Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мартенситные превращения в сплавах и эффект памяти формы в условиях действия нейтронного облучения 16
1.1. Методика проведения экспериментов и объекты исследования 21
1.1.1. Низкотемпературная гелиевая петля реактора ВВР-М 21
1.1.2. Материалы и образцы 24
1.2. Мартенситные превращения в сплаве TiNi, облучаемом нейтронами при температурах, меньших 330 К 28
1.3. Изменение степени дальнего порядка как причина изменения температур мартенситных превращений 36
1.4. Изменение электрического сопротивления сплава TiNi в процессе нейтронного облучения при температурах, меньших 330 К 43
1.5. Кинетика процесса отжига радиационных повреждений 49
1.6. Изменение температурной кинетики мартенситных превращений и электрического сопротивления в сплаве TiNi в процессе нейтронного облучения при температуре 470К 56
1.7. Кинетическое уравнение для описания изменения температур мартенситных превращений в облучаемом нейтронами сплаве TiNi 62
1.8. Действие нейтронного облучения на эффект памяти формы в сплаве TiNi 69
1.8.1. Эффекты пластичности превращения и памяти формы
в облучаемых образцах 69
1.8.2. Эффект памяти формы в сплаве TiNi,
стимулированный нейтронным облучением 76
1.9. Особенности кинетики мартенситных превращений в облучаемом нейтронами сплаве Cu-Al-Ni 84
1.10. Заключение по Главе 1 100
Глава 2. Неупругая деформация никелида титана под действием всестороннего давления 103
2.1. Объекты исследования и методика проведения экспериментов 107
2.2. Результаты экспериментов 111
2.2.1. Обратимое неупругое деформирование никелида титана в условиях действия постоянного гидростатического давления 111
2.2.2. Эффекты памяти формы и пластичности превращения в никелиде титана, инициируемые изменением давления 122
2.2.3. Температурная задержка мартенситного превращения, инициированная изменением давления 133
2.2.4. Особенности влияния давления на обратимое деформирование никелида титана при нагревании под нагрузкой
2.3. Компьютерное моделирование неупругого деформирования никелида титана под действием всестороннего давления 141
2.4. Заключение по Главе 2 145
Глава 3. Экспериментальное и компьютерное моделирование действия ультразвука на сплав TiNi 148
3.1. Методы и подходы решения поставленной задачи. Объекты исследования 154
3.2. Моделирование акустопластического эффекта 156
3.2.1. Экспериментальное моделирование акустопластического эффекта в сплаве TiNi в предположении теплового действия ультразвука 156
3.2.2. Компьютерное моделирование акустопластического эффекта в сплаве TiNi в предположении теплового действия ультразвука 162
3.2.3. Компьютерное моделирование акустопластического эффекта в сплаве TiNi в предположении действия фактора переменных напряжений 168
3.2.4. Компьютерное моделирование акустопластического эффекта в сплаве TiNi в предположении одновременного действия температуры и переменных напряжений 175
3.3. Моделирование действия ультразвука на эффекты пластичности превращения и памяти формы в сплаве TiNi 179
3.3.1. Экспериментальное исследование влияния знакопеременного напряжения на изменение деформации при охлаждении и нагревании сплава TiNi под постоянным напряжен ием. 180
3.3.2. Компьютерное моделирование действия знакопеременного напряжения на изменение деформации при охлаждении и нагревании сплава TiNi под постоянным напряжением 186
3.4. Сопоставление результатов моделирования с данными известных экспериментов с ультразвуком 190
3.5. Влияние ультразвуковых колебаний на эффект генерации реактивных напряжений в сплаве TiNi 195
3.6. Заключение по Главе 3 199
Глава 4. Преобразование тепловой энергии в механическую при повторяющихся термоциклах 202
4.1. Работоспособность в режиме программированного изменения напряжений 207
4.2. Механическое поведение и работоспособность в режиме заданной траектории перемещения 215
4.3. Коэффициент полезного действия и цикл Карно 234
4.4. Заключение по Главе 4 245
Заключение и выводы 246
Список литературы
- Мартенситные превращения в сплаве TiNi, облучаемом нейтронами при температурах, меньших 330 К
- Обратимое неупругое деформирование никелида титана в условиях действия постоянного гидростатического давления
- Моделирование акустопластического эффекта
- Механическое поведение и работоспособность в режиме заданной траектории перемещения
Введение к работе
Актуальность темы. Никелид титана является одним из десятков известных материалов с эффектом памяти формы. Вместе с тем он представляет собой уникальный сплав по сочетанию высоких механических свойств, коррозионной стойкости, демпфирующей способности и функциональных свойств, связанных с обратимостью больших неупругих деформаций. Комплекс замечательных характеристик делает никелид титана, среди прочих материалов с памятью формы, наиболее используемым в различных технических и медицинских приложениях.
Свойства и структура никелида титана и сплавов на его основе хорошо изучены. Исследованы также фазовые превращения, происходящие в сплаве при изменении температуры. Накопленные к настоящему времени знания позволяют достаточно надежно описывать и прогнозировать функционально-механическое поведение материала. Заметим, однако, что это относится к достаточно простым режимам воздействия на сплав, например, путем изменения температуры через интервал фазовых переходов или изотермического нагружения. В то же время, проекты технических приложений не ограничиваются лишь подобными условиями. Существуют весьма перспективные возможности разработки новых технологий, использующих уникальные свойства никелида титана в таких условиях, когда наряду с термическими и механическими изменениями металл подвергается действию постоянных или изменяющихся физических полей или космического излучения, радиации, высокого давления и т.д. Подобные режимы воздействия на функциональный сплав будем называть сложными или комплексными. К ним можно относить и такие условия функционирования материала, когда необходимый результат достигается при изменении напряжения, деформации и температуры по сложному закону во времени. Анализу функционально-механического поведения никелида титана при комплексных физико-механических воздействиях и посвящена настоящая работа.
Совершенно понятно, что каждое из сложных воздействий имеет особую специфику и требует отдельного изучения. Невозможно обобщить результаты исследований сплава, скажем, в магнитном поле на случай облучения частицами высоких энергий. Кроме того, возможность использования материалов с памятью формы может быть реализована только в том случае, если экспериментально установлены эмпирические закономерности изменения свойств сплава в тех или иных условиях; выявлена физическая природа таких изменений и разработаны теоретические модели для описания функционального поведения материала. Таким образом, необходимо выполнить большой объем экспериментальных и теоретических исследований для создания представлений об особенностях развития фазовых превращений и процессов обратимости неупругой деформации при комплексных физико-механических воздействиях. Несмотря на то, что подобные исследования стимулируются практическими потребностями, они в значительной степени способствуют появлению новых знаний об особенностях мартенситных превращений, способах их инициирования и методах модификации структуры и свойств материала, о физических причинах ранее неизвестных явлений, о способах прогнозирования поведения металла при комплексных физико-механических воздействиях.
Как видно из изложенного, поле для исследований по обсуждаемой теме весьма широко. В настоящей работе изучены проблемы, связанные с действием на никелид титана нейтронного облучения, гидростатического давления, ультразвуковых колебаний. Кроме того, большое внимание уделено поведению сплавов на основе TiNi в составе тепловой машины, преобразующей тепло в механическую работу. По всем этим проблемам существуют многочисленные проекты разработки новых технологий с использованием эффекта памяти формы. Однако реализация большинства этих проектов сомнительна из-за недостаточности знаний о свойствах материала в различных условиях и отсутствия способов прогноза его поведения. Имеющиеся экспериментальные данные либо не полны и противоречивы, либо вовсе отсутствуют. Разработанные теоретические подходы к описанию свойств сплавов на основе TiNi при комплексных воздействиях зачастую базируются на слишком упрощенных или неверных предположениях. В связи со сказанным исследования функциональных свойств сплава TiNi при комплексных физико-механических воздействиях является весьма актуальными.
Целью работы является установление закономерностей и особенностей мартенситных превращений и связанных с ними эффектов памяти формы в никелиде титана под действием нейтронного облучения, гидростатического давления, ультразвуковых колебаний и в режимах многократно повторяющихся циклов производства полезной работы.
Для достижения поставленной цели решали следующие основные задачи:
1. Разработать методику исследования свойств материала непосредственно в процессе облучения в атомном реакторе; выявить закономерности изменения температур мартенситных превращений в никелиде титана в процессе нейтронного облучения при различных температурах; определить типы структурных нарушений, ответственных за такое изменение и на основании выявленных феноменологических соотношений предложить способ для описания и прогнозирования эволюции температур превращений в процессе облучения. Установить возможность обобщения полученных результатов на другие материалы с термоупругими мартенситными превращениями.
2. Определить степень деградации эффекта памяти формы при нейтронном облучении и возможность стимуляции эффекта памяти формы в изотермических условиях.
3. Разработать методику механических испытаний сплава TiNi при постоянной или изменяющейся температуре в условиях постоянного или изменяющегося гидростатического давления; исследовать влияние гидростатического давления на температуры мартенситных превращений и на величину эффекта памяти формы в никелиде титана; установить закономерности проявления эффектов мартенситной неупругости при изменяющемся давлении и возможность инициирования этих эффектов за счет давления в изотермических условиях; выполнить компьютерные расчеты с использованием уравнений структурно-аналитической теории прочности и установить соответствие расчетных и экспериментальных данных.
4. Установить особенности механического поведения никелида титана при действии ультразвуковых колебаний; определить факторы недислокационной природы, влияющие на мартенситные превращения и механическое поведение сплава TiNi при наложении ультразвука; экспериментально и расчетным путем показать, что при действии этих факторов никелид титана демонстрирует такое же физико-механическое поведение, что и под действием ультразвуковых колебаний.
5. Экспериментально исследовать способность сплавов на основе TiNi преобразовывать тепловую энергию в механическую; определить зависимость производимой работы от вида рабочего цикла, а также от деформационных, силовых и температурных параметров цикла; определить оптимальные режимы циклов производства полезной работы; на основе полученных экспериментальных данных оценить коэффициент полезного действия преобразования энергии; проанализировать возможность осуществления цикла Карно в материалах с термоупругими фазовыми переходами.
Научная новизна работы.
1. Впервые выполнены измерения температур мартенситных превращений в никелиде титана, его электрического сопротивления, а также эффекта памяти формы непосредственно в процессе облучения нейтронами атомного реактора. Выявлены ранее неизвестные закономерности изменения температур мартенситных превращений в никелиде титана в процессе облучения нейтронами. Установлено, что температуры смещаются с ростом флюенса быстрых нейтронов в направлении низких температур по экспоненциальному закону при низкотемпературном облучении Tir330 K, и повышаются, если облучение производить при температуре 470 K. Впервые обнаружено, что при высокотемпературном облучении электрическое сопротивление никелида титана уменьшается, а при низкотемпературном - возрастает с увеличением флюенса нейтронов, причем сопротивление, соответствующее мартенситному состоянию сплава, нарастает в несколько раз быстрее, чем сопротивление, соответствующее аустенитному состоянию. Анализ показал, что основными факторами, влияющими на скорость изменения температур мартенситных переходов при облучении нейтронами, являются разупорядочение твердого раствора TiNi при низкотемпературном нейтронном облучении, радиационное упорядочение в процессе высокотемпературного облучения и термостимулированный отжиг радиационных повреждений. Предложено дифференциальное уравнение для скорости изменения температур фазовых переходов в сплаве TiNi, правая часть которого содержит три члена, описывающих кинетику перечисленных выше процессов. Расчеты, проделанные в соответствии с предложенным уравнением, хорошо соответствуют экспериментальным данным.
2. Измерения, выполненные в канале реактора, показали, что, несмотря на изменение температурной кинетики превращений в сплаве TiNi под облучением, материал сохраняет способность накапливать и восстанавливать деформацию при фазовых переходах при облучении флюенсом нейтронов, не превышающим 71018 см-2. Обнаружено, что облучение флюенсом 51020 см-2 в изотермических условиях стимулирует эффект памяти формы в сплаве TiNi.
3. Установлены общие и отличительные черты эволюции температур мартенситных превращений в сплаве Cu-Al-Ni и в никелиде титана при нейтронном облучении.
4. Впервые выполнены исследования особенностей проявления эффекта памяти формы и других эффектов мартенситной неупругости в никелиде титана в условиях действия гидростатического давления. Обнаружено, что температуры как обратного, так и прямого превращений в сплаве TiNi под действием всестороннего давления смещаются в направлении низких температур. Коэффициент барочувствительности температур мартенситных превращений dTt/dP для обратного превращения «мартенсит аустенит» близок к величине -30 К/ГПа, а для прямого перехода «аустенит мартенсит» он оказался равным приблизительно -10 К/ГПа. В качестве причины указанного неравенства указывается на возникновение сдвиговых напряжений, обусловленных анизотропией сжимаемости мартенситных кристаллов. Показано, что изменением давления в изотермических условиях возможно инициировать эффект памяти формы, обратимой памяти, пластичности превращения, генерации-релаксации реактивных напряжений в сплаве TiNi. В этом смысле давление и температура являются равноэквивалентными стимулами для инициирования мартенситных превращений и порождаемых этими превращениями разнообразных процессов обратимого неупругого деформирования.
5. Экспериментально обнаружено явление задержки фазового превращения и деформирования при изменяющемся давлении. Определены температурные интервалы проявления эффектов баростимулированного деформирования и задержки деформирования. Впервые обнаружено, что изменение всестороннего давления, изменяя температуры мартенситных превращений, стимулирует деформацию, связанную не только с самим фазовым переходом в сплаве TiNi, но также может вызывать обратимое неупругое деформирование без изменения фазового состава материала.
6. Показано, что структурно-аналитическая теория прочности качественно правильно описывает все известные явления, связанные с действием гидростатического давления на деформацию сплава TiNi вблизи температур мартенситного перехода.
7. С помощью экспериментального и компьютерного моделирования показано, что особенности функционально-механического поведения сплавов на основе никелида титана под действием ультразвука не связаны с дислокационными механизмами деформации. Основными факторами ответственными за их поведение в ультразвуковом поле являются 1) повышение температуры твердого тела при диссипации энергии ультразвуковых колебаний и 2) действие переменных напряжений, создаваемых ультразвуком. Повышение температуры деформируемого сплава TiNi приводит к резкому и немонотонному изменению предела текучести, в результате чего деформирующее напряжение может либо падать, либо возрастать в зависимости от структурного состояния материала. Осциллирующие напряжения стимулируют движение границ раздела (межфазных и межмартенситных) в результате их отрыва от стопоров и уменьшения эффективной силы трения. Установлено, что действие указанных факторов удовлетворительно объясняет все экспериментально установленные факты действия ультразвука на эффекты пластичности превращения и памяти формы, а также акустопластический эффект в никелиде титана.
8. На основе экспериментальных исследований и теоретического анализа разработаны представления о способности сплавов с эффектом памяти формы к преобразованию энергии в термомеханическом цикле. Установлены оптимальные силовые, деформационные и температурные режимы рабочего цикла тепловой машины с рабочим телом из сплава с памятью формы. Показано, что работа за цикл может превышать 10 МДж/м3.
Сделана оценка КПД преобразования энергии в исследованных рабочих циклах и показано, что он не превышает 3%. Предложена реализация цикла Карно для сплава TiNi и получены аналитические выражения для работы и КПД такого цикла.
Достоверность полученных экспериментальных результатов, обеспечена тщательной проработкой экспериментальных методов исследования, воспроизводимостью результатов, согласием экспериментальных и расчетных данных, соответствием обнаруженных закономерностей и их теоретической интерпретации имеющимся физическим представлениям о механизмах реализации термоупругих мартенситных превращений и эффектов памяти формы.
Практическая значимость результатов работы. Результаты работы могут быть использованы при разработке приводов, соединителей, датчиков и других устройств, использующих эффект памяти формы и работающих в условиях нейтронного облучения или высокого давления. В работе содержатся результаты, позволяющие проектировать устройства, срабатывающие под действием облучения, гидростатического давления и ультразвуковых колебаний. Предложены методы расчета поведения никелида титана в таких условиях. Результаты работы могут быть также использованы при создании тепловых машин с рабочим телом из сплавов с памятью формы, преобразующих тепловую энергию в механическую.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Закономерности изменения температур мартенситных превращений в никелиде титана в процессе облучения нейтронами атомного реактора при различных температурах.
2. Закономерности изменения температур мартенситных превращений в никелиде титана при изменении гидростатического давления.
3. Эффекты памяти формы и пластичности превращения, а также явления задержки деформирования, инициируемые изменением давления.
4. Представления о том, что акустопластический эффект в никелиде титана объясняется специфической реакцией материала на повышение температуры и действие переменных напряжений.
5. Энергетические характеристики никелида титана и его сплавов в зависимости от деформационных, силовых и температурных параметров циклов производства полезной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научных симпозиумах:
Всесоюзная научная конференция «Сверхупругость, эффект памяти и их применение в новой технике» (1982, Воронеж; 1985, Томск); X Всесоюзная конференция по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 21-23 июня 1983г.); Всесоюзная научная конференция (Томск, 4-6 сентября 1985г.); Всесоюзный семинар "Актуальные проблемы прочности” (1988, Новгород; 1990, Рубежное; 1991,Новгород; 1991, Старая Русса; 1996, СПб; 1997, Новгород; 1999, Псков; 2001, Киев; 2001, СПб; ); 4th European East-West Conference & Exhibition on Materials and Process (St. Petersburg. October 17-21, 1993); I Российско-американский семинар и ХХХI семинар «Актуальные проблемы прочности» (С.-Петербург, 13-17 ноября 1995 г.); XIV международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 27-30 июня 1995г.); Международный научно-практический семинар «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1997; 2007); Kurdyumov memorial international conference on martensite (KUMICOM’99) (Moscow, 23-26 Feb. 1999); Международный семинар "Современные проблемы прочности" (Старая Русса, 2000); Межнациональное совещание "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 2001; 2007); Петербургские чтения по проблемам прочности (СПб, 2002; 2003); Всероссийская конференция «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 4-7 июня 2002); Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» (2002, В.Новгород; 2007,Витебск; 2010, Витебск; 2011, Харьков); International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies (SMST-2003), 5-8 May, 2003, Pacific Grove, California, USA; Международная научно-техническая конференция «Исследовательские реакторы в XXI веке». (Москва, 20-23 июня 2006); Бернштейновские Чтения по термомеханической обработке металлических материалов (Москва, 27-29 октября 2009 г.); 6-й Международный уральский семинар «Радиационная физика металлов и сплавов» (Снежинск, 2005);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 научных работ, включая 13 статей в реферируемых научных журналах, соответствующих списку ВАК РФ, 2 коллективных монографии и 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 279 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, содержит 115 рисунков, 5 таблиц. Список литературы состоит из описания 226 источников.
Мартенситные превращения в сплаве TiNi, облучаемом нейтронами при температурах, меньших 330 К
От измерительной сборки наверх в надреакторную камеру выведены контакты кабеля, через который подается питание и снимается полезный аналоговый сигнал. Канал заглушён фланцем с герметичным электрическим разъемом.
Плотность потока быстрых нейтронов (Е 0,5 МэВ) при измерениях в петле составляла J=9-10 см" -с" при работе реактора на мощности 14 МВт.
К достоинствам описываемого устройства относится не только то, что оно позволяет выполнять измерения непосредственно в процессе облучения при постоянной температуре. Кроме этого, существует возможность изменения температуры по произвольной программе со скоростью 2-5-3 К-мин"1. В результате в любой момент времени после набора определенной дозы (флюенса) нейтронов можно измерить температурную зависимость физической характеристики образца и тем самым получить сведения об изменении его свойств.
В наших экспериментах измеряли электросопротивление проволочных образцов никелида титана. Электрическое сопротивление, как известно, является чувствительной характеристикой как по отношению к мартенситным превращениям в никелиде титана, так и к радиационным повреждениям структуры таким, как, например, точечные дефекты, их комплексы, изменение степени дальнего порядка [2, 50, 56, 165, 211]. Электросопротивление измеряли четырех зондовым методом, а температуру - с помощью медь-константановой термопары. Все измерения выполняли непрерывно на протяжении всего эксперимента. Каждое значение электросопротивления определялось как среднее из четырех измерений, отличающихся полярностью токовых и потенциальных сигналов. Это позволяло устранить возможное влияние термо-эдс, возникающей при контакте разнородных проводников.
На протяжении одного эксперимента, как правило, температуру облучения Tir поддерживали постоянной. Периодически, для получения зависимостей электросопротивления от температуры, производили нагрев (или охлаждение) образца через интервал мартенситных превращений с последующим возвратом к температуре облучения. В некоторых случаях после набора определенного флюенса резко изменяли температуру облучения и продолжали эксперимент при иной температуре. На рис. 1.2 в качестве примера показано изменение температуры от времени в одном из таких экспериментов. Здесь облучение до флюенса быстрых нейтронов 5,5-10 см" осуществляли при температуре Tir = 120 ± 7 К (в мартенситном состоянии сплавов), после чего температуру повышали, и дальнейшее облучение происходило при 335 ± 10 К (в аустенитном состоянии). Острые пики на зависимости соответствуют циклам нагревания и охлаждения, во время которых записывали температурные зависимости электрического сопротивления. Промежуток времени а-Ь на рисунке соответствует остановке реактора, во время которой циркуляция гелия в канале была прекращена, и температура установилась на уровне 330 К, с кратковременным подъемом до 380 К при возобновлении облучения. Перед началом периода облучения при Tir = 335 К температура образцов по техническим причинам была повышена до 400 К в течение 20 минут (температурный пик С на рис. 1.2).
В экспериментах использовали проволочные образцы равноатомного никелида титана различных производителей. Образцы имели диаметр 0,5 мм и длину 30 мм. В состоянии поставки проволока была деформирована в результате последнего передела при вытяжке на 20-г25 % по сужению. Часть образцов подвергали облучению без дополнительной термообработки, другую часть отжигали при 770 К в течение 2 часов в атмосфере аргона. Образцы перед измерениями многократно термоциклировали через интервал температур превращений с целью стабилизации свойств. Непосредственно перед установкой в канале реактора производили измерения температурной зависимости электросопротивления, по которой определяли температуры мартенситных переходов. Данные по пяти испытанным образцам представлены в таблице 1.1 и на рис. 1.3. На рисунке стрелками показаны температуры, соответствующие различным превращениям в никелиде титана. Температуре TR начала перехода В2—»R при охлаждении будем сопоставлять момент начала аномального подъема электросопротивления; температуре Ms начала перехода R(B2)—»В19 - точку начала падения электрического сопротивления при охлаждении на зависимости р(Т); температуре Mf окончания превращения в В19 -мартенсит - выход на линейную зависимость сопротивления от температуры. Способ определения характеристических температур мартенситных превращений по результатам измерения температурных зависимостей электрического сопротивления иллюстрируется на рис. 1.4.
Как видно из рис. 1.3, ход температурных зависимостей сопротивления существенно различается для термообработанных и не обработанных образцов. В образцах N1, N2 и N3 при охлаждении реализуется последовательность превращений В2—»R—»В19 , а при нагревании, по-видимому, мартенсит В19 превращается сразу в В2-аустенит.
Обратимое неупругое деформирование никелида титана в условиях действия постоянного гидростатического давления
При проведении экспериментов использовали образцы двух типов. Один из них имел форму витой пружины диаметром 5,6 мм с тремя рабочими витками. Пружину изготавливали из проволоки сплава Ті -49,5 ат.% Ni диаметром 0,7 мм. Другой образец - цилиндрический, с рабочей частью диаметром 1 мм и длиной 30 мм и с резьбовыми головками диаметром 2 мм и длиной 10 мм. Материалом для цилиндрического образца служил сплав Ті - 49,9 ат.% Ni. Образцы отжигали при 723 К в течение 30 мин и по графикам зависимости деформации от температуры определяли температуры мартенситных переходов. В пружинном образце мартенситное превращение происходило при температурах Ms - 345 ± 3 К, Mf = 304 ± 3 К, As = 339 ± 3 К, Af=390±5K. Во втором сплаве температуры превращений были следующими: Ms = 326 ± 5 К, Mf = 313 ± 4 К, As = 350 ± 2 К, Af = 370 ± 3 К.
Для проведения экспериментов была изготовлена специальная установка, схема которой изображена на рис. 2.1. Изменение давления машинного масла в рабочей камере производили с помощью нагнетательного насоса и мультипликатора давления. При включении печи сопротивления прогревался весь объем масла в камере. Аппаратура позволяла проводить опыты в диапазоне температур от 290 К до 400 К и давлений до 250 МПа. При установке в камеру высокого давления одну из головок образца (нижнюю на рис. 2.1) закрепляли в неподвижном захвате, а на другой головке закрепляли контактную пластину, сделанную из бериллиевой бронзы. Через герметичное резьбовое отверстие в камере к контактной пластине подводили заостренный винт с шагом резьбы 0,5 мм. О наличии контакта между винтом и пластиной судили по показаниям амперметра, включенного в простейшую электрическую цепь (см. рис. 2.1). Угол поворота винта отсчитывали по лимбу, установленному снаружи рабочей камеры. При известном шаге резьбы винта угол поворота легко было пересчитать в перемещение верхней головки образца. Описанная система позволяла измерять перемещение с точностью ± 15 мкм, не оказывая при этом силового воздействия на образец. Температуру измеряли с точностью ±0,3 К.
Описанная установка позволяла проводить эксперименты и с пружинными образцами, при этом давление можно было дополнять постоянной и независящей от давления сдвиговой нагрузкой. Соответствующая схема установки и нагружения образца представлена на рис. 2.2а. В этом случае на пружину-образец (1) через стержень (2) давила сжатая в сборке стальная пружина (3). Последняя опиралась на подшипник (4), установленный на измерительном винте (5). Из рисунка ясно, что поддерживая во время эксперимента постоянство электрического контакта между острием стержня и контактной пластиной (7), можно обеспечить постоянство степени сжатия стальной пружины (3). В этих условиях сила, действующая на образец со стороны стальной пружины, была постоянной. Таким образом, установка позволяла изучать термомеханическое поведение твердых тел в условиях наложения давления, дополненного постоянной и независящей от давления сдвиговой нагрузкой. Сдвиговую деформацию у и напряжение х в материале пружинного образца рассчитывали по известным формулам сопротивления материалов [77]. При испытаниях с постоянной нагрузкой пружинный образец нагружали усилием 1,3 Н, что в упругом приближении соответствует напряжению сдвига х = 55 МПа. Отклонение от постоянства этой силы не превышало 1,5%.
Ряд экспериментов с пружинным образцом из сплава Ті -49,5 ат.% Ni выполняли с целью измерения напряжений, генерируемых образцом при нагревании в условиях стесненной деформации. В этом случае, как видно из рис.2.2 б, стержень (2) опирали на консольно закрепленный упругий элемент (8). Прогиб упругого элемента измеряли электроконтактным методом, аналогично тому, как это показано на рис. 2.1. Напряжение в образце определяли по тарировочной кривой "сила - прогиб" упругого элемента.
Во всех экспериментах с цилиндрическим образцом сплава Ті -49,9 ат.% Мив экспериментах по изучению влияния давления на генерацию и релаксацию реактивных напряжений в сплаве Ті-49,5 ат.% Ni после отжига материал переводили в аустенитное состояние путем нагревания до 400 К. Далее за счет эффекта пластичности превращения при охлаждении деформировали образцы и получали в мартенситном состоянии остаточную деформацию удлинения є0 = 2 -е- 5 % или сдвига в материале пружины у0 = 3 -ь 4 %. Деформированный таким образом образец помещали в камеру высокого давления и нагревали.
В опытах по изучению формоизменения пружинного образца при термоциклировании, его предварительно не деформировали, а после установки в камере давления нагружали постоянным сдвиговым напряжением 55 МПа и производили охлаждение и нагревание при различных давлениях.
Моделирование акустопластического эффекта
Основными методологическими приемами, с помощью которых достигалось решение поставленной задачи, явились экспериментальное и теоретическое моделирование теплового и силового действия УЗК. Достичь цели исследований предполагали путем следующей логически обоснованной последовательности действий. На первом этапе экспериментально определяли влияние изменения температуры и действия переменных напряжений на поведение материала. На основании современных представлений о структуре и свойствах сплавов с памятью формы производили анализ физических причин и механизмов экспериментально установленных особенностей поведения материала. С помощью компьютерных расчетов убеждались в удовлетворительном соответствии экспериментальных и теоретических результатов, а также моделировали режимы воздействия на материал, не реализованные в опытах. Наконец, производили сопоставление имеющихся данных по действию ультразвука на исследуемые материалы с результатами моделирования.
Механические эксперименты выполняли в условиях кручения цилиндрических образцов. Используемая установка позволяла выполнять испытания в режиме активного закручивания образца с постоянной скоростью или в режиме действия постоянного крутящего момента или в условиях стеснения деформации. Установка снабжена электропечью и устройством для подачи на образец паров выкипающего жидкого азота. За счет этого температуру образца можно было поддерживать постоянной или изменять в широком диапазоне.
Компьютерные расчеты выполняли с помощью программы DEFORM, модернизированной и дополненной для симуляции резких изменений температуры объекта и приложения к нему переменных напряжений . Программа создана на основе положений структурно-аналитической теории прочности, описывающей функционально-механические свойства материалов с эффектом памяти формы с учетом их структуры и особенностей мартенситных превращений [42, 43, 95].
Эксперименты выполняли, используя образцы сплава TiNi с эффектом памяти формы. В расчетах моделировали поведение материала с характеристиками, подобными тем, которые имели образцы, используемые в экспериментах.
Автор благодарен сотрудникам Санкт-Петербургского государственного университета профессору А.Е.Волкову и канд. физ.-мат. наук М.Е.Евард за составление, модернизацию компьютерной программы и активное участие в компьютерных расчетах.
По данным дифференциальной сканирующей калориметрии изучаемые образцы сплава TiNi претерпевали при охлаждении мартенситное превращение из кубической В2 фазы в моноклинную В19 при температурах: Ms = 330 К, Mf = 319 К, а при нагревании превращение В19 -» В2 при температурах As = 340 К, Af = 369 К.
Тепловое действие УЗК моделировали в специальных экспериментах по следующей процедуре. При постоянной заранее выбранной температуре производили изотермическое закручивание образца до некоторой деформации. Далее производили остановку нагружающего устройства и повышали температуру, поддерживая постоянным значение деформации. Затем деформирование продолжали с последующей остановкой и уменьшением температуры до первоначального значения. Температуры деформирования выбирали следующими: =410 К, Т2 = 384К, Т3 = 360 К, Т4 = 349 К при которых сплав находился в аустенитном состоянии и Т5 = 298 К, Т6 = 200 К, Т7 = 249 К при которых материал находился в мартенситном состоянии. Повышение температуры осуществляли на AT = 40 К или 80 К.
Проанализируем некоторые типичные результаты опытов. Результаты, полученные при деформировании сплава, находящегося в мартенситном состоянии, представлены на рис. 3.1. Видно, что, независимо от температуры деформирования, повышение температуры вызывает уменьшение напряжения течения, а последующее уменьшение температуры до первоначального значения приводит к увеличению напряжения. Кроме того, следует отметить, что возрастание величины приращения температуры с 40 К до 80 К вызывает более глубокое падение величины напряжения течения (следует сравнить рис. 3.1а и 3.1 г).
Диаграммы деформирования сплава TiNi в мартенситном состоянии, полученные при температурах 200 К(а, г), 249 К(б) и 298 К(в). Стрелки указывают на точки, в которых производили повышение или уменьшение температуры на величину AT = 40 К (а,б,в) или 80 К (г).
Так, например, в процессе деформации образца при температуре 200 К повышение температуры деформирования на AT =40 К вызывает уменьшение напряжения на 14МПа (рис. 1а), в то время как повышение температуры на 80 К - приводит к уменьшению напряжения на 29 МПа (рис. 3.1 г).
На рис. 3.2 показаны диаграммы деформирования, полученные при температурах, соответствующих аустенитному состоянию сплава ТІМ. В этом случае повышение температуры в процессе деформирования относительно начальной вызывает реакцию, обратную той, которая наблюдалась при испытаниях в мартенситном состоянии. Напряжение течения не понижается, а возрастает при повышении температуры деформирования. Например, скачок
Диаграммы деформирования сплава TiNi в аустенитном состоянии, полученные при температурах 349 К(а, г), 360 К(б) и 384 К(в). Стрелки указывают на точки, в которых производили повышение или уменьшение температуры на величину AT = 40 К (а,б,в) или 80 К (г). температуры на 40 К при начальной температуре деформирования 349 К вызывает увеличение напряжения течения на 20 МПа (рис. 3.2а). При той же начальной температуре 349 К возрастание величины приращения
159 температуры AT от 40 К до 80 К вызывает более существенное увеличение величины напряжения течения (следует сравнить рис. 3.2а и 3.2г). С ростом начальной температуры деформирования величина скачка напряжения уменьшается, а в процессе деформирования при 384 К увеличение температуры на 40 К уже практически не оказывает влияния на напряжение течения (рис. 3.2в).
Механическое поведение и работоспособность в режиме заданной траектории перемещения
Рассмотрим экспериментальные результаты, посвященные изучению действия ультразвука на функционально-механическое поведение никелида титана и его сплавов. На рис. 3.21 представлены результаты экспериментов по растяжению образцов сплава ТН-1 (TiNi) при различных температурах, соответствующих различным структурным состояниям материала [125, 126].
На диаграммах растяжения стрелками отмечены моменты включения и выключения ультразвука с частотой 22 кГц. В интервале температур превращения (290 К) и в аустенитном состоянии при Т = 300 К имеется аномалия поведения напряжения, выражающаяся в том, что при озвучивании небольшое падение напряжения сменяется его возрастанием. В мартенситном состоянии (Т = 273 К) и при повышенных температурах (Т = 315 К) сплав демонстрирует "нормальное" акустическое разупрочнение, подобное тому, которое наблюдается в металлах, не претерпевающих фазового превращения. Сравнивая представленные данные с результатами экспериментального и компьютерного моделирования, представленными на рис. 3.1, 3.2, 3.5, 3.13, 3.14, можно убедиться в их хорошем соответствии, во всяком случае, на качественном уровне. Это означает, что поведение никелида титана при ультразвуковом воздействии в процессе активного деформирования можно понять, принимая во внимание изменение свойств материала при изменении температуры и увеличение подвижности границ раздела при наложении переменных напряжений на квазистатическую нагрузку.
В работе [78] исследовали влияние ультразвуковых колебаний на деформационное поведение никелида титана при фиксированном стационарном напряжении (-100 МПа) в процессе охлаждения-нагрева через область температур прямого и обратного мартенситных превращений. Установлено, что при инициировании эффектов пластичности превращения и памяти формы, кратковременное в течение 3 с ультразвуковое воздействие приводит к скачкообразному изменению деформации. Скачок деформации осуществляется в том же направлении, что и общее изменение деформации обусловленное проявлением того или иного деформационного эффекта, т.е. при охлаждении деформация скачкообразно нарастает, а при нагревании - уменьшается (кривая 2 на рис. 3.22). Эксперименты также показали, что величина приращения деформации зависит от температуры (рис. 3.23). Очевидно, что описанное поведение сплава обусловлено действием переменных напряжений, стимулирующих развитие фазовых превращений. Действительно, кратковременное действие УЗК вызывает приращение деформации точно так же, как это наблюдалось при экспериментальном и компьютерном моделировании действия переменных напряжений (см. рис. 3.16, 3.19). Зависимости величины скачков деформации от температуры в экспериментах с ультразвуком и при моделировании имеют одинаковую форму с максимумом (следует сравнить рис. 3.23 и рис. 3.17, 3.20). Наконец, в экспериментах по действию переменных напряжений установлена тенденция к возрастанию величины эффекта пластичности превращения с увеличением амплитуды напряжений (см. рис. 3.18), подобно тому, как это имеет место и в опытах с увеличением амплитуды ультразвуковых колебаний.
Хорошее соответствие результатов моделирования, полученных в настоящей работе, и известных экспериментов с ультразвуком свидетельствует о следующем. Особенности функционально-механического поведения сплавов на основе никелида титана под действием ультразвука не связаны с дислокационными механизмами деформации как в «обычных» металлах. Основными факторами ответственными за их поведение в ультразвуковом поле являются 1) повышение температуры твердого тела при диссипации энергии УЗК и 2) действие переменных напряжений, создаваемых ультразвуком. Повышение температуры деформируемого сплава TiNi приводит к резкому и немонотонному изменению предела текучести, в результате чего деформирующее напряжение может либо падать, либо возрастать в зависимости от структурного состояния материала. Осциллирующие напряжения стимулируют движение границ раздела (межфазных и межмартенситных) в результате их отрыва от стопоров и уменьшения эффективной силы трения. В случае активного деформирования материала это вызывает снижение напряжения течения, а в случае испытаний с непрерывным нагреванием и охлаждением под постоянной нагрузкой приводит к дополнительному приросту деформации фазового происхождения.
