Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В
Рис. 1.20. Пример обратимой памяти формы [6]: а – спираль при комнатной температуре (после выдержи при 300 oС); б – после деформации при комнатной температуре; в – восстановление формы при нагреве до 100 оС; г, д – удлинение за счет обратимого эффекта памяти
Для реализации обратимого эффекта памяти необходима предварительная обработка образца. Известно несколько способов такой «тренировки» [6]:
1)деформация мартенситной фазы выше некоторого определенного предела;
2)деформация образца, находящегося в аустенитной фазе;
3)деформации образца в состоянии аустенитной фазы, по-
следующее охлаждение до температуры ниже Mн в стесненном состоянии и длительная выдержка под внешней нагрузкой;
4)деформация образца в мартенситной фазе и послующий нагрев в стесненном состоняии, в результате чего происходит обратное превращение;
5)образование дисперсных выделений в исходной фазе и последующая деформация образца.
Все эти способы основаны на формировании поля внутренних напряжений внутри исходной (аустенитной) фазы. При охлаждении эти поля управляют мартенситным превращением.
Вспособах 1-3 поле внутренних напряжений создается возникающими при деформации необратимыми дефектами, такими
31
как дислокации, а в способах 4 и 5 оно вызывается выделениями второй фазы и стабильным мартенситом деформации, который даже при нагреве не подвергается обратному превращению.
Созданная тем или иным способом дефектная структура, обладающая ярко выраженной текстурой, наследуется решеткой аустенитной фазы. Эта макроструктура и реализуется при повторном охлаждении, вызывая связанное с текстурой формоизменение [8].
Многие материалы обладают многократно-обратимой (круговой) памятью формы при термоциклировании через интервалы прямого и обратного мартенситного переходов. Зависимость деформации от температуры для таких материалов имеет характерный вид механического гистерезиса. Отличительной особенностью кругового эффекта памяти является чрезвычайно высокая циклическая стойкость: он не исчезает после практически любого количества теплосмен (десятков и сотен тысяч) [2].
1.7. Основные характеристики сплавов с эффектом памяти формы
Возможность применения материалов с памятью формы определяется их термомеханическими свойствами, которые можно разбить на три группы [3]:
1)температурные свойства: температура начала и конца восстановления формы;
2)деформационные свойства: степень восстанавливаемой деформации, степень сверхупругой деформации, степень восстановления формы;
3)силовые свойства: реактивные напряжения восстановления формы, удельная работа восстановления формы.
Различные методики испытаний, используемые для определения этих параметров, описаны в книге [3].
1.8. Сплавы на основе Ni-Ti
Из большого числа сплавов с ЭПФ промышленное применение получили сплавы систем Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni и Ni-Ti. В
32
таблице приведены значения некоторых свойств сплавов этих систем. Нитинол (50 ат. % Ni – 50 ат. % Ti) в сравнении со сплавами на основе меди обладает большей величиной обратимой деформации и большей температурой максимально допустимого нагрева, большей прочностью и пластичностью. Также отмечается высокая коррозионная стойкость никелида титана, большое число циклов при термоциклировании (до десятков тысяч).
Исходной (аустенитной) фазой в сплаве нитинол является соединение NiTi, имеющее ОЦК структуру B2 типа CsCl. Данное соединение существует в узком интервале концентраций 5052 ат. % Ni при 800 оС, отклонение от которого приводит к интенсивному выделению фаз Ni3Ti и Ti2Ni3 (рис. 1.21). Данная фаза характеризуется наличием обратимого термоупругого мар-
тенситного превращения |
|
|
|
после предварительной пла- |
|||||||
2 |
|
|
|
при -180 |
|
19′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оС на 2 % и превращения |
|||||||
стической деформации |
|
2 19 |
|
|
|
о |
|||||
|
после пластической деформации при 80 |
С на 7.3 % c |
|||||||||
образованием моноклинного мартенсита ( |
или R) [2]. |
||||||||||
Некоторые свойства сплавов с ЭПФ сплавов Ni-Ti, |
|||||||||||
|
|
Cu-Zn-Al и Cu-Al-Ni [2] |
|
|
|
|
|||||
Свойство |
50 ат. % Ni – |
|
Cu–(15-35)%Zn– |
|
Cu–(13-14)%Al– |
|
|||||
50 ат. % Ti |
|
|
(6-8)%Al |
|
|
(3-4)%Ni |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Плотность, кг/м3 |
|
6,4-6,5 |
|
|
7,8-8,0 |
|
|
7,1-7,2 |
|
||
Электропроводность, |
|
|
1-1,5 |
|
|
8-13 |
|
|
7-9 |
|
|
106 Ом/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Предел прочности, |
800-1000 |
|
|
400-700 |
|
|
700-800 |
|
|||
МПа |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Относительное удлин- |
|
|
40-50 |
|
|
10-15 |
|
|
5-6 |
|
|
нение, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимальная Aн, оС |
|
|
120 |
|
|
150 |
|
|
200 |
|
|
Обратимая деформа- |
|
|
8 |
|
|
6 |
|
|
5 |
|
|
ция, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимально- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
допустимый нагрев |
|
|
400 |
|
|
160 |
|
|
300 |
|
|
(кратковременный), оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
33
Рис. 1.21. Диаграмма состояния системы Ti-Ni
Изменять в широком пределе температурные интервалы проявления эффектов псевдоупругости и памяти формы в сплавах Ni-Ti можно при помощи:
-изменения химического состава (изменением процентного содержания Ni, введением малых добавок V, Cr, Mn, Fe и др. металлов);
-изменения фазового состава путем выбора различных режимов термообработки;
-формирования определенной структуры и текстуры сплавов при помощи механической обработки.
Существенное влияние на свойства сплавов Ni-Ti могут оказывать также различные примеси (углерод, кислород, водород), которые могут содержатся в исходном сырье или проникать в материал в процессе выплавки и обработки.
34
1.9. Сплавы на основе меди
Среди сплавов с ЭПФ на основе меди наибольшее применение получили сплавы систем Cu-Al-Ni и Cu-Zn-Al с использованием различных модификаторов (B, Ce, Co, V, Ti, Zr, Fe).
В этих сплавах зависимость температур начала прямого и обратного мартенситного превращения от состава сплава очень сильная и может быть описана эмпирическими выражениями
н(°С) = 2212 −66.9 ∙ [(ат. % Zn)] + 1.355 ∙(ат. % Al)], |
(1.6) |
[2], которые для сплавов Cu-Zn-Al имеет вид |
|
н(°С) = 2117 −58.79 ∙[(мас. % Zn)] −149.64 ∙(мас. % Al)]; (1.7) а для сплавовн(°С) Cu= 2020-Al-Ni−–45 ∙[(мас. % Ni)] −134 ∙(мас. % Al)]. (1.8)
Температуры превращений в данных сплавах могут варьироваться в достаточно широком интервале, но в то же время имеют верхние пределы (см., например, табл. 1.1), выше которых температура фазовых превращений может быть нестабильной из-за процессов старения.
Сплавы на основе Cu-Zn и Cu-Al получают) закалкой от высоких температур из области ОЦК ( твердого раствора цинка и алюминия в меди. При комнатных температурах данные сплавы представляют собой пересыщенные твердые растворы с упорядоченным расположением атомов по узлам ОЦК-решетки. Это состояние является метастабильным и при дальнейшем охлаждении или под действием внешней нагрузки происходят термоупругие мартенситные превращения, обеспечивающие эффекты°псевдоупругости и памяти формы. При нагреве выше 150-250 С пересыщенные твердые растворы неустойчивы и распадаются на равновесные фазы, теряя способность к мартенситным переходам и памяти формы. К другим недостатком данных систем можно отнести невысокие механические характери-
35