Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Сплавы с памятью формы, их свойства и применение 6
1.2. Мартенситные превращения в TiNi и FeMn 8
1.3. Недостатки сплавов на основе FeMn и способы борьбы с ними 12
1.4. Модели для описания поведения СПФ 16
1.5. Микроструктурные модели В.А. Лихачева - В.Г. Малинина и А.Е.
Волкова 19
1.6. Обратимые и необратимые дефекты кристаллической решетки 22
Глава 2. Моделирование поведения FeMn сплавов 25
2.1. Цель работы 25
2.2. Описание микроструктурной модели для FeMn 26
2.2.1. Модель представительного объема материала с МП 26
2.2.2. Описание кинетики МП 29
2.2.3. Накопление дефектов в процессе аккомодации мартенсита
и условия микропластического течения 31
2.3. Схема расчета 33
Глава 3. Моделирование функционально-механического поведения сплава
FeMn: расчеты и анализ результатов 35
Заключение 43
Список литературы
В 50-х годах был открыт новый вид сплавов - сплавы с памятью формы (СПФ). Разнообразие функциональных свойств СПФ позволяют решать многочисленные материаловедческие и инженерные задачи. Именно поэтому материалы этого класса находят широко применение в различных областях медицины и техники как элементы силовых и исполнительных механизмов, в самосооружающихся при изменении температуры конструкциях, при соединении труб, для гашения вибраций и т.д. [1]
В конце XX века уже более 20 материалов были причислены к СПФ, а на сегодняшний день известно уже около 120. Возможность практического применения этих сплавов появилась только тогда, когда этот эффект был обнаружен в сплаве TiNi. Этот сплав, наряду с функциональными свойствами (память формы, псевдоупругость, обратимая память формы, способность генерировать реактивные напряжения), обладает достаточной прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Позже эффект памяти формы был обнаружен во многих материалах. При этом было установлено, что, кроме сплавов на основе TiNi и на основе меди (CuAlNi, CuAlMn, CuAlBe и др.), наиболее перспективными для практических приложений являются сплавы FeMn с содержанием марганца около 17%. Эти сплавы обладают памятью формы, хорошо поддаются механической обработке (в отличие от TiNi и сплавов на его основе), а присущий им широкий гистерезис превращения может быть полезен в специальных приложениях, требующих стабильности в большом интервале температур. Немаловажную роль играет и тот факт, что стоимость сплавов на основе железа и марганца существенно ниже стоимости сплавов TiNi. Вопросы экономии выходят на первый план, когда речь идет о массовом производстве или об изготовлении массивных изделий, таких, например, как демпферы и изоляторы вибрации, используемые для защиты зданий и сооружений от землетрясений.
Память формы и другие функциональные свойства сплавов FeMn были хорошо изучены к концу 20-го века. С переходом от лабораторных исследований к практическому применению возник ряд проблем, связанных, в первую очередь, с низким коэффициентом возврата деформации и низкой коррозионной стойкостью. В 1982 году А. Сато был открыт эффект памяти формы в сплавах Fe-Mn-Si [2]. Было показано, что увеличение доли кремния приводит к росту возвращаемой деформации. Разработка новых способов легирования сплава и его термомеханической обработки позволила существенно улучшить функциональные и механические характеристики сплава, а также повысить его коррозионную стойкость. Это привело к повышению интереса к данным сплавам.
К настоящему времени имеется множество экспериментальных результатов, касающихся сплавов на основе FeMn, но модели, полностью описывающей и прогнозирующей их механическое поведение при мартенситном превращении, не существует. Поэтому моделирование функциональных свойств сплавов типа FeMn является актуальной темой исследования.
На основе положений апробированного ранее микроструктурного подхода разработана модель функционально-механического поведения сплавов с памятью формы на основе FeMn, учитывающая специфику ГЦК— ГПУ превращения, а также накопление деформационных дефектов при микропластической деформации.
Решены следующие задачи:
• сформулированы определяющие соотношения для описания фазовой и микропластической деформации, а также эволюции дефектов при прямом и обратном мартенситных превращениях.
• на основе полученных соотношений, составлена и отлажена компьютерная программа, для расчета поведения FeMn сплавов.
• подобраны значения материальных констант, на основе имеющихся экспериментальных данных;
• выполнено моделирование эффекта пластичности превращения при
охлаждении и нагреве; эффекта памяти формы; эффекта памяти формы после активной деформации; циклического знакопеременного
нагружения; термоциклирования под постоянной нагрузкой, а также с разгрузкой при нагреве.
Показано, что результаты моделирование находятся в хорошем качественном соответствии с имеющимися экспериментальными данными.
По результатам работы будет сделан доклад на международной конференции European Conference of Fracture - ECF21 (20-24 июня 2016 г, Катания, Италия). Принята к печати статья в журнале “Procedia Structural Integrity”.
