-моциклировании под нагрузкой т = 50 МПа.

Рис. 2. Влияние величины интервала термоциклирования ДТ на ширину гистерезиса Г и температуру Ан.

Температура, К

—О— 1-й термоцикл —— 2-й термоцикл

---•----3-й термоцикл

—û— 4-й термоцикл

Температура, К

—1-й термоцикл —£*— 2-й термоцикл

—О— 3-й термоцикл —*— 4-й термоцикл

—О— 5-й термоцикл —X—6-й термоцикл

—•— 7-й термоцикл —О— 8-й термоцикл

—Ж— 9-й термоцикл

Рис. 3, рис. 4. Температурно-деформационный гистерезис при термоциклировании под нагрузкой т = 50 МПа.

то в четвертом Ак = 390 К. Форма гистерезисной фигуры в координатах у - Т со второго термоцикла изменилась: исчезла симметрия петли, правая ее ветвь стала более пологой и не параллельна левой ветви.

Результаты опытов показывают, что существует различие в кинетике мартенситных реакций прямого и обратного направлений: если остановить прямую реакцию, то возврат формы начинается всегда практически одновременно с нагревом материала (термоциклы 2, 3, 4 на рис. 3), а для преобразования аустенита в мартенсит необходимо достичь температуры Мн (рис. 1, термоциклы 2, 3, 4, 5).

Многократное термоциклирование под нагрузкой внутри температурного интервала Мк - Ак (рис. 4) приводит к тому, что прямая и обратная мартенситные реакции начинаются одновременно с охлаждением или, соответственно, нагревом материала, в результате чего гистерезисная фигура в координатах у - Т «вырождается» практически в петлю, не имеющую участков, соответствующих насыщению деформации. Процесс нагрева завершали во всех термоциклах приблизительно при температуре 383 К, материал «запомнил» эту точку, и при возврате формы в последнем термоцикле заметна особенность на графике вблизи этой температуры (рис. 4, термоцикл 9).

Результаты опытов, приведенных на рис. 1 и рис. 3, хорошо согласуются с теоретическими расчетами, опубликованными авторами работ [4, 6, 7], а также с данными, полученными с помощью пакета программ «Деформация изотропного кристаллического твердого тела», разработанного в лаборатории прочности материалов НИИММ СПбГУ. Моделирование режима, соответствующего рис. 4, позволяет говорить лишь о качественном соответствии теоретических зависимостей у - Тс экспериментом, поскольку при расчетах получались малые петли гистерезиса, аналогичные приведенным в работах [3, 4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Хусаинов MA., Беляков В.Н. II Петли гистерезиса при неполном мартенситном превращении: Сб. докл. / Материалы с эффектом памяти формы и их применение. Новгород - Ленинград, 1989. С. 37-39.

2. Лихачев В.А., Мачинин В.Г., Овчаренко С.Я. II Термомеханический гистерезис в сплавах CuAlMn в неполном интервале температур фазовых превращений: Сб. докл. / Материалы с новыми функциональными свойствами. Новгород - Боровичи, 1990. С. 96-98.

3. Khusainov М.А., Belyakov V.N. II Properties of form memory in incomplete interval of martensite transformations: Сб. докл. / Материалы с эффектом памяти формы: 1 Российско-Американский семинар и XXXI семинар «Актуальные проблемы прочности». С.-Пб., 1995. Ч. I.C. 115-125.

4. Хусаинов М.А., Беляков В.Н. Влияние термомеханической обработки на форму малых петель гистерезиса // Там же. Ч. 1. С. 105-108.

5. Хусаинов М.А., Беляков В.Н. Изменение фазового состава сплава TiNi в неполном интервале марпгенситных превращений //Там же. С. 109-111.

6. Лихачев В.А.. Малинин В.Г., Малинина H.A. И Эффекты пластичности превращения и памяти формы при термоциклировании в неполном интервале мартенситного превращения: Сб. докл. / Функционально-механические свойства материалов. Псков, 1993. С. 230-235.

7. Волков A.E.. Лихачев В.А. // Мартенситная неупруг ость, реализующаяся при вариациях температуры в ограниченном интервале: Сб. докл. / Материалы с эффектом памяти формы: I Российско-Американский семинар и XXXI семинар «Актуальные проблемы прочиоста». С.-Пб., 1995. Ч. II. С. 41-46.

8. Лихачев В.А., Кузьмин СЛ., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. 216 с.