ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ В СОСТАРЕННЫХ ПОД РАСТЯГИВАЮЩЕЙ/СЖИМАЮЩЕЙ НАГРУЗКОЙ МОНОКРИСТАЛЛАХ СПЛАВА TiNi
|
Реферат
Введение 2
1 Старение под нагрузкой как эффективный способ управления
функциональными свойствами сплавов TiNi 5
1.1 Теория термоупругих и нетермоупругих мартенситных превращений.... 5
1.2 Развитие мартенситного превращения под нагрузкой 9
1.3 Влияние внешних одноосных напряжений на процессы старения и
микроструктуру сплавов TiNi 11
1.4 Функциональные свойства, состаренных под нагрузкой поли - и
монокристаллов сплава TiNi 18
2 Постановка задач исследования, материал исследования и методика
эксперимента 23
2.1 Постановка задач исследования 23
2.2 Методика эксперимента 26
3 Особенности проявления эффекта памяти формы в состаренных под
растягивающей/сжимающей нагрузкой монокристаллов сплава TiNi 29
3.1 Микроструктура состаренных в свободном состоянии и под нагрузкой
<111>-монокристаллов сплава Ti49.2Ni50.8 29
3.2 Влияние старения в свободном состоянии и под действием внешней нагрузки на функциональные свойства монокристаллов сплава Ti49.2Ni50.8 ... 38
Заключение 51
Список используемой литературы 54
Введение 2
1 Старение под нагрузкой как эффективный способ управления
функциональными свойствами сплавов TiNi 5
1.1 Теория термоупругих и нетермоупругих мартенситных превращений.... 5
1.2 Развитие мартенситного превращения под нагрузкой 9
1.3 Влияние внешних одноосных напряжений на процессы старения и
микроструктуру сплавов TiNi 11
1.4 Функциональные свойства, состаренных под нагрузкой поли - и
монокристаллов сплава TiNi 18
2 Постановка задач исследования, материал исследования и методика
эксперимента 23
2.1 Постановка задач исследования 23
2.2 Методика эксперимента 26
3 Особенности проявления эффекта памяти формы в состаренных под
растягивающей/сжимающей нагрузкой монокристаллов сплава TiNi 29
3.1 Микроструктура состаренных в свободном состоянии и под нагрузкой
<111>-монокристаллов сплава Ti49.2Ni50.8 29
3.2 Влияние старения в свободном состоянии и под действием внешней нагрузки на функциональные свойства монокристаллов сплава Ti49.2Ni50.8 ... 38
Заключение 51
Список используемой литературы 54
История исследования «умных» материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), обусловленным развитием термоупругих мартенситных превращений (МП) широка и разнообразна. Впервые эффект формовосстановления заметил Оландер А. на сплаве Au-Cd в 1932 г. На основе этого сплава в 1954 г. демонстрировался простой двигатель, который основан на преобразовании тепловой энергии в механическую. Спустя 22 года из этого сплава советские ученые В.Г. Курдюмов и Л.Г. Хандрос обнаружили явление термоупругого равновесия при мартенситных превращениях с одновременным обратимым изменением формы. Множественные открытия в области металловедения во второй половине XX века развеяли миф о том, что деформированный металл не возвращает первоначальную форму. Напротив, были открыты многие сплавы, обладающие ЭПФ, такие как: Au-Cd, Ni-Co, Ti-Nb, Fe-Ni, Cu-Al-Ni, Cu-Au-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Sn, Cu-Zn, Ni-Al, Fe-Pd, Ni-Ti. Несмотря на внушительное количество сплавов, обладающих этим уникальным свойством, сплавы на основе никелида титана являются лидером в практическом применение. Благодаря биосовместимости этот сплав имеет широкое применение в биомедицине, протезировании, стоматологии. Но область применения сплава на основе TiNi не ограничивается только медициной:
- Робототехника, исполнительные устройства и механизмы;
- Чувствительные термомеханические датчики;
- Приводы и исполнительные элементы устройств и механизмов;
- Элементы в системах обеспечения безопасности различных технологических процессов, функционирования зданий и промышленных помещений;
- Муфты для бессварного соединения трубопровода и других коммуникационных систем;
- Силовые элементы устройств для герметизации и уплотнения;
- Элементы противоударных и вибропоглощающих систем на автотранспорте и в виброустановках;
- Конструкция надводных и подводных кораблей;
- Преобразователи тепловой энергии в механическую работу;
- Активные элементы декоративно-рекламных устройств.
Такое богатое и широкое применение сплавов TiNi, TiNiX (X = Fe, Cu, Au, Pt, Pd, Hf) основывается на их технических и механических характеристиках, таких как: величина деформации, которая возвращается при нагреве до 10 %; полнота восстановления исходной формы; более 100 циклов «нагрев-охлаждение»; температурный интервал проявления ЭПФ от 77 до 800 К; предел прочности до 2200 МПа.
Современный мир имеет очень высокий темп развития техники и технологий. Основной задачей развития является совершенствование технологических процессов в целях улучшения качества технических устройств и создания ее новых видов. Поэтому важным и приоритетным направлением является улучшение функциональных свойств перспективных материалов с эффектом памяти формы. Одним из способов улучшиения свойства - ЭПФ и СЭ, а также управлять температурами термоупругих B2-R-B19' МП, является выделение частиц Ti3Ni4 при старении [1 - 3].
Использование монокристаллов TiNi для изучения термоупругих мартенситных превращений позволяет исключить влияние границ зерен на развитие мартенситных превращений и распределение дисперсных частиц Ti3Ni4. Старение под действием внешней нагрузки позволяет управлять тонкой структурой сплавов - числом кристаллографически эквивалентных вариантов линзообразных частиц Ti3Ni4 и их ориентацией относительно оси деформации. В ходе старения под нагрузкой происходит ориентированный рост когерентных частиц, локальные поля напряжений от которых суммируются [4]. Это приводит к появлению в материале внутренних дальнодействующих полей напряжения, которые в свою очередь приводят к изменению характеристических температур начала и конца прямого и обратного МП, благоприятствуют ориентированному росту кристаллов R - и B19' - мартенсита при охлаждении в свободном состоянии, появлению упругого двойникования и двустороннего эффекта памяти формы (ДЭПФ) [1, 3 - 5]. Но, несмотря на наличие работ по изучению эффектов старения под нагрузкой, систематических исследований по влиянию ориентированного роста частиц Ti3Ni4 в кристаллах TiNi на развитие термоупругих B2-R-B19' МП и функциональные свойства в зависимости от их размера и ориентации относительно оси деформации к настоящему времени проведено не было.
Данная работа посвящена исследованию влияния старения при 673 и 823 К в течение 1 ч под растягивающей/сжимающей нагрузкой 150 МПа, на приложенной вдоль [111]-направления, на закономерности развития термоупругих B2-R-B19' МП под нагрузкой и особенности проявления двустороннего эффекта памяти формы в монокристаллах сплава Ti49.2Ni50.8 (ат. %), ориентированных вдоль направления [111].
Научно-практическая значимость настоящих исследований заключается в развития теории термоупругих МП, так и в качестве рекомендаций инженерам, разрабатывающим устройства многократного действия, по выбору структурного состояния сплавов TiNi с заданными свойствами для обеспечения необходимых силовых и температурных режимов работы устройства.
- Робототехника, исполнительные устройства и механизмы;
- Чувствительные термомеханические датчики;
- Приводы и исполнительные элементы устройств и механизмов;
- Элементы в системах обеспечения безопасности различных технологических процессов, функционирования зданий и промышленных помещений;
- Муфты для бессварного соединения трубопровода и других коммуникационных систем;
- Силовые элементы устройств для герметизации и уплотнения;
- Элементы противоударных и вибропоглощающих систем на автотранспорте и в виброустановках;
- Конструкция надводных и подводных кораблей;
- Преобразователи тепловой энергии в механическую работу;
- Активные элементы декоративно-рекламных устройств.
Такое богатое и широкое применение сплавов TiNi, TiNiX (X = Fe, Cu, Au, Pt, Pd, Hf) основывается на их технических и механических характеристиках, таких как: величина деформации, которая возвращается при нагреве до 10 %; полнота восстановления исходной формы; более 100 циклов «нагрев-охлаждение»; температурный интервал проявления ЭПФ от 77 до 800 К; предел прочности до 2200 МПа.
Современный мир имеет очень высокий темп развития техники и технологий. Основной задачей развития является совершенствование технологических процессов в целях улучшения качества технических устройств и создания ее новых видов. Поэтому важным и приоритетным направлением является улучшение функциональных свойств перспективных материалов с эффектом памяти формы. Одним из способов улучшиения свойства - ЭПФ и СЭ, а также управлять температурами термоупругих B2-R-B19' МП, является выделение частиц Ti3Ni4 при старении [1 - 3].
Использование монокристаллов TiNi для изучения термоупругих мартенситных превращений позволяет исключить влияние границ зерен на развитие мартенситных превращений и распределение дисперсных частиц Ti3Ni4. Старение под действием внешней нагрузки позволяет управлять тонкой структурой сплавов - числом кристаллографически эквивалентных вариантов линзообразных частиц Ti3Ni4 и их ориентацией относительно оси деформации. В ходе старения под нагрузкой происходит ориентированный рост когерентных частиц, локальные поля напряжений от которых суммируются [4]. Это приводит к появлению в материале внутренних дальнодействующих полей напряжения, которые в свою очередь приводят к изменению характеристических температур начала и конца прямого и обратного МП, благоприятствуют ориентированному росту кристаллов R - и B19' - мартенсита при охлаждении в свободном состоянии, появлению упругого двойникования и двустороннего эффекта памяти формы (ДЭПФ) [1, 3 - 5]. Но, несмотря на наличие работ по изучению эффектов старения под нагрузкой, систематических исследований по влиянию ориентированного роста частиц Ti3Ni4 в кристаллах TiNi на развитие термоупругих B2-R-B19' МП и функциональные свойства в зависимости от их размера и ориентации относительно оси деформации к настоящему времени проведено не было.
Данная работа посвящена исследованию влияния старения при 673 и 823 К в течение 1 ч под растягивающей/сжимающей нагрузкой 150 МПа, на приложенной вдоль [111]-направления, на закономерности развития термоупругих B2-R-B19' МП под нагрузкой и особенности проявления двустороннего эффекта памяти формы в монокристаллах сплава Ti49.2Ni50.8 (ат. %), ориентированных вдоль направления [111].
Научно-практическая значимость настоящих исследований заключается в развития теории термоупругих МП, так и в качестве рекомендаций инженерам, разрабатывающим устройства многократного действия, по выбору структурного состояния сплавов TiNi с заданными свойствами для обеспечения необходимых силовых и температурных режимов работы устройства.
1. Экспериментально показано, что старение при 673 и 823 К в свободном состоянии [111]В2-монокристаллов сплава Ti49.2Ni50.8 приводит к росту четырех кристаллографических вариантов линзообразных частиц Ti3Ni4 с плоскостями габитуса типа {111}В2, размер которых определяется температурой старения. В процессе старения при 673 К, 1 ч выделяются частицы диаметром d = (15 ± 5) нм. При увеличении температуры старения до 823 К, 1 ч растут частицы диаметром d = (390 ± 30) нм и толщиной t = (65 ± 5) нм.
2. Приложение внешней сжимающей нагрузки 150 МПа вдоль [111]В2- направления при старении 673 и 823 К, 1 ч [111]В2-монокристаллов сплава Ti49.2Ni50.8 способствует росту одного варианта частиц Ti3Ni4 с нормалью к плоскости габитуса параллельной оси нагружения.
3. В [111]В2-монокристаллах сплава Ti49.2Ni50.8, состаренных при 673 и
823 К, 1 ч без и под сжимающей нагрузкой, температура начала B2-R превращения TR при охлаждении слабо зависит от режима старения и составляет TR = 298 ^ 308 К. Температура начала R-B19' мартенситного превращения Ms определяется размером и числом вариантов дисперсных Ti3Ni4, не испытывающих мартенситных превращений. Достижение высокого уровня накопленной обратимой энергии и повышение сил трения при движении межфазной границы за счет выделения наноразмерных частиц d = 15 нм
(старение при 673 К, 1 ч) приводит к меньшим на 40 ^ 50 К температурам Ms по сравнению с монокристаллами, содержащими частицы размером d = 390 нм (старение при 823 К, 1 ч).
4. Выделение одного варианта частиц Ti3Ni4 в [111]В2-монокристаллах Ti49.2Ni50.8, состаренных при 673 и 823 К, 1 ч под сжимающей нагрузкой 150 МПа по сравнению с кристаллами, старенными без нагрузки, приводит к:
- увеличению характеристических температур мартенситных
превращений на ~ 17 и 5 К, соответственно;
- сдвигу температурного интервала сверхэластичности в сторону более высоких температур и снижению критических напряжений образования B19'- мартенсита на 50 ^ 150 МПа при одинаковой температуре испытания;
- появлению двустороннего эффекта памяти формы. Образец при охлаждении в свободном состоянии испытывает деформацию от 1,8 до 2,6 %, которая является полностью обратимой при нагреве.
Это связано с существованием в состаренных под нагрузкой кристаллах внутренних дальнодействующих полей напряжений, образующихся за счет суммирования локальных полей напряжений от одного варианта частиц, которые составляют от 25 до 85 МПа. Тогда как в монокристаллах с четырьмя вариантами частиц локальные поля напряжений, возникающие из -за различия атомных параметров решеток частицы и матрицы, от различных вариантов частиц компенсируют друг друга.
5. Экспериментально показано, что при выделении наноразмерных частиц Ti3Ni4 (d = 15 нм, старение при 673 К, 1 ч) в [111]В2-монокристаллах Ti49.2Ni50.8 при исследовании эффекта памяти формы и сверхэластичности кривые о(е) и е(Т) характеризуются стадиями, связанными с развитием B2-R и R-B19' мартенситных превращений в различных интервалах температур и напряжений. В интервале температур Ms < T < TR для монокристаллов с одним вариантом наноразмерных частиц (старение под сжимающей нагрузки при 673 К, 1 ч) наблюдается эффект упругого двойникования R-мартенсита: в циклах нагрузка/разгрузка в температурном интервале Ms < T < TR псевдопластическая деформация до srev ~ 1,4 % является полностью обратимой при снятии нагрузки.
6. Впервые показано, что в состаренных при 673 К, 1 ч [111]B2- монокристаллах Ti49.2Ni50.8 под действием растягивающей и сжимающей нагрузки 150 МПа, приложенной вдоль [ 111].-направления (размер частиц d = 15 нм) наблюдается ДЭПФ с величиной обратимой деформации едЭПФ = (1,8 ± 0,3) %. Знак ДЭПФ не зависит от направления напряжений (растягивающие/сжимающие), приложенных в ходе старения вдоль [111]В2-
направления: размеры образца увеличиваются при охлаждении и
восстанавливаются свою форму при нагреве
В [111]-монокристаллах Ti49.2Ni50.8, состаренных при 823 К, 1 ч под действием растягивающей и сжимающей нагрузки 150 МПа (размер частиц d = 390 нм), величина ДЭПФ достигает 8дЭПФ = (2,5 ± 0,3) %. Знак ДЭПФ определяется направлением внешней нагрузки, приложенной при старении: в кристаллах, состаренных под сжимающей нагрузкой, наблюдается растягивающий ДЭПФ, то есть при охлаждении образец увеличивает свои размеры; в кристаллах, состаренных под растягивающей нагрузкой, наблюдается сжимающий ДЭПФ, то есть образец при охлаждении уменьшает свои размеры.
2. Приложение внешней сжимающей нагрузки 150 МПа вдоль [111]В2- направления при старении 673 и 823 К, 1 ч [111]В2-монокристаллов сплава Ti49.2Ni50.8 способствует росту одного варианта частиц Ti3Ni4 с нормалью к плоскости габитуса параллельной оси нагружения.
3. В [111]В2-монокристаллах сплава Ti49.2Ni50.8, состаренных при 673 и
823 К, 1 ч без и под сжимающей нагрузкой, температура начала B2-R превращения TR при охлаждении слабо зависит от режима старения и составляет TR = 298 ^ 308 К. Температура начала R-B19' мартенситного превращения Ms определяется размером и числом вариантов дисперсных Ti3Ni4, не испытывающих мартенситных превращений. Достижение высокого уровня накопленной обратимой энергии и повышение сил трения при движении межфазной границы за счет выделения наноразмерных частиц d = 15 нм
(старение при 673 К, 1 ч) приводит к меньшим на 40 ^ 50 К температурам Ms по сравнению с монокристаллами, содержащими частицы размером d = 390 нм (старение при 823 К, 1 ч).
4. Выделение одного варианта частиц Ti3Ni4 в [111]В2-монокристаллах Ti49.2Ni50.8, состаренных при 673 и 823 К, 1 ч под сжимающей нагрузкой 150 МПа по сравнению с кристаллами, старенными без нагрузки, приводит к:
- увеличению характеристических температур мартенситных
превращений на ~ 17 и 5 К, соответственно;
- сдвигу температурного интервала сверхэластичности в сторону более высоких температур и снижению критических напряжений образования B19'- мартенсита на 50 ^ 150 МПа при одинаковой температуре испытания;
- появлению двустороннего эффекта памяти формы. Образец при охлаждении в свободном состоянии испытывает деформацию от 1,8 до 2,6 %, которая является полностью обратимой при нагреве.
Это связано с существованием в состаренных под нагрузкой кристаллах внутренних дальнодействующих полей напряжений, образующихся за счет суммирования локальных полей напряжений от одного варианта частиц, которые составляют от 25 до 85 МПа. Тогда как в монокристаллах с четырьмя вариантами частиц локальные поля напряжений, возникающие из -за различия атомных параметров решеток частицы и матрицы, от различных вариантов частиц компенсируют друг друга.
5. Экспериментально показано, что при выделении наноразмерных частиц Ti3Ni4 (d = 15 нм, старение при 673 К, 1 ч) в [111]В2-монокристаллах Ti49.2Ni50.8 при исследовании эффекта памяти формы и сверхэластичности кривые о(е) и е(Т) характеризуются стадиями, связанными с развитием B2-R и R-B19' мартенситных превращений в различных интервалах температур и напряжений. В интервале температур Ms < T < TR для монокристаллов с одним вариантом наноразмерных частиц (старение под сжимающей нагрузки при 673 К, 1 ч) наблюдается эффект упругого двойникования R-мартенсита: в циклах нагрузка/разгрузка в температурном интервале Ms < T < TR псевдопластическая деформация до srev ~ 1,4 % является полностью обратимой при снятии нагрузки.
6. Впервые показано, что в состаренных при 673 К, 1 ч [111]B2- монокристаллах Ti49.2Ni50.8 под действием растягивающей и сжимающей нагрузки 150 МПа, приложенной вдоль [ 111].-направления (размер частиц d = 15 нм) наблюдается ДЭПФ с величиной обратимой деформации едЭПФ = (1,8 ± 0,3) %. Знак ДЭПФ не зависит от направления напряжений (растягивающие/сжимающие), приложенных в ходе старения вдоль [111]В2-
направления: размеры образца увеличиваются при охлаждении и
восстанавливаются свою форму при нагреве
В [111]-монокристаллах Ti49.2Ni50.8, состаренных при 823 К, 1 ч под действием растягивающей и сжимающей нагрузки 150 МПа (размер частиц d = 390 нм), величина ДЭПФ достигает 8дЭПФ = (2,5 ± 0,3) %. Знак ДЭПФ определяется направлением внешней нагрузки, приложенной при старении: в кристаллах, состаренных под сжимающей нагрузкой, наблюдается растягивающий ДЭПФ, то есть при охлаждении образец увеличивает свои размеры; в кристаллах, состаренных под растягивающей нагрузкой, наблюдается сжимающий ДЭПФ, то есть образец при охлаждении уменьшает свои размеры.
