ВУЗ: Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Материаловедение
Добавлен: 18.02.2019
Просмотров: 12614
Скачиваний: 123
61
Необходимо выделить несколько групп основных термомеханических
свойств материала – температурные, деформационные, силовые и
энергетические.
3.2.2 Температурные свойства МПФ
Это одни из самых важных свойств МПФ, поскольку определяют как
условия предварительного изменения формы материала, так и условия
восстановления формы.
К основным температурным свойствам материала будут относиться
температуры прямого (М
Н
и М
К
) и обратного (А
Н
и А
К
) мартенситного
превращения. Они могут быть определены по температурным изменениям
различных физических свойств (электросопротивлению, теплоемкости,
магнитной восприимчивости и др.). Стандарт ASTM F2004 - 05(2010).
«Standard Test Method for Transformation Temperature of Nickel-Titanium
Alloys by Thermal Analysis» рекомендует использовать сканирующую
калориметрию, когда по изменению поглощения или выделения тепла, при
нагреве и охлаждении, определяется температуры обратного и прямого
превращения, соответственно. Однако, необходимо учитывать, что эти
характеристики зависят от деформации и напряжений в материале. Если на
материал действует усилие, то в нем возникают напряжения, которые
согласно уравнению Клаузиуса-Клапейрона будут изменять температуры
равновесия мартенситной и аустенитной фазы, а, соответственно,
температуры начала и конца превращений. Напряжения в материале могут
возникать и под действием внутренних причин (неоднородность
химического состава, деформационные искажения кристаллической
решетки, упругие напряжения от выделения вторых фаз и т.п.). Они меняют
температуры мартенситных переходов и обуславливают формирование
обратимого (двухпутевого) эффекта памяти формы.
Степень деформации при реализации ЭПФ (
при растяжении,
сжатии и изгибе,
при кручении) также влияет на температурные
характеристики. Это в основном, связано с тем, что по мере увеличения
степени деформации постепенно исчерпывается объем кристаллов наиболее
благоприятно ориентированных по отношению к направлению нагрузки.
Для того, чтобы превращение при последующей деформации
62
продол
результ
О
восстан
образу
мартен
мартен
напряж
темпер
напряж
Восста
осущес
степен
восстан
Р
деформа
С
оказыв
против
реакти
мартен
быть р
заневол
постеп
произо
против
лжалось,
тате этого
От темпе
новления
ующиеся
нсита бу
нситного
жениях
ратуры п
жениях и
ановление
ствляется
ь деформ
новления
Рисунок 3
ации.
Существе
вают усл
водействи
ивные нап
нситного
различной
ленном
пенно в
ойдет по
водействи
необход
о повыша
ератур м
я формы.
при уве
удут им
превращ
мартенси
перехода
деформа
е формы
я в диапаз
мации и
я формы, р
3.2. Зависи
енное вл
ловия н
ие восста
пряжения
превращ
й. Если н
состояни
зависим
олное в
ия), или н
димо уве
аются тем
мартенсит
Отличия
еличении
меть ра
щения. Во
итные
в аусте
ациях – н
ы при
зоне темп
напряжен
рисунок 3
имость те
лияние н
нагрева.
ановлени
я (
р
), ко
щения. Ж
нагрев по
ии, то
мости от
осстановл
не будет
еличивать
мпературы
тного пре
между ни
напряж
азличающ
озникающ
кристалл
енит, бл
наиболее
нагреве
ператур (
ний, тем
3.2.
емператур
на темпе
Если в
ию форм
оторые по
Жесткость
олуфабри
реактив
т жестко
ление ф
достигну
ь напряж
ы мартенс
евращени
ими буду
жений и
щиеся т
щие при
лы
име
лизкие к
высокие
деформ
(А
Н
В
и А
К
шире эт
восстанов
ературы
в проце
мы, то в
овышают
противо
иката или
вные на
ости про
формы (
уты напря
жения в
ситного п
ия завися
ут заключ
деформа
температу
малых
ют
наи
к А
Н
, а
(как пра
мированн
К
В
). Прич
тот интер
вления фо
восстано
ссе нагр
в матери
температ
одействия
и изделия
пряжения
тиводейс
(при мал
яжения с
матери
превращен
ят темпе
чаться в т
ации кри
уры обр
деформац
иболее
при бо
авило выш
ного мат
чем, чем б
рвал темп
ормы от
овления
рева со
иале возн
атуры обр
я также
я происх
я повыш
ствия, по
лой жес
скольжени
але. В
ния.
ературы
ом, что
исталлы
ратного
циях и
низкие
ольших
ше А
К
).
териала
больше
ператур
степени
формы
здается
никают
ратного
может
ходит в
шаются
ока не
сткости
ия (при
63
большой жесткости противодействия). В последнем случае полного
восстановления формы не произойдет даже после разгрузки изделия, а в
некоторых случаях возможно его разрушение. При этом температура конца
восстановления формы будет значительно выше температуры А
К
.
Поэтому температуры прямого (М
Н
и М
К
) и обратного (А
Н
и А
К
)
мартенситного превращения характеризуют материал при нормальном
давлении без деформации. Температуры, при которых начинается и
заканчивается процесс накопления деформации при охлаждении (М
Н
и
М
К
) и температуры восстановления формы (А
Н
В
и А
К
В
) определяются
условиями, при которых полуфабрикат или изделие было охлаждено,
деформировано, а затем нагрето.
Следовательно, целесообразно разделять температурные свойства
материала (М
Н
, М
К
, А
Н
, А
К
) и характеристики конкретного полуфабриката
или изделия (М
Н
, М
К
, А
Н
в
, А
К
в
). В первом случае температуры
определяются без предварительной деформации материала и при
нормальном давлении, а во втором необходимо строго оговаривать схему,
степень предварительной деформации, а также условия восстановления
формы.
3.2.3 Деформационные свойства МПФ
Деформационные свойства определяют величину формоизменения
полуфабриката или изделия при восстановлении формы. Они будут
определяться схемой, степенью и условиями деформации материала, а
также условиями его нагрева (скорость нагрева, наличие противодействия и
т.п.) при восстановлении формы. Необходимо выделить следующие
параметры:
Н
,
Н
– наведенная деформация,
ост
,
ост
– остаточная деформация;
В
,
В
– восстановленная деформация;
У(СУ)
,
У(СУ)
– разность между наведенной и остаточной деформацией.
Последний параметр определяет величину формоизменения материала при
разгрузке. В зависимости от температуры формоизменения эта величина
может значительно изменяться. При температурах деформации ниже А
Н
64
разгрузка МПФ происходит по обычному упругому механизму и
формоизменение определяется только упругой деформацией и обозначается
У
или
У
. При температурах выше А
К
в МПФ при нагрузке образца
образуется, а при разгрузке исчезает мартенсит в результате чего
реализуется сверхупругость материала. Поэтому разность наведенной и
остаточной деформации определяется не только упругой, но и сверхупругой
деформацией и должно обозначаться
СУ
,
СУ
.
В интервале температур А
Н
А
К
при разгрузке мартенсит переходит в
аустенит только частично, поэтому сверхупругость реализуется не
полностью, но для формоизменения целесообразно использовать
СУ
или
СУ
.
Величина восстановленной деформации (
В
) изменяется в процессе
нагрева МПФ. При этом остаточная деформация материала снижается или
полностью устраняется. Разность
ост
до и после нагрева определяет
В
. В
некоторых случаях в процессе охлаждения МПФ может происходить
самопроизвольное накопление остаточной деформации, т.е. наблюдаться
эффект обратимой памяти формы. В этом случае такую деформации
необходимо выделять как
В
о
– обратимую величину восстановления формы
(см. рис. 1.3 а, б).
В некоторых случаях для экспрессной оценки деформационных
характеристик образца используют степень восстановления формы (СВФ)
как процентное отношение восстановленной к остаточной деформации. В
этом случае полное восстановление формы соответствует 100% СВФ.
3.2.4 Силовые и энергетические свойства МПФ
При противодействии восстановлению формы в МПФ при реализации
ЭПФ возникают реактивные напряжения восстановления (σ
Р
). Их величина
зависит не только от химического состава и структуры МПФ, но и от
условий восстановления формы и, в первую очередь, от схемы
противодействия. Принципиально можно различить два крайних случая:
постоянные
напряжения
противодействия,
например,
от
груза,
подвешенного к пружине МПФ (см. рис. 6.8а); и возрастающие с
определенной жесткостью напряжения противодействия, например
65
восстановление муфты термомеханического соединения на трубопроводе. В
большинстве случаев противодействие восстановлению формы происходит
по более сложной схеме, включающей этапы свободного восстановления
формы. Сочетание развиваемых реактивных усилий (напряжений) и
перемещение (деформация) при восстановлении формы определяют работу,
отношение которой к объему деформированного материала является
удельной работой восстановления формы (а
В
)
и характеризует
энергетический потенциал МПФ.
3.3 Методы определения термомеханических свойств МПФ и
характеристик образцов
Параметры,
характеризующие
термомеханические
свойства
различных материалов можно разделить на три основные группы:
а) температурные свойства
- температуры начала восстановления формы (А
Н
В
) [
C];
- температуры конца восстановления формы (А
К
В
) [
C];
б) деформационные свойства
- степень восстановленной деформации (
В
) [%];
- степень сверхупругой деформации (
СУ
) [%];
- степень восстановления формы (СВФ) [%];
в) силовые свойства
- реактивные напряжения восстановления формы (
Р
) [Па];
- удельная работа восстановления формы (а
В
) [Дж/м
3
].
Определение этих параметров во многом зависит от методики
испытаний, схемы и степени деформации. Температура деформации должна
быть не выше температуры А
Н
В
, кроме случая определения сверхупругой
деформации, которая оговаривается специально (как правило, выше А
К
В
).
3.3.1 Определение термомеханических характеристик образцов
при испытаниях на растяжение и сжатие
Измерения характеристик проводят на испытательных машинах,
предназначенных для испытаний металлических образцов на растяжение-
сжатие. При растяжении используют стандартные цилиндрические или
плоские образцы, вырезанные из прутков, плит, листов, для статических