Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В

ного типа при изменении температуры или приложенного поля напряжений в кристаллах данного сплава.

Рис. 1.1. Восстановление формы проволоки из сплава

сэффектом памяти: a) при температуре 600 0С из проволоки выполнено слово «память»; б) при температуре 20 0С проволока деформирована; в) после нагрева до 100 0С проволока восстановила свою исходную форму [4]

Наличие термоупругого мартенситного превращения характерно для сплавов с ЭПФ: исходная форма кристалла восстанавливается в его высокотемпературной аустенитной модификации, после того как он под влиянием температуры или внешней нагрузки побывал в мартенситной фазе. Перемещение границы раздела при термоупругом мартенситном превращении как в сторону исходной фазы, так и в сторону мартенситной фа-

зы носит кооперативный, бездиффузионный характер и сопро-

вождается обратимой перестройкой атомной структуры. При этом восстанавливается исходная форма кристалла [5]. Структурный механизм данного процесса, который мы подробно рассмотрим позже, отличен от механизма классической упругой

6

деформации и является проявлением обратимости (полной или частичной) неупругой деформации.

Термоупругое мартенситное превращение и эффект памяти обнаружены во многих сплавах (Ti-Ni, Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn, FeNi, Cu-Zn-Al, Cd-Ag-Au, Au-Cu-Zn, In-Tl, AuCd и др. [5-6]). Од-

нако, из-за высокой склонности к хрупкому разрушению по границам зерен, больших гистерезисных потерь многие из них оказались невостребованными. Наиболее широкое практическое применение получили сплавы систем Ti-Ni, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni [5].

ЭПФ и СУ легли в основу большого числа научнотехнических разработок. Из применение позволило конструировать саморазвертывающиеся конструкции, обеспечивать несварной крепеж и герметизацию изделий, создавать новые типы термочувствительных приборов, тепловых двигателей, изготавливать медицинские инструменты и имплантаты [3-5].

1.2. Упругость и пластичность. Скольжение и двойникование

Как известно, действие внешней силы вызывает в каждой точке твердого тела механические напряжения и приводит к деформации тела. Рассмотрим типичную диаграмму растяжения металлического сплава (рис. 1.2). Участок ОА соответствует упругой деформации, для которой выполняется закон Гука (линейная зависимость деформации от напряжения):

7

где σ , ε – тензоры (второго ранга) напряжения и дефор- мации, – тензор (четвертого ранга) упругой жесткости.

Если на упругом участке произвести разгрузку образца, его форма полностью восстановитсяσ . После того, как напряжения превысят предел упругости у, деформация переходит в пласти-

ческую область (после не исчезает).

полной разгрузки деформация полностью

По достижении предела текучести σт деформация начинает расти без увеличения нагрузки (текучесть материала), на диа-

грамме часто получается горизонтальный участок – площадка текучести. На участке AB (рис. 1.2), в зависимости от образца и условий испытаний, реализуются те или иные виды пластического течения (скольжение дислокаций, двойникование и т.д.). При дальнейшем растяжении напряжение начинает расти, участок BC (от конца площадки текучести до максимальной точки кривой) называют зоной упрочнения (упруго-вязкий участок).

Если на упруго-вязком участке осуществить разгрузку (в точке E на рис. 1.2), то она будет осуществляться по прямой KO', параллельной упругому участку ОА. Послеε завершения разгрузки наблюдается остаточная деформация пл. Если из точки O' снова увеличивать растягивающую нагрузку, то образец упруго вернется в точку , после чего продолжится пластическая деформация. При этом длина упругого участка O'E больше, чем у начального участка OA, т.е. в результате пластической деформации повышается предел упругости. Данное явление называют

деформационным упрочнением (наклепом).

Максимальное напряжение, которое выдерживает образец (оно соответствует точке C на рис. 1.2) называют пределом прочности (временным сопротивлением) . При последующем растяжении напряжение (и, следовательно, растягивающая сила) уменьшаются.

8

A B

σт

O'

O εпл

Рис. 1.2. Типичный вид диаграммы растяжения пластичного материала [2]

При малых напряжениях, соответствующих обратимому процессу упругой деформации, атомы кристаллической решетки выходят из равновесных положений, а после снятия внешней нагрузки возвращаются в исходные положения (рис. 1.3, б). Обычно в такие смещения не превышают 1 % от межатомного расстояния. В реальных сплавах обычно предел упругости много меньше 1 %. Это связано с тем, что в кристалле быстро приходят в движение различные структурные дефекты, прежде всего дислокации.

Основными механизмами пластической деформации кристаллической решетки являются скольжение и двойникование.

При скольжении одна часть кристалла смещается относительно другой вдоль некоторой кристаллографической плоскости – плоскости скольжения (рис. 1.3, в). Плоскость и направление скольжения образуют систему скольжения.

9

τ

Рис. 1.3. Упругая и пластическая деформация кристаллической решетки

Отметим следующие важные особенности пластической деформации скольжением [10]:

–атомная структура решетки при скольжении сохраняется, поскольку скольжение одной атомной плоскости относительно другой происходит на целое число трансляций и атомные слои не отделяются друг от друга;

–процесс скольжения является анизотропным: он происходит по определенным кристаллографическим плоскостям, как правило, с наибольшей плотностью упаковки (такие плоскости характеризуются малыми индексами Миллера h,k,l): расстояние между парами плотноупакованных плоскостей относительно велико и требуется небольшое усилие для их сдвига друг относительно друга;

–направления скольжения также совпадают с направлениями наибольшей упаковки атомов, поскольку при таком скольжении атомы смещаются на наименьшее расстояние;

–пластическая деформация происходит под действием ка-

сательных напряжений τ (нормальная составляющая напряже-

10