Материалы с эффектом памяти формы

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

В последнее десятилетие широкое практическое применение находят сплавы, проявляющие эффект памяти формы (ЭПФ). Сплавы с памятью формы (СПФ) используют в различных областях техники (авиакосмическая техника, бытовая техника, приборостроение, спецмашиностроение и др.). При этом особенно перспективной областью применения СПФ, как показывает накопленный мировой опыт, является медицинская техника, в которой используются СПФ на основе Ti-Ni (никелид титана, нитинол).

СПФ - функциональные материалы; они дают возможность реализовывать служебные характеристики конструкций и устройств, недостижимые при использовании других материалов. В широком смысле слова свойство памяти формы можно определить как способность металла деформироваться и восстанавливать (полностью или частично) свою исходную форму по структурным механизмам, отличным от механизмов нормальной упругой деформации. Такими особыми механизмами являются термоупругое мартенситное превращение, а также обратимые структурные превращения в термоупругом мартенсите.

Собственно эффектом памяти формы принято называть однократное (одностороннее) восстановление формы при нагреве после деформации (рис. 4.34). Восстановление формы при охлаждении после деформации, присущее СпФ, претерпевшим обратное мартенситное превращение под напряжением или пластически деформированным в состоянии высокотемпературной фазы (аустенит) (как элемент обратимого или двустороннего эпФ, оэпФ), также отнесено к эпФ. Восстановление же формы в ходе разгрузки при температуре деформации было названо псевдoупругостью (сверхупругостью) (рис. 4.35). Лежащее в основе эпФ и сверхупругости обратимое термоупругое мартенситное превращение бьто открыто в 1949 г. Г. В. Курдюмовым и Л. Г. Хандросом на сплавах Cu-Al-Ni и Cu-Sn. Они обнаружили, что кристаллы образующегося мартенсита при остановке охлаждения могут прекращать рост, а при последующем нагреве уменьшаются в размерах. При этом последовательность исчезновения кристаллов мартенсита при нагреве и обратном превращении мартенсита в высокотемпературную фазу (аустенит) повторяет последовательность их возникновения в обратном порядке.

Рис. 4.34. Эффект памяти формы (восстановление исходной формы при нагреве после деформации): e_i - наведенная деформация; e_r - обратимая деформация

эпФ был экспериментально обнаружен Чангом и Ридом в 1951 г. на сплаве Au-Cd. С тех пор его наблюдали на сплавах многих систем. поскольку наибольший практический интерес представляют сплавы Ti-Ni, то конкретные закономерности структурного и термомеханического поведения СПФ будут далее рассмотрены на примере этих сплавов (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Диаграмма деформации и разгружения при реализации сверхупругости (Т=const)

Условия проявления и механизмы ЭПФ

Сущностью процесса восстановления формы является обратное движение обратимых «носителей» деформации: межфазных, межкристальных и междвойниковых границ. поэтому для понимания структурных механизмов восстановления формы и температурных условий их реализации необходимо знать структурные механизмы предшествующей (наводящей ЭПФ) деформации и температурные условия их реализации. На рис. 4.36 показаны температурные зависимости обычных пределов текучести аустенита s_т^А и мартенсита s_т^М по достижении которых при данной температуре начинается обычная пластическая деформация по механизму дислокационного скольжения. На оси температур отмечены характеристические температуры прямого мартенситного превращения M_s, М_f, M_s^s, M_d. в точке M_s начинается мартенситное превращение при охлаждении в отсутствии напряжений; в точке М_fоно заканчивается и формируется структура мартенсита охлаждения. При деформации в характерных температурных областях происходят следующие процессы (не учитывая нормальную упругую деформацию).

Область M_s^s > т_деф > M_s. Если охлаждение из аустенитной области проводить в присутствии внешних напряжений, то мартенситное превращение начнется при температуре выше M_sпричем тем выше, чем больше напряжение. в этом случае мартенсит s_тр^А обозначается термином «мартенсит напряжения», а напряжение начала его образования носит название «фазового предела текучести». Температурная область образования мартенсита напряжения ограничена сверху точкой M_s^s, в которой s_тр^А сравнивается с s_т^А. По достижении напряжения s_тр^А деформация набирается только за счет образования благоприятно ориентированного мартенсита напряжения (без упрочнения или с небольшим упрочнением) до тех пор, пока не исчерпается ресурс деформации мартенситного превращения, равный деформации решетки при превращении. Далее будет происходить упругая деформация, а затем обычная пластическая деформация мартенсита.

Рис. 4.36. Функциональные свойства с ПФ: характеристические температуры мартенситных превращений и критические напряжения

Область M_d > т_деф > M_s^s. При нагружении в области выше точки M_s^s по достижении s_т^А начнется обычная пластическая деформация. Если в ходе деформационного упрочнения будет достигнут фазовый предел текучести, то с этого момента обычная пластическая деформация будет сопровождаться образованием мартенсита, который называется «мартенситом деформации». Выше точки M_d мартенсит не образуется ни при каких деформациях.

Область т_деф < М_f.При охлаждении ниже точки М_f присутствует только мартенсит охлаждения. Если к нему приложить напряжение, то он способен переориентироваться при достижении напряжения s_c_р^М ниже обычного предела текучести мартенсита s_т^А. Деформация при этом набирается только за счет переориентации мартенсита охлаждения до тех пор, пока не исчерпается ее ресурс (также равный деформации решетки при мартенситном превращении). Далее будет происходить упругая, а затем обычная пластическая деформация мартенсита.

Область M_s > т_деф > М_f. После охлаждения в интервале M_s-М_fперед началом деформации присутствуют как аустенит, так и мартенсит охлаждения; поэтому под напряжением могут реализоваться оба процесса: образования ориентированного мартенсита напряжения в остаточном аустените и переориентация мартенсита охлаждения.

Теперь можно рассмотреть механизмы разных проявлений памяти формы и температурно-деформационные условия их реализации. Точки A_s и А_f(см. рис. 4.36) соответствуют началу и концу обратного превращения мартенсита в аустенит при нагреве.

Пусть при деформации в области A_s > т_деф > M_sобразовался ориентированный мартенсит напряжений. После упругой разгрузки при температуре деформации останется деформация превращения, так как т_деф < A_sи мартенсит стабилен при температуре деформации. в процессе последующего нагрева в интервале M_s-М_fпроизойдет обратное мартенситное превращение, а следовательно, и восстановление формы. Это - ЭПФ, связанный с обратным превращением ориентированного мартенсита напряжений.

Явление псевдоупругости, связанной с обратным превращением мартенсита напряжений, если деформацию провести в области M_s^s> т_деф > А_f. в случае такой же деформации в области А_f>т_деф>A_sили M_d>т_деф>M_s^sсверхупругость реализуется частично.

Ниже точки М_f образуется мартенсит охлаждения, он стабилен против обратного превращения в области ниже A_s. При нагреве выше точки A_s«механическое» формовосстановление может продолжиться наряду с формовосстановлением за счет обратного мартенситного превращения. Если возвращающее напряжение и при нагреве выше A_sне превысит сопротивления сил «трения», формовосстановление произойдет только за счет обратного мартенситного превращения.

к основным структурным механизмам обратимой деформации, обеспечивающим проявление памяти формы, относятся: движение когерентной границы мартенсита с аустенитом или мартенситом другого типа; движение границ существующих двойников превращения; деформационное двойникование мартенсита; движение границы между кристаллами мартенсита; образование кристаллов мартенсита новых ориентационных вариантов в существующем мартенсите.

Для обеспечения обратимости деформации необходимо: для этого необходимо сочетание малой величины термодинамической движущей силы мартенситного превращения (малый гистерезис превращения) с резким уменьшением модулей упругости аустенита и относительно небольшой сдвиговой и объемной деформациями превращения; должна быть обеспечена кристаллографическая обратимость мартенситного превращения (низкая симметрия решетки мартенсита, упорядоченная структура аустенита, наличие дислокаций и субграниц в аустените); должна быть обеспечена обратимость движения дефектов решетки - носителей деформации.

классификация эффектов памяти формыдля систематизации проявлений памяти формы удобно использовать в качестве основы классификацию, где эпФ классифицируются на две группы в зависимости от того, какой параметр является ведущим для процесса возврата деформации. к эпФ, обусловленному термомеханическим возвратом, относятся случаи восстановления формы, когда ведущим параметром является температура, а напряжение играет второстепенную роль. к эпФ, обусловленному механотермическим возвратом, относятся случаи восстановления формы, когда ведущим изменяющимся параметром является напряжение, а температура играет второстепенную роль.

к эФп, обусловленным термомеханическим возвратом, относятся следующие:

Необратимый (односторонний) эпФ, заключающийся в восстановлении формы при нагреве после деформации, осуществляемой образованием мартенсита напряжений или/и деформационной переориентацией существующего мартенсита охлаждения или мартенсита напряжений. Для повторной реализации эффекта надо вновь провести наводящую эпФ деформацию в полуцикле охлаждения.

Обратимый (двусторонний) эпФ (оэпФ), заключающийся в самопроизвольном обратимом изменении формы при термоциклировании через интервал мартенситных превращений.

Способы наведения oэпФ, реализующегося самопроизвольно, связаны с созданием ориентированных полей внутренних напряжений. Поскольку эти напряжения должны срабатывать многократно, они должны быть связаны с элементами структуры, наследуемыми при мартенситных превращениях, т. е. с дислокационной субструктурой и дисперсными когерентными частицами избыточных фаз. Например, для наведения самопроизвольного oэпФ используют:

пластическую деформацию мартенсита (за пределом полностью обратимой деформации) (рис. 4.37) или пластическую деформацию стабильного аустенита, наводя соответственно «мартенситный» или «аустенитный» oэпФ.

Рис. 4.37. Схема реализации обратимого мартенситного ЭПФ

к эпФ, обусловленным механотермическим возвратом, относятся различные проявления псевдоупругости (сверхупругости), связанной с восстановлением формы при температуре деформации. При этом возврат деформации, накопленной в изотермических условиях, происходит в ходе разгрузки или/и при изменении знака деформирующего напряжения.

Функциональные свойства сплавов с памятью формы. С практической точки зрения интерес представляют следующие специальные (функциональные) свойства спф, которые тесно связаны с рассмотренными их фундаментальными особенностями.

Обратимая деформация e_r - это деформация, которая «возвращается» при восстановлении формы. Теоретический ресурс обратимой деформации определяется величиной деформации решетки при мартенситном превращении. Например, в практически наиболее важных сПФ на основе никелида титана исходная решетка В2-аустенита превращается в моноклинную решетку В19'-мартенсита (рис. 4.38). При этом максимальная линейная деформация достигает 11 %. Это и есть предельная деформация, которую можно набрать за счет прямого мартенсиного превращения и возвратить за счет обратного мартенситного превращения. Поэтому для описания способности к формовосстановлению используют и другую характеристику - степень восстановления формы R = e_r/e_i. Чем ближе к точке M_sдеформируем металл, тем больше разность s_т^А и s_тр^А(см. рис. 4.36) и меньше вероятность получить необратимую пластическую деформацию.

Рис. 4.38. Деформация решетки при обратимом превращении В2 (а) <=> В19' (б) в никелиде титана. Параметры решеток а = 3,0 А, b = с = 4,3 А - В2; а = 2,9 А, b = 4,1 А, с = 4,6 А, b=97^О - В19 ; о - атомы Ni, · - атомы тi

Температурный интервал восстановления формы прямо определяется критическими точками начала (A_s)и конца (А_f)обратного мартенситного превращения.

СпФ могут не только восстанавливать форму, но и развивать при этом большие усилия. Это - реактивное напряжение, генерируемое сПФ в условиях восстановления формы при внешнем механическом противодействии (рис. 4.39).

Максимальное реактивное напряжение тем выше, чем больше жесткость противодействия, «запрещенная» деформация и сопротивление сплава пластической деформации.

Рис. 4.39. Генерация реактивного напряжения в ходе нагрева при внешнем противодействии восстановлению формы. Величина наведенной деформации e_r %: 1 (1); 6 (2); 8 (3); 10 (4).

oэпФ, как одно из проявлений эпФ, характеризуется своими обратимой деформацией, степенью восстановления формы, реактивными напряжениями. Сверхупругость также характеризуется своими свойствами: обратимой деформацией, степенью восстановления формы, температурным интервалом проявления сверхупругости, максимальным и минимальным напряжением сверхупругого возврата, их стабильностью при сверхупругом механоциклировании.

Управление комплексом свойств СПФ - важнейшая проблема современного металловедения. Все перечисленные функциональные свойства СПФ являются структурно-чувствительными. Поэтому эффективными способами управления ими служат такие традиционные методы формирования структуры и субструктуры как термическая и термомеханическая (тмo) обработки.

Термическая обработка. Применительно к сплавам на основе никелида титана основными видами термообработки являются закалка, старение после закалки и свободное термоциклирование через температурный интервал мартенситных превращений.

Закалка. Закалка СПФ Ti-Ni составов, близких к эквиатомному, предусматривает нагрев до температур существования стабильной рекристаллизованной высокотемпературной фазы (В2-аустенит) (рис. 4.40), выдержки при этих температурах и охлаждение со скоростью, достаточной для фиксации высокотемпературного структурного состояния к моменту начала мартенситного превращения.

В таком виде закалка используется для смягчения сплава, устранения влияния термомеханической предыстории и восстановления его свойств, гомогенизации твердого раствора, измельчения аустенитного зерна, предотвращения старения в процессе охлаждения.

в связи с небольшой склонностью к росту зерна, температуры нагрева под закалку сплавов Ti-Ni обычно лежат в интервале 700...900^ос. При этом формируется рекристаллизованный, мелкозернистый, однородный по составу В2-аустенит.

Высокая скорость охлаждения особенно важна при закалке стареющих сплавов Ti-Ni, содержащих > 50,5% (ат.) Ni (см. рис. 4.40). в этих сплавах при недостаточной скорости охлаждения (например, охлаждения на воздухе) в области температур ниже 600 ^ос из В2-фазы может выделиться избыточная фаза, что приведет к неконтролируемому изменению картины превращений и свойств. поэтому обогащенные никелем сплавы закаливают в воде или щелочном растворе.

Старение. Большинство практически важных СПФ на основе никелида титана имеют резкую концентрационную зависимость характеристических температур интервала мартенситных превращений. Так, изменение содержания никеля на 0,1% в «заникеленных» сплавах Ti- Ni влечет изменение точки M_sна 10...20 ^ос. это создает проблему получения требуемого интервала только за счет точного «попадания в состав», тем более что интервал изменяется при многократной реализации эпФ и oэпФ, а также при термомеханической обработке. Выход из положения заключается в использовании стареющих сПФ. Старение позволяет целенаправленно и постепенно регулировать функциональные свойства СПф данного состава. Основную роль в формировании комплекса функциональных свойств в результате старения играют следующие факторы: концентрационные изменения в твердом растворе, изменения в дефектной структуре, возникновение ориентированных полей внутренних напряжений в связи с выделением частиц, когерентных с матрицей, и их релаксация в связи с нарушением когерентности при росте частиц.

Рис. 4.40. Диаграмма фазового равновесия в системе Ti-Ni в области эквиатомного состава

Из диаграммы фазового равновесия Ti-Ni (рис. 4.40) следует, что ограниченная растворимость никеля в титане определяет существование двухфазной области В2 + TiNi₃. Полная последовательность процессов выделения избыточных фаз выглядит следующим образом: Ti₃Ni₄ ® Ti₂Ni₃ ® TiNi₃. При этом В2-матрица постепенно обедняется никелем, а стадии предвыделения и когерентного выделения сопровождаются возникновением полей ориентированных напряжений, что в совокупности ведет к изменению всего комплекса свойств сплава. Причем используемые на практике режимы старения соответствуют выделению фазы Ti₃Ni₄. Наиболее эффективно проведение старения сплавов Ti-Ni в интервале температур 400...500 ^ОС. Старение аустенита никелида титана эффективно влияет на характеристические точки температуры интервала мартенситных превращений и при этом может изменить саму последовательность мартенситных превращений при охлаждении и нагреве.

Термоциклическая обработка. Одним из распространенных видов термообработки сПФ является термоциклирование (тцо) через интервал мартенситных превращений, которое заключается в многократном повторении цикла «охлаждение ниже M_f -нагрев выше А_f». Во-первых, термоциклирование приводит к изменениям в структурном (введение и размножение дислокаций) и напряженном состояниях, поэтому с его помощью можно управлять функциональными свойствами спФ. Во-вторых, поскольку эти изменения в ходе термоциклирования стабилизируются, то стабилизируются и функциональные свойства, включая параметры однократного ЭПФ, сверхупругости и обратимого ЭПФ. тцо сплавов Ti-Ni, обработанных на твердый раствор (закаленных), вызывает снижение и расширение интервала M_s-M_f наиболее интенсивное в первых нескольких циклах и затем постепенно достигающее насыщения. В то же время интервал прямого мартенситного превращения при термоциклировании состаренных сплавов с 50,6 и 51,6% Ni практически не меняется. Все сплавы, подвергнутые дорекристаллизационному отжигу при 400 ^ОС после деформации, при последующем термоциклировании также не меняют интервала M_s-M_f.

Термомеханическая обработка. Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в комбинировании в едином цикле термической обработки и пластической деформации металла. При этом фазовые и структурные превращения протекают под влиянием повышенной плотности и закономерного распределения дефектов решетки, введенных деформацией.

ТМО эффективно повышает комплекс механических свойств сталей и сплавов с мартенситными превращениями, что обусловлено: прямым наследованием конечной фазой дислокационной cyбструктуры исходной фазы; измельчением и большей однородностью размеров кристаллов новой фазы; равномерным распределением и уменьшением «мощности» скоплений примесей; измельчением и большей однородностью размеров частиц выделений при старении и отпуске; изменением кинетики превращений.

спФ на основе никелида титана - естественные объекты применения ТМО, которая в том или ином виде входит в технологическую цепочку изготовления практически всех изделий из нитинола. Существуют две основные классические схемы ТМО: высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (нтмо). Они обе используются для управления комплексом функциональных свойств нитинола.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМO) заключается в горячей пластической деформации аустенита и последующем закалочном охлаждении для получения мартенсита и сохранения деформационной субструктуры к моменту начала мартенситного превращения. Низкотемпературная термомеханическая обработка (нтмo), когда пластически деформируют стабильный аустенит ниже порога рекристаллизации (но выше точки M_d) либо мартенсит (ниже точки M_d).

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1188; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 23

Мы поможем в написании ваших работ!