ВУЗ: Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Материаловедение
Добавлен: 18.02.2019
Просмотров: 7697
Скачиваний: 113
21
исходное
состояние
при нагрузке
после разгрузки
и нагрева
1
2
3
5
4
3а
3б
при
охлаждении
нагрев
нагрев
Рисунок 1.2. Схема реализации эффекта памяти формы и сверхупругости при
обратном переходе аустенитной кристаллической решетки (квадраты) в мартенсит
(параллелограммы) при изменении температуры и деформации.
При охлаждении кристалла ниже температуры М
Н
начинается, а ниже
М
К
заканчивается превращение аустенита в мартенсит, кристаллическую
решетку которого на схеме мы представим параллелограммами (рисунок
1.2, схема 3). Так как кристалл аустенита переходит в кристалл мартенсита
в окружении других таких же кристаллов, то его макроформа не может
измениться значительно. Из-за этого кристалл мартенсита подвергается
22
дополнительной аккомодационной деформации скольжением (рисунок 1.2,
схема 3а) или двойникованием (рисунок 1.2, схема 3б), чтобы сохранить
макроформу, которую имел при высоких температурах кристалл аустенита.
Для обеспечения полного возврата деформации при реализации ЭПФ
необходимо, чтобы все деформационные процессы были механически
обратимы, что предполагает отсутствие дислокационного скольжения как
способа аккомодационной деформации при мартенситном превращении.
Чтобы наблюдать ЭПФ кристалл мартенсита должен быть подвергнут
деформации, а затем нагрет. При нагреве выше температуры А
Н
начинается,
а до А
К
заканчивается обратное мартенситное превращение кристалла
мартенсита в аустенит.
Если при внешнем нагружении деформация мартенситного кристалла
реализуется по механизмам двойникования, то при последующем нагреве
после разгрузки из-за обратного мартенситного превращения происходит
полное восстановление формы исходного кристалла аустенита (рисунок 1.2,
схема 4). В этом случае в процессе прямого и обратного превращения
атомы кристалла сохраняют соседство друг с другом.
Если деформация мартенсита осуществляется по механизмам
скольжения, то при обратном превращении вновь необходима деформация,
чтобы сохранить форму кристалла аустенита, т.к. атомы в решетке меняют
своих соседей. Очевидно, что если деформация кристалла мартенсита
протекает по механизмам скольжения, полностью восстановить исходную
макроформу кристалла аустенита невозможно (рисунок 1.2, схема 5).
Поэтому эффект памяти формы будет полностью реализовываться в том
случае, когда материал деформируется по механизмам двойникования.
Теперь представим, что мы нагружаем кристалл аустенита при
температуре выше температуры М
Н.
В кристалле возникают напряжения,
которые в соответствии с уравнением Клаузиуса-Клапейрона повышают
температуру М
Н
. Она может достигнуть температуры, при которой
происходит нагружение кристалла, и он претерпит превращение в
мартенсит. Так как мартенситный кристалл имеет более низкую симметрию
кристаллической решетки, то решетка аустенита, представленная на рис. 1.2
23
в виде квадратов, трансформируется в мартенситную решетку,
представленную в виде параллелограммов (рисунок 1.2, схема 2). Если в
каком-то направлении действуют растягивающие напряжения, то кристаллы
мартенсита будут ориентироваться в этом направлении большей
диагональю параллелограмма, если – сжатие, то меньшей диагональю.
Таким образом, макроформа кристалла изменится. Если кристалл
разгрузить, то температура М
Н
вновь станет ниже температуры нагружения.
В том случае, если эта температура выше А
К
, то мартенсит претерпит
переход в аустенит. При этом форма кристалла аустенита полностью
вернется к исходной (рисунок 1.2, схема 2). Это явление носит название
сверхупругость (СУ) (рисунок 1.3в). Особенностью сверхупругого
поведения материала является то, что его упругая линейная, в соответствии
с законом Гука, деформация это только небольшая часть полностью
обратимого формоизменения. При нагружении материала после линейного
участка наблюдается текучесть с ярко выраженным изменением угла
наклона кривой нагружения.
Однако если проводить разгрузку материала нагруженного выше
предела текучести, то вся деформация будет устранена, причем вновь не
линейно. Для сплавов на основе никелида титана такая обратимая
деформация может превышать обычную упругую на порядок. Если
температура нагружения была ниже А
К
, то при разгрузке сохраняется
кристаллическая структура мартенсита и деформированная макроформа его
кристалла. При нагреве такого деформированного кристалла мартенсита
выше температур обратного мартенситного превращения произойдет
переход в аустенит и полное восстановление формы его кристалла. Это
явление носит название - эффект памяти формы (односторонний или
необратимый эффект памяти формы), см. рис. 1.3а. Он может быть
реализован и при нагружении ниже температуры М
К
. В этом случае
двойники в мартенситном кристалле
выстраиваются таким образом, чтобы
снизить упругую энергию кристалла (происходит передвойникование).
Деформированная макроформа кристалла сохраняется до тех пор,
пока он не будет нагрет выше температур А
Н
и А
К
. В процессе обратного
24
мартен
макроф
Р
обратим
В
предел
нситного
формы ис
Рисунок 1.
мого (б) и с
Возможен
ла текучес
превра
сходного а
.3. Схема
сверхупруг
н вариант
сти при т
ащения
аустенитн
реализаци
ости (в) в М
т, когда к
температ
произой
ного крис
ии односто
МПФ.
кристалл а
турах выш
йдет
п
сталла (ри
ороннего (
аустенита
ше А
К
. Э
полное
исунок 1.2
(а) эффект
а нагружа
то вызыв
восстано
2 схема 4
та памяти
ается чут
вает небо
овление
4).
формы,
ть ниже
ольшую
25
упругую деформацию кристалла. При охлаждении ниже М
Н
предел
текучести материала резко снижается и действующая на кристалл нагрузка
вызывает значительную деформацию за счет образования мартенсита с
благоприятно ориентированными, по отношению к напряжениям,
двойниками (рисунок 1.3б). Такое явление называют «пластичность
превращения». Оно может быть реализовано под действием приложенной
нагрузки (как было описано выше), и под действием внутренних
напряжений в кристалле, обусловленных деформационной или структурной
неоднородностью
материала.
В
этом
случае
материал
может
«самостоятельно» менять свою форму при охлаждении, а при последующем
нагреве вновь восстанавливать исходную. Такое явление называется
«обратимым эффектом памяти формы» (двухпутевым эффектом), см.
рисунок 1.3б. Величина такого эффекта не велика, и для сплавов на основе
никелида титана обычно составляет около 1,5-2%.
Конечно, это достаточно упрощенная схема мартенситного
превращения, но она дает представление об основных особенностях
проявления эффекта памяти формы и позволяет в первом приближении
понять влияние на него основных факторов (температуры, деформации,
напряжений). Так, например, очевидно, что величина деформации, которая
может быть накоплена при прямом и восстановлена при обратном
мартенситном
превращении,
определяется
кристаллографическими
особенностями
(тип
и
параметры
кристаллических
решеток)
превращающихся фаз. В нашем примере такая деформация будет равна
отношению диагоналей параллелограмма решетки мартенсита к диагонали
квадрата решетки аустенита. При сжатии это меньшая диагональ
параллелограмма,
а
при
растяжении – большая.
Анализ
кристаллографических особенностей мартенситного превращения в сплавах
на основе никелида титана показывает, что максимальная деформация
растяжения может достигать 8%, а сжатия около 6%. В сплавах систем Ti-β-
стабилизатор (V, Mo, Nb и др.) эти величины, как правило, не превышают
3
5%. Более подробно кристаллографические особенности мартенситного