Влияние деформации и внешней нагрузки на характеристики обратимого эффекта памяти формы в сплаве 80Г15Д2НЗХ

При определенной обработке обратимое формоизме­нение в сплавах памяти формы наблюдается и без приложения внешней нагрузки (так называемый эффект обратимой или двусторонней памяти формы). В этом случае деформация при прямом мартенситном превра­щении происходит под действием внутренних напряже­ний или дефектов кристаллической структуры. Одним из способов получения эффекта обратимой памяти формы является многократное повторение цикла:

деформация в мартенситном состоянии - нагрев - ох­лаждение. Наиболее ярко двусторонняя память формы выражена в Mn-Cu-сплавах, в которых высокотемпера­турная гранецентрированная кубическая (ГЦК) у-фаза претерпевает переход в гранецентрированную тетраго-нальную (ГЦТ) фазу по механизму термоупругого мартенситного превращения. В этих сплавах значитель­ная величина обратимого формоизменения наблюдается уже после первого цикла (деформация в мартенситном состоянии - нагрев - охлаждение) [I].

Исследовали сплав 80Г15Д2НЗХ (15 % Си, 2 % Ni, 3 % Сг, остальное -Мп), обладающий оптимальным комплексом механических и термочувствительных свойств после закалки от 900 ^оС в воде и отпуска при 450 ^оС 2 ч [2]. Отпуск при 450 °С способствует установ­лению метастабильного равновесия двух изоморфных ГЦК-фаз (у, и у0 разного состава и повышает темпера­туру мартенситного превращения до 160 °С [З]. После отпуска ленту размерами 200х10х1 мм подвергали пластической деформации изгибом. Получившуюся в результате деформации ленты геликоидальную пружину помещали в установку, К внутреннему концу пружины жестко крепился вал, через который на нее передавался постоянный момент силы. Пружину подвергали термоциклированию по схеме 20 - 180 °С. Нагрев пружины-образца осуществлялся электричес­ким током. Температуру контролировали приваренной к образцу хромель-алюмелевой термопарой, а деформа­цию наружного волокна - по углу поворота вала с помощью датчика угловых перемещений. На рис. 1, а представлена кривая формоизменения образца после деформации со степенью E= 2,7 % в процессе нагрева и охлаждения.

При первом нагреве происходит частичное восстановление исходной формы (кривая 7). При 180 °С деформация восстановления формы е, = 0,9 %. В процессе охлаждения происходит частичный возврат к форме, заданной первоначальной деформацией (е, и 0,5 %). При дальнейшем термоцикли-ровании кривая формоизменения стабилизируется, повторяя кривую охлаждения 2 с практически нулевым гистерезисом.Зависимость величины обрати­мого эффекта памяти формы е; от деформации в мартенситном состоянии приведена на рис. 2. Видно, что при малых значениях е,, эта зависимость линейная. При e > 4 % величина е; не изменяется, что согласуется сданными работы [I].

Если после указанной обработки к образцу при термоциклировании дополнительно приложить внеш­нюю нагрузку, величина обратимого эффекта памяти формы изменится. При этом направление приложения внешней нагрузки о может совпадать с направлением предварительной деформации, или быть противопо­ложным ему. Пример формоизменения под нагрузкой, когда направления d и e совпадают, представлен на рис. 1, б. Нагрузка никак не влияет на формовосстанов-ление образца при первом нагреве (кривая 3 имеет такую же форму, как кривая 2), но вызывает дополни­тельную деформацию при охлаждении (рис. 1, б, кривая 4). Эта дополнительная деформация увеличива­ется при дальнейшем термоциклировании, но после трех циклов нагрева и охлаждения кривая формоизменения стабилизируется (рис. 1, б, кривая J). Формоизменение под нагрузкой становится более плавным, однако температура максимальной термочувствительности практически не повышается (рис. 1, б, кривая 5). Влияние нагрузки в целом можно охарактеризоватьдвумя параметрами: суммарной степенью необратимой деформации Ер, накапливающейся в процессе стабилиза­ции, и степенью обратимого формоизменения под нагрузкой в установившемся режиме. На рис. 3, а приведена зависимость e и eр от величины внешней нагрузки d для трех групп образцов, различающихся по степени предварительной деформации в мартенситном состоянии. Для всех трех групп приложение внешней нагрузки повышает величину обратимого формоизмене­ния При этом наиболее существенное повышение.

наблюдается в образцах с e= 0,6 %, и минимальное -в образцах с e = 8,0 %. Зависимость Sp от внешней нагрузки примерно одинакова во всех трех группах образцов: Бр имеет низкие значения при о < 100 Н/мм² и резко увеличивается при о > 100 Н/мм².

В случае, когда Бц и о противоположны по направле­нию, внешняя нагрузка приводит к деградации обрати­мого эффекта памяти формы. Как для образцов e = 1,2 %, так и для образцов с e= 4,6 %, величина e резко снижается с увеличением а (рис. 3, б).

Возникновение обратимого эффекта памяти формы в Mn-Cu-сплавах связано с особенностями их деформа­ции в мартенситном ГЦТ-состоянии. В этих сплавах она осуществляется по двум механизмам: двойникованием со сдвигом плоскостей {110} в направлении <ПО> на начальных стадиях деформации и дислокационным скольжением по обычной системе {111} < 110 >, преобла­дающем при больших степенях деформации [4,5]. Часть деформации, обусловленная смещением границ, является обратимой и восстанавливается при нагреве в процессе ГЦТ - ГЦК-превращения. При этом области, в которых произошла необратимая деформация скольжением, становятся центрами локальных внутренних напряже­ний. Ориентированные внутренние напряжения вызыва­ют при охлаждении преимущественное образование мартенсита с благоприятной ориентировкой кристал­лографической оси тетрагональности с [1],т.е. являют­ся причиной возникновения обратимого эффекта памя­ти формы.Противоречие устраняется, если предположить, что сформированные деформацией внутренние напряжения существенно неоднородны по направлению. Причиной неоднородности являются аккомодационные напряже­ния в мартенсите. Этот вывод непосредственно следует из анализа результатов работы [б], в которой рентгено-структурными методами изучался механизм деформации Mn-Cu-монокристаллов с мартенситной структурой.

Согласно [б], при ГЦК -» ГЦТ-превращении в Mn-Cu-кристалле образуются пластины мартенсита, граничащие по плоскостям {110}. Каждая из пластин состоит из мартенситных доменов двух вариантов со взаимно перпендикулярными тетрагональными осями с. Домены имеют двойниковую ориентацию с плоскос­тями двойникования {110}, составляющими угол 60° с границами мартенситных пластин. Границы двойников легко подвижны и при приложении внешних напряже­ний перемещаются внутрь неблагоприятно ориентиро­ванного двойника. Это приводит к формированию мартенситной текстуры с преобладанием доменов с осью вдоль направления сжатия. Однако при неблагоприятной ориентировке мартенситной пла­стины, для которой направление деформации парал­лельно плоскости двойникования, перемещение сущес­твующих границ двойников невозможно (фактор Шмида равен 0).

В качестве примера на рис. 4 изображены пластины ан В, состоящие из доменов 1, 2 и 3, 4 соответственно. При приложении сжимающей нагрузки о вдоль [010] условия для перемещения границ между вариантами 1 и 2 в пластине А будут наилучшими. В этом случае двойниковые границы между вариантами 3 и 4 в пластине В не могут перемещаться. Эксперимент показывает, что на границах пластин возникают аккомодационные напряжения растягивающие пластину В. Кроме того, условие сохранения сплошнос­ти требует разворота пластины А относительно В при двоиниковании. Отсюда возникают аккомодационные сдвиговые напряжения.

При деформации поликристалла также должны возникать значительные аккомодационные напряже­ния на границах зерен. Релаксация аккомодационных напряжений частично происходит двойникованием, частично - скольжением на границах раздела мартен­ситных вариантов и на границах зерен. При последую­щем нагреве сплава области аккомодационного сколь­жения становятся очагами неоднородных по направле­нию внутренних напряжений. Мы предполагаем, что эти напряжения играют важную роль при образовании преимущественной текстуры мартенсита в процессе охлаждения. Они способствуют лучшей аккомодации на границах пластин текстурованного мартенсита. В то же время упругие напряжения, создаваемые внешней нагрузкой, при данной схеме испытаний можно считать однонаправленными. Таким образом, различия в условиях аккомодации являются причиной меньшей эффективности метода нагрузки по сравнению с методом деформации.

В рамках предложенной нами модели объясняется тот факт, что величина обратимого эффекта памяти Р формы в образцах, подвергнутых деформации с e= 2,7 и 8,0% после снятия нагрузки становится ниже исходно­го уровня (см. рис. 3). По нашему мнению, термоциклирование под нагрузкой выравнивает внутренние напряжения по направлению приложенного напряже­ния. При этом неоднородные напряжения сформированные деформацией в мартенситном состоя­нии, подавляются.

Выводы. 1. Наилучшим способом формирования обратимой памяти в изделиях из сплава 80Г15Д2НЗХ является пластическая деформация в мартенситном состоянии со степенью 5-10 %. Несколько менее эффективным способом является приложение к изделию нагрузки в процессе мартенситного превращения. Совместное воздействие деформации и нагрузки не приводит к существенному повышению степени обра­тимого формоизменения.

2. Обратимый эффект памяти после деформации обусловлен наличием поля внутренних напряжений, существенно неоднородных по направлению. 3. Изменение степени обратимого формоизменения под внешней нагрузкой обусловлено непосредственным влиянием нагрузки на текстуру мартенситного превра­щения и возникновением дополнительных неоднород­ных внутренних напряжений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1) В.В.Русаненко, А.Ф.Еднерал, О.Н.Леденева. Элинварные и

механические свойства мартенситно-аустенитных сплавов.//

Металловедение и термическая обработка. 1996 №7. Стр.27-30.

2) С.Г.Хаютин, И.П. Голямина. Магнитострикционные сплавы

на основе никеля..//Металловедение и термическая обработка. 1997 №3. Стр. 20-23.

3) П.Л.Потапов, С.Ю.Макушев, В.Б.Дмитриев. Влияние деформ-

ации и внешней нагрузки на характеристики обратимого эффекта

памяти формы в сплаве 80Г15Д2Н3Х. // Металловедение и термическая обработка. 1997 №3. Стр. 16-19.

4) А.Н. Захаров. Физика прецизионных сплавов с особыми

тепловыми свойствами. М.1993, стр. 4-10.

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение ………………………………….. стр.1

Элинварные и механические свойства мартенситноаустенитных сплавов…..……стр.2

Магнитострикционные сплавы на основе никеля……………………………………....стр.8

Влияние деформации и внешней нагрузки на харрактеристики обратимого эффекта памяти формы в сплаве 80Г15Д2Н3Х………….…стр.13

Заключение………………………………...стр.19