ВУЗ: Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Материаловедение
Добавлен: 18.02.2019
Просмотров: 12629
Скачиваний: 123
56
Глава 3. Эффекты памяти формы и методы определения
термомеханических свойств и характеристик
3.1. Классификация эффектов памяти формы
В зависимости от того, изменение какого параметра является
определяющим в процессе возврата наведенной деформации, все эффекты,
связанные с восстановлением формы (ВФ), можно разделить на две группы:
1) ЭПФ, обусловленные термомеханическим возвратом;
2) ЭПФ, обусловленные механотермическим возвратом.
Первая группа эффектов обусловлена в основном изменением
температуры, а напряжение играет второстепенную роль, а вторая -
изменением напряжения, когда температура обеспечивает только
необходимые термодинамические условия. Естественно, что во всех
случаях наведение деформации происходит при приложении напряжения.
3.1.1 Эффекты, обусловленные термомеханическим возвратом
Эта группа эффектов связана с возвратом накопленной деформации в
процессе обратного МП при нагреве до температур выше А
К
. В зависимости
от способа наведения и механизма накопления деформации можно
выделить следующие эффекты.
Односторонний или необратимый ЭПФ. Классическим вариантом
необратимого ЭПФ является ВФ при нагреве после деформации образцов
со структурой атермического мартенсита (Т
Д
<М
К
) или мартенсита
напряжения (А
К
>Т
Д
>М
Н
). Вторым вариантом необратимого ЭПФ является
эффект, при котором накопление деформации происходит за счет
пластичности МП при охлаждении в интервале М
Н
-М
К
в присутствии
внешних напряжений.
Рассмотренный ЭПФ при различных способах наведения деформации
необратим в том смысле, что для его повторной реализации необходимо
провести повторное нагружение для накопления деформации (см. рис. 1.3а).
Основными характеристиками необратимого ЭПФ являются наведенная
деформация (ε
Н
), восстановленная деформация (ε
В
), степень ВФ (СВФ =
(ε
В
/ε
Н
) 100%) и температуры начала и конца ВФ (А
Н
В
и А
К
В
). При ВФ в
57
условиях внешнего противодействия определяют также удельную работу
(а
В
) или развиваемые реактивные напряжения (σ
Р
).
Обратимый эффект памяти формы. Этот эффект реализуется при
многократном термоциклировании через интервал, охватывающий прямое и
обратное МП (см. рис. 1.3 б). Существует два способа наведения обратимой
при термоциклировании деформации. Первый способ состоит в
термоциклировании в условиях действия внешнего напряжения, когда
накопленная за счет реализации пластичности прямого МП деформация
полностью или частично возвращается при нагреве при действии того же
внешнего напряжения. При такой схеме может быть достигнута
значительная (до 100%) обратимая деформация, величина которой, однако,
уменьшается с увеличением числа теплосмен. Во многих случаях после 10-
20 теплосмен возможна стабилизация величины обратимой деформации.
Второй способ состоит в предварительном воздействии на материал, в
результате которого создаются внутренние ориентированные напряжения,
обеспечивающие реализацию пластичности МП и возврат накопленной
деформации при обратном МП. В этом случае обратимая деформация
достигает 4%. Внутренние напряжения могут быть вызваны:
а) пластической деформацией материала в мартенситном состоянии
или состоянии исходной фазы;
б) однократным нагревом или охлаждением под постоянным
напряжением через интервал прямого и обратного МП;
в) термоциклированием под напряжением через интервал прямого и
обратного МП;
г) образованием дисперсных выделений в исходной фазе с
последующей пластической деформацией.
В литературе встречаются также названия: двухсторонний,
двунаправленный, двухпутевой эффект и многообратимая память формы.
Все они относятся к обратимому ЭПФ. Специфическим видом обратимого
ЭПФ является круговой ЭПФ и эффект реверсивно-обратимой памяти
формы.
58
3.1.2 Эффекты, обусловленные механотермическим возвратом
Эта группа эффектов связана с возвратом накопленной при
нагружении в изотермических условиях деформации при уменьшении или
изменении знака деформирующего напряжения. Она объединяется
понятием - псевдоупругость (ПУ) или сверхупругость, которые по сути
являются синонимами. В зависимости от механизма накопления и возврата
деформации, а также соотношения температуры, при которой производится
механическое воздействие, с характеристическими температурами МП
выделяют следующие основные виды псевдоупругости.
Сверхупругость (СУ). Этот эффект обусловлен образованием
мартенсита напряжения. Полный возврат накопленной деформации
происходит только при условии, что М
Н
σ
>Т
Д
>А
К
. При А
К
>Т
Д
>А
Н
только
часть деформации устраняется за счет СУ, а при Т
Д
<А
Н
СУ полностью
подавляется.
Сверхупругость мартенсит-мартенситных превращений. Этот эффект
не имеет специального названия, хотя по своей природе это -
сверхупругость, и для его обозначения целесообразно использовать термин
сверхупругость мартенсит - мартенситного превращения (СУММП). Его
суть состоит в том, что при нагружении в мартенситном состоянии
возможно накопление деформации за счет политипизма мартенситных
плотноупакованных структур, выражающегося в переходах одной
мартенситной структуры в другую путем изменения последовательности
укладки плотноупакованных плоскостей, и ее возврат при разгрузке (см.
рис. 2.4).
Разновидностями сверхупругости являются также ферроупругость и
резиноподобное поведение, которые появляются при нагружении в
мартенситном состоянии.
Ферроупругость (ФУ). Она обусловлена накоплением и возвратом
деформации при знакопеременном нагружении в мартенситном состоянии.
Площадь образующейся петли (подобно петле магнитного гистерезиса
ферромагнетиков) характеризует механическую энергию, рассеянную
мартенситной структурой за один цикл деформирования, и определяет ее
демпфирующую способность (рисунок 3.1).
59
Р
Ti-50Ni
3.2.1 К
К
которы
эффект
[6, 7].
услови
химиче
было и
различ
достато
стандар
сравни
констр
настоя
констр
зачасту
исполь
Рисунок 3.1
в мартенси
3.2. Т
Какие сво
Как было
ый включ
ты памят
. Перечи
иях (темпе
еского со
использов
чных кон
очных дл
ртизиров
ивать разл
рукции и
щее вре
руктор и и
ую приво
ьзования м
1. Диаграмм
итном сост
Термомех
ойства ис
о показан
чает в себ
и формы
исленные
ература, д
остава и ст
вать мате
нструкци
ля описан
анных м
личные м
ее характ
емя таки
инженер-
одит к н
материал
ма цикличе
тоянии (кру
ханическ
пам
спользуют
пам
но в п. 3
бя много
, пластич
явления
давление,
труктуры
ериалы с
ий необх
ния прояв
методов и
материалы
теристики
их станд
-технолог
непонима
ов с памя
еского знак
учение при
кие свойс
мяти фор
т для оп
мяти фор
.1 ЭПФ
проявлен
чность пр
я реализу
, схема и
ы самого м
с памятью
ходимо
влений ЭП
их опред
ы и рассч
и при разл
дартов н
г по-своем
анию, ош
ятью форм
копеременн
и 20ºС) [8, с
ства мате
рмы
исания м
рмы?
является
ний – обр
ревращени
уются пр
степень д
материала
ю формы
иметь н
ПФ термо
деления.
читывать
личных у
нет и
му оценив
шибкам и
мы.
ного дефор
стр. 204]
ериалов с
материал
обобщен
ратимый
ия, сверх
ри разли
деформац
а. Для тог
(МПФ)
набор н
омеханич
Они дол
их повед
условиях э
каждый
вает свой
и трудно
рмирования
с эффекто
лов с эфф
нным пон
и необра
хупругост
ичных вн
ции) и зав
го, чтобы
для разр
необходим
ческих сво
лжны поз
дение в г
эксплуата
исследо
йства МП
остям ши
я сплава
ом
фектом
нятием,
атимый
ть и др.
нешних
исят от
можно
работки
мых и
ойств и
зволять
готовой
ации. В
ователь,
ПФ. Это
ирокого
60
Следует отметить, что МПФ трудно, а зачастую не нужно, оценивать
комплексом механических свойств, который является стандартным для
обычных конструкционных материалов (предел временной прочности,
предел текучести, относительное удлинение и сужение, твердость, ударная
вязкость и др.). Эти свойства для МПФ сильно зависят от температуры
испытаний, предыстории достижения этой температуры (достигнута в
процессе нагрева или охлаждения), величины и скорости деформации и т.п.
В зависимости от этих условий в материале могут развиваться или нет
обратимые мартенситные превращения, меняя величины прочностных,
пластических и других механических свойств материала в несколько раз.
Поэтому в нормативных документах на МПФ эти свойства приводят в
очень широком диапазоне, что делает невозможным оценку качества
материала и их использование в расчетах при проектировании конструкций.
Необходимо понять, что работоспособность конструкций из таких
функциональных материалов как МПФ будет определяться не комплексом
механических свойств, а специальными термомеханическими свойствами.
Мы постараемся определить основные термомеханические свойства
МПФ на основе личного опыта работы с этими материалами, общения с
другими исследователями, конструкторами и технологами, работающими в
этой области и анализа отечественных и зарубежных публикаций.
Для начала необходимо ввести уточняющие понятия. В том случае,
когда мы говорим о материале с ЭПФ как таковом или в виде
полуфабрикатов (лист, проволока, пруток и пр.) мы будем рассуждать о
термомеханических свойствах. Когда речь будет вестись об образцах или
готовых
изделиях,
мы
будем
говорить
о
термомеханических
характеристиках
конкретного
объекта.
Принципиально
термомеханические
характеристики
изделия
определяются
термомеханическими свойствами материала, а также конструкцией
(дизайном) изделия и особенностями измерения самих характеристик.
Задача материаловедов заключается в том, чтобы дать конструкторам
надежный алгоритм - как по термомеханическим свойствам материала
рассчитать термомеханические характеристики проектируемого изделия.