Файл: Коллеров М.Ю. Функциональные материалы (пособие).pdf

26 

превращения  рассмотрены  в  Главе 2, а  характеристики  эффекта  памяти 
формы и методы их определения изложены в Главе 3. 

Деформация 

двойникованием 

мартенсита 

также 

ограничена 

кристаллографическими  особенностями  его  структуры.  При  осевом 
растяжении  в  процессе  передвойникования  кристаллы  ориентированные 
вдоль  оси  минимальной  диагональю  параллелограмма,  переходят  в 
кристаллы,  ориентированные  максимальной  диагональю.  Накапливаемая 
при  этом  деформация  может  достигать  суммы  деформаций  сжатия  и 
растяжения  перехода  кристаллических  решеток  аустенита  и  мартенсита.  В 
случае сплавов на основе никелида титана - более 12 %. 

Из рассмотренного выше становиться ясно, что эффект памяти формы 

будет  проявляться  в  металлах  и  сплавах,  в  которых  протекает  обратимое 
мартенситное  превращение,  а  деформация  мартенсита  происходит  по 
механизму двойникования. Среди материалов с памятью формы, в которых 
это  явление  обусловлено  протеканием  обратного  мартенситного 
превращения,  можно  выделить  две  основные  группы:  сплавы  на  основе 
интерметаллидов  с  упорядоченной  кристаллической  структурой (TiNi, 
CuZn, AuCd и др.) и сплавы на основе неупорядоченных твердых растворов 
(Ti-Nb, Ti-Mo, Fe-Mn и др.). Различие в проявлении эффекта памяти формы 
этих  двух  групп  связано,  в  основном  с  тем,  что  в  упорядоченных  сплавах 
как  правило  более  легко  реализуется  двойникование  кристаллической 
решетки  по  сравнению  со  скольжением,  которое  приводит  к  нарушению 
порядка  в  расположении  атомов.  Это  обеспечивает  более  полное 
протекание  мартенситного  превращения  без  накопления  пластической 
необратимой 

деформации, 

а 

следовательно, 

к 

более 

полному 

восстановлению исходной формы материала. В сплавах с неупорядоченной 
структурой  твердого  раствора  в  процессе  развития  мартенситного 
превращения  под  нагрузкой  стимулируется  образование  и  движение 
дислокаций,  приводящих  к  необратимому  формоизменению  материала. 
Поэтому при обратном мартенситном превращении не происходит полного 
восстановления  формы,  а  величина  восстановленной  деформации  не 
превышает 2-3%, что  составляет  не  более 30% возможностей 

27

кристаллографической 

деформации 

превращения. 

Кроме 

того 

в 

упорядоченных сплавах диффузия атомов затруднена из-за энергетической 
неравнозначности позиций атомов в кристаллической решетке (не выгоден 
перескок атома одного компонента сплава в узел решетки, который должен 
занимать  атом  другого  компонента).  В  неупорядоченной  решетке  такого 
ограничения  нет,  и  коэффициенты  диффузии  значительно  выше.  Это 
затрудняет  реализацию  бездиффузионного  обратного  мартенситного 
превращения  при  нагреве  в  области  повышенных  (свыше 300

С) 

температур.  Более  подробно  особенности  реализации  эффекта  памяти 
формы  в  титановых  сплавах  с  неупорядоченной  структурой  и  сплавах 
других металлов изложены в Главе 5. 

Вопросы для самоконтроля к Главе 1 

1.  Назовите  самый  известный  сплав,  проявляющий  эффект  памяти 

формы. 

2. Какие сплавы с эффектом памяти формы на основе никелида титана 

были  разработаны  в  нашей  стране?  В  чем  их  отличие  от  американского 
сплава? 

3. Объясните механизмы эффекта памяти формы в сплавах. 
4. Объясните механизмы сверхупругого поведения сплавов. 
5.  Что  такое  мартенситное  превращение?  С  помощью  каких 

характеристик можно описать мартенситные превращения в сплавах? 

6. Чем необратимый ЭПФ отличается от обратимого? 
7.  В  каких  еще  сплавах,  кроме  сплавов  на  основе  никелида  титана, 

обнаружен ЭПФ? 

8.  Каких  значений  может  достигать  величина  восстановленной 

деформации в сплавах на основе никелида титана при одностороннем ЭПФ? 

9.  Каких  значений  может  достигать  величина  восстановленной 

деформации в сплавах на основе никелида титана при двухпутевом ЭПФ? 

10.  Каких  значений  может  достигать  величина  восстановленной 

деформации в сплавах на основе никелида титана при сверхупругости?

28 

Глава 2. Кристаллографические особенности мартенситных 

превращений в материалах с памятью формы 

2.1. Кристаллогеометрические характеристики  

В классическом виде под эффектом памяти формы (ЭПФ) понимают 

способность  материала  устранять  в  процессе  обратного  мартенситного 
превращения  (МП)  наведенную  в  мартенситном  состоянии  деформацию. 
Теоретические  и  экспериментальные  исследования,  проведенные  после 
открытия  ЭПФ,  показали,  что  ЭПФ  должен  рассматриваться  в  более 
широком плане как комплекс эффектов неупругого поведения, связанных со 
способностью 

материалов 

возвращать 

накопленную 

в 

процессе 

термомеханического  или  механического  воздействия  значительную  по 
величине деформацию. 

В  отличие  от  упругого  деформирования  в  основе  таких  эффектов 

лежат  фазовые  и  структурные  превращения,  которые  сопровождаются 
обратимыми  процессами  кооперативного  движения  атомов,  при  котором 
возможно  сохранение  их  соседства,  несмотря  на  большую (20-25%) 
деформацию.  К  таким  фазовым  превращениям  относятся,  прежде  всего, 
МП,  сопровождающиеся  обратимыми  структурными  изменениями, 
связанными с двойникованием и образованием дефектов упаковки. Поэтому 
необходимой основой для проявления ЭПФ является наличие в сплаве МП. 

Возможность реализации довольно больших по величине деформаций 

заложена  в  самой  природе  МП,  как  фазового  превращения, 
сопровождающегося  деформацией  формы  кристалла  и  деформацией  с 
инвариантной  решеткой,  обеспечивающей  сохранение  когерентности  на 
границе  растущего  мартенситного  кристалла.  Однако  для  обеспечения 
полного 

возврата 

деформации 

необходимо, 

чтобы 

МП 

было 

кристаллографически  и  термически  обратимо,  а  все  деформационные 
процессы должны быть механически обратимыми. Последнее предполагает 
отсутствие  дислокационного  скольжения  как  способа  деформации  с 
инвариантной решеткой. 

29

В  настоящее  время  широко  распространено  мнение,  что  ЭПФ 

проявляется  только  в  сплавах  с  термоупругим  МП.  В  свою  очередь 
полагают,  что  для  его  реализации  необходимо  выполнение  следующих 
требований: а) малая движущая сила; б) небольшие объемные изменения; в) 
упорядоченная  структура;  г)  небольшая  сдвиговая  деформация  при 
превращении;  д)  смягчение  решетки,  отражающееся  на  температурной 
зависимости модулей упругости в предмартенситном состоянии. 

В  таблицах 2.1 и 2.2 приведены  основные  характеристики  МП  в 

сплавах, в которых в той или иной степени реализуется ЭПФ. Эти данные 
обобщены  в  работе [6] на  основе  анализа  большого  количества 
отечественных и зарубежных литературных источников. 

Как  видно  в  табл. 2.2 имеется  большая  группа  сплавов  с 

неупорядоченной  структурой,  для  которых  большинство  перечисленных 
выше  требований  не  выполняется,  тем  не  менее,  в  них  реализуется  ЭПФ. 
По-видимому,  наличие  термоупругого  мартенситного  превращения 
является необходимым условием для полного восстановления формы (ВФ) 
при  реализации  ЭПФ,  но  память  формы  может  быть  характерна  и  для 
сплавов,  в  которых  МП  протекает  по  атермической  и  даже  взрывной 
кинетике.

30 
 

Таблица 2.1 

Характеристики МП, исходной и мартенситной фаз в сплавах с упорядоченной кристаллической структурой  

Система 

Состав 

сплава 

М

Н

, ºС 

М

Н

-М

К

(А

Н

-А

К

), 

ºС 

А

Н

-М

Н

, 

ºС 

Класс МП 

по 

Вейману 

Изменение кристал-

лической структуры 

при МП 

Размягчение 

модулей 

упругости 

Тонкое 

строение 

мартенсита 

Ti

50+X

Ni

50-X 

X=0÷2Ni 

(ат.%) 

80÷55 

-20 

~20 

0 

10÷15 

0 

I 
- 

B2→B19′ 

B19′→B19 

OC 

- 

Дв 

- 

Ti

50-X

Ni

50+X

 X=0÷1,5Ni 

(ат.%) 

35÷50 

55÷180 

- 

20÷30 

2÷3 

10÷20 

- 
I 

B2→R 

B2→B19′ 

или 

R→B19′ 

OC 
OC 

Дв 
Дв 

Ti

50

Ni

50-X

B

X 

B:Fe,Co,Cr 

X=0÷(4÷8) 

(ат.%) 

35÷-70 

55÷-180 

0 

20÷50 

2÷3 

15÷50 

- 
I 

B2→R 

R→B19′ 

OC 
OC 

Дв 
Дв 

Ti

50

Ni

50-X

B

X

B:Cu 

X=0÷9,0 

(ат.%) 

X=9÷15 

(ат.%) 

50÷60 

67 

53÷0 

20÷40 

35 
40 

5÷10 

5 

50 

I 

II 
II 

B2→B19′ 

B2→B19 

B19→B19′ 

OC 

OC 

- 

Дв 

Нет 
Нет 

Ti

50

Ni

50-X

B

X

B:Au,Pt,Pd 

X=0÷5 

(ат.%) X=0÷ 

(7÷10) 

(ат.%) 

X=(7÷10)÷ 

(10÷15) 

(ат.%) 

X=(10÷15)÷5

0 (ат.%) 

35÷20 

55÷0 

0÷(50÷100) 

0÷190 

(50÷100)÷ 

(500÷900) 

0 

20 

30÷40 
40÷60 

30÷50 

1÷2 

5÷20 

~30 
~40 

10÷30 

- 

II 

II 
II 

II 

B2→R 

B2→B19′ 

или 

R→B19′ 

B2→B19 

B19→B19′ 

B2→B19 

C 

C 

OC 

- 

Дв 

Дв+ДУ 

- 

- 

Ti

50-X 

Ni

40+X

Cu

10

 X=0÷2Ni 

(ат.%) 

67÷23 

0÷-110 

35÷7 

40÷120 

5÷10 

50÷80 

II 
II 

B2→B19 

B19→B19′ 

- 
- 

- 
- 

Au-Cd 46,5÷50Cd 

30÷100 

10÷15 

~15 I  B2→M2H OC Дв 

23