CC BY
56
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 539.374
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В НИКЕЛИДЕ ТИТАНА ПОСЛЕ ТРЕНИРОВКИ ИЗОТЕРМИЧЕСКИМ МЕХАНОЦИКЛИРОВАНИЕМ
И.Н. АНДРОНОВ, Н.П. БОГДАНОВ, Н.А. СЕВЕРОВА
Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта [email protected]
Выполнен эксперимент по термоциклированию через интервалы мартенсит-ных превращений образцов из никелида титана после их предварительного изотермического механоциклирования в свободном состоянии в условиях одновременного кручения и одноосного сжатия. Обнаружен ряд необычных эффектов мартенситной неупругости, а также взаимозависимость между деформациями, обусловленными статическими и динамическими составляющими напряжения при тренировке.
Ключевые слова: термоциклирование, никелид титана, цилиндрические образцы, механоциклирование, одновременное кручение и одноосное сжатие, ортогональное нагружение
I.N. ANDRONOV, N.P. BOGDANOV, N.A. SEVEROVA. DEFORMATION EFFECTS IN TITANIUM NICKELIDE AFTER TRAINING BY ISOTHERMAL MECHANOCYCLING
Experiment on thermocycling in free condition through intervals of martensite transformations of samples from titanium nickelide after their preliminary isothermal mechanocycling in complex intense condition of simultaneous torsion and single-axis compression is executed. А number of unusual effects of martensite anelasticity and interrelation between the deformations caused by static and dynamic components of pressure during training are found out.
Key words: thermocycling, titanium nickelide, cylindrical samples, mechano-cycling, simultaneous torsion and single-axis compression, orthogonal loading
Широкое использование в технике и медицине [1,2] материалов с эффектом памяти формы, где в каждом конкретном устройстве функционирование сплава связано со специфическими воздействиями и сложным функциональным назначением, позволяет говорить об актуальности проведения дальнейших исследований их необычных свойств. Из анализа литературных данных невозможно построить четкой картины поведения сплава на основе при термомеханических воздействиях, характерных для реальных устройств. Практически не изучено механическое поведение данных материалов в процессе их термоциклирования в свободном состоянии после специфических механических воздействий, например, после длительного изотермического механоциклирования в условиях одновременного кручения и одноосного растяжения-сжатия. В литературе практически отсутствует описание деформационных эффектов, которые в таких случаях наблюдаются в сплошных цилиндрических образцах из никелида титана. Считаем, что полученные в данном направлении исследований новые экспериментальные сведения будут иметь большую научную и практическую ценность.
Материал и методы
Сплошные цилиндрические образцы были изготовлены из одной партии прутков сплава ТН-1 и имели форму стержней диаметром 4 мм. Длина рабочей части составляла 30 мм или 18 мм, полная длина - 66 и 50 мм соответственно. Короткие образцы использовались при механоциклировании в условиях действия постоянного или переменного сжимающего усилия. Значения (характеристических) температур фазовых переходов составили Мн = 326 К, Мк = 298 К, Ан =390 К, Ак = 488 К. Образцы подвергались предварительной термообработке, при которой в течение 30 мин производился отжиг при 550° С с последующим охлаждением на воздухе.
Результаты эксперимента по предварительному изотермическому механоциклированию представлены в работе [3]. В процессе предварительного нагружения образец вначале подвергали воздействию постоянным касательным или нормальным напряжением, а затем изотермически механо-циклировали в ортогональном направлении в условиях пульсационного или симметричного циклов.
На примере пульсационных механоциклов предварительно продеформированного образца на рис.1 показано изменение амплитуды переменного (ортогонального) напряжения при тренировке: по
Рис.1. Схема воздействия на предварительно продеформированный образец в процессе тренировки по ортогональной составляющей напряжения и последующего термоциклирования.
сто (нормальным) или по 73 то (касательным) напряжениям, которая увеличивалась на 50 МПа через каждые N=10^20 механоциклов, а также изменение температуры при нагревании-охлаждении в свободном состоянии. Период пульсационного или по-лупериод симметричного механоциклов составлял 120 с. Все режимы деформирования, пройденные при тренировке изотермическим механоциклирова-нием, выполнены в мартенситном состоянии (ТМ = 290 К) и представлены в таблице. По всем режимам было использовано 28 образцов. Два последних цикла тренировки выполнялись в отсутствии статической составляющей напряжения. После механо-циклирования растяжением-сжатием закрученного образца в процессе механоциклирования без касательного напряжения наблюдали максимальное восстановление сдвиговой деформации до 2%.
Режимы предварительной тренировки
нировки для второго термоцикла (независимо от типа цикла - пульсационный или симметричный) наблюдаются геометрические подобия между кривыми £-Т, Y-Т, Y-£.
Результаты и обсуждение
При исследовании эффектов мартенситной неуп-ругости при термоциклиро-вании после механоцикли-рования по ортогональной составляющей в условиях сложного напряженного состояния зафиксировано, что по обеим составляющим деформации при изменении температуры наблюдаются сложные и неоднозначные зависимости от температуры. Рассмотрим более подробно результаты, полученные при термоциклировании образцов, которые при тренировке были предварительно сжаты, а затем механоциклировались пуль-сационным или знакопеременным кручением (режимы V и VII).
Величина накопленной осевой деформации сжатия при механоциклировании в режиме V составляла от -1,6 % (при ст = -50 МПа) до -6,75 % (ст = -200 МПа), в режиме VII - от - 2,26 % (ст = -50 МПа) до -6,56% (ст = -200 МПа). При снятии сжимающей нагрузки ст = -200 МПа наблюдается изменение деформации образца: в режиме V на +3,87%, в режиме VII - на +3,24 %. Соответственно, осевая деформация после снятия сжимающей нагрузки составила -2,88% (точка А на рис. 2 а) и - 3,32%
Режим Статическая нагрузка Переменная нагрузка Вид цикла
I Кручение Растяжение Пульсационный
II - “ - Сжатие - “ -
III - “ - Растяжение- сжатие Симметричный
IV Растяжение Кручение Пульсационный
V Сжатие - “ - - “ -
VI Растяжение - “ - Симметричный
VII Сжатие - “ - - “ -
При термоциклировании образцов через интервалы мартенситных переходов фиксировались: температура, сдвиговая и осевая деформации. Скорость нагрева и охлаждения составляла ± 10 К/мин, что обеспечивало равномерность прогрева образца по сечению. Её измерение осуществляли с помощью двух термопар, закрепленных на поверхности образца.
Изучались зависимости Y-Т, е-Т, а также исследовались кривые, демонстрирующие взаимозависимости Y-е. Отмечено, что при всех режимах тре-
Рис.2. Восстановление осевой деформации при ст = 0 и амплитуде то= 200 л/3 МПа после механоцикли-рования в режимах V (а) и VII (б) в присутствии сжимающего напряжения ст = 200 МПа, Т = 290К.
(точка В на рис. 2 б). Восстановление осевой деформации в процессе механоциклирования кручением без сжимающего напряжения в первом цикле максимально достигает 0,6 % (рис.2 б).
В первом термоцикле при нагревании в свободном состоянии образец деформируется в сторону предшествующей статической нагрузки (сжимается) независимо от того, каким было воздействие по ортогональной составляющей - одностороннее или знакопеременное кручение (рис. 3). При охлаждении образец растягивается. Однако изменения по осевой составляющей деформации в процессе нагревания-охлаждения в большинстве случаев выше после пульсационного, чем после симметричного цикла кручением. Размах изменения осевой деформации в первом и втором термоциклах может быть различным, но в большинстве случаев максимальное восстановление деформации наблюдается в первом цикле.
,К
мация практически не изменяется (рис. 3 в,г, участок DE), хотя т емпература увеличивается на 2550 К. В некоторых случаях (рис. 3 г) наблюдаются два таких участка.
Важно отметить, что в работе впервые обнаружен новый, термодеформационный эффект. Он проявляется в том, что в отличие от обычных е-Т диаграмм, когда кривая восстановления деформации лежит правее кривой ее накопления [4-6], кривые восстановления и накопления были “как бы перевернуты” по шкале Т, т.е. линия восстановления при нагреве (кривая АВ) лежала левее линии накопления деформации (кривая ВС) рис. 3 а.
Кривые зависимости сдвиговой составляющей деформации, вызванной активным нагружением в условиях пульсационного или симметричного циклов, от температуры ^-Т), частично представленные на рис.4 а,б, позволяют видеть, что наблюдаются эффекты мартенситной неупругости при
в.%
Т, К
Рис.3. Зависимость осевой деформации от температуры, при термоциклировании в свободном состоянии, после механоциклирования кручением с амплитудой т = 200/^13 МПа (а,в - пульсационный цикл, режим V; б,г - симметричный цикл, режим VII) при постоянном сжимающем напряжении ст = -50 МПа (а), -100 МПа (б), -150 МПа (в,г). Здесь и далее: первый термоцикл (1), второй термоцикл (2).
Изучая вид кривых £-Т во втором термоцикле, при охлаждении на кривой можно увидеть, что после восстановления деформации (растяжение образца) наблюдается ее накопление (сжатие образца) как в режиме V при ст = -150 МПа (рис. 3 в) (пульсационный цикл), так и в режиме VII при ст = -І00, -150 (рис. 4 б,г), -200 МПа (симметричный цикл). При нагревании во втором термоцикле зафиксированы участки, на которых осевая дефор-
нагревании (эффект памяти формы) и охлаждении (пластичность прямого превращения). Важно отметить, что во втором термоцикле наблюдается эффект обратимой памяти формы. Отмечается уменьшение площади гистерезисной кривой Y - Т при переходе от первого термоцикла ко второму и уменьшение размаха термодеформационной кривой, что, вероятно, связано со смещением в сторону высоких температур характеристических темпе-
ратур мартенситных переходов вследствие меха-ноциклического тренинга (рис. 4 а,б,г).
Для режима V при наименьшем и наибольшем значениях статических нагрузок ст = -50, -200 МПа наблюдается, что при нагревании в первом цикле образец не раскручивается, а закручивается в направлении ранее приложенного переменного крутящего момента (рис. 4 в).
При графическом представлении экспериментальных данных в зависимостях Y - £ для второго термоцикла обнаружено, что кривые демонстрируют сложные гистерезисные зависимости (рис.5 а,б). Как следует из рис.5, траектория деформирования в координатах Y-£ геометрически подобна зависимости Y-Т (рис. 4 б и 5 б; рис. 6). Иными словами, из рисунков видно, что сжатие качественно
У, %
т, к
т,
Рис.4. Зависимость сдвиговой деформации от температуры, при термоциклировании в свободном состоянии, после механоциклирования кручением с амплитудой т = 200/л[3 МПа (а,в - пульсационный цикл, режим V; б,г - симметричный цикл, режим VII) в присутствии постоянного сжимающего напряжения ст = -100 МПа (а,б), -200 МПа (в,г).
Рис.5. Зависимость сдвиговой деформации от осевой при термоциклировании образца в свободном состоянии после механоциклирования кручением с амплитудой т = 200/л/3 МПа в присутствии постоянного сжимающего напряжения ст = -100 (а); -50 (б) МПа (а - пульсационный цикл, режим V; б - симметричный цикл, режим VII.
Рис.6. Сравнение вида графических зависимостей у - £ (а) и у - Т (б) при термоциклировании образца в свободном состоянии после предварительного изотермического механоциклирования кручением с амплитудой ^ = 200/л/3 МПа в режиме пульсационного цикла (режим V) в присутствии постоянного сжимающего напряжения ст = -50 МПа.
равнозначно нагреву, а уменьшение осевой деформации равносильно охлаждению образца.
Обсуждение результатов
В результате исследований по термоцикли-рованию образцов после их тренировки механоцик-лированием в сложном напряженном состоянии (кручение в условиях пульсационного или знакопеременного циклов сжатого образца) в мартенсит-ном состоянии, зафиксировано, что зависимости от температуры для сдвиговой деформации (обусловленные активной - циклически меняющейся нагрузкой) и для осевой деформации (обусловленные статическим сжатием - постоянной нагрузкой) различны. Показано, что зависимости Y - £, имея сложный вид, демонстрируют внешнюю схожесть с кривыми, демонстрирующими эффект обратимой памяти формы при термоциклировании.
Зафиксировано, что изменение по осевой составляющей деформации, при термоциклировании, как правило, больше после пульсационного цикла кручением, чем после симметричного цикла. Отмечено, что в условиях пульсационного цикла при нагревании в первом термоцикле можно наблюдать как закручивание при растяжении, так и раскручивание при сжатии, а во втором термоцикле при нагревании и охлаждении можно наблюдать двух- или трехэтапное изменение сдвиговой и осевой деформации.
В нашем эксперименте эффект обратимой памяти формы инициирован деформированием в мартенситном состоянии - многократным механо-циклированием кручением сжатого образца, т.е. рассматривается «мартенситный» тип памяти формы. В этом случае ожидаемое ее проявление таково: при нагревании деформация образца должна возвращаеться (растяжение и раскручивание), а при охлаждении - накапливаться (сжатие и закручивание). Однако, опыт показал, что в ситуации с симметричным циклом в первом термоцикле при нагревании в 100% опытов наблюдается сжатие и раскручивание образца. В случае же пульсацион-ного цикла такое же изменение деформации наблюдали уже в 75% случаев. Для успешного проектирования элементов приводных или иных устройствах из никелида титана важно знать, как оно сработает в нужный момент времени при нагрева-
нии. Неоднозначное поведение материала после механоциклирования в сложном напряженном состоянии в условиях пульсационного цикла отвергает данный вид тренировки, как некий базисный, при проектировании и подготовке элемента сжимающегося и одновременно раскручивающегося при нагревании. Наблюдаемый в опыте эффект двухэтапного или даже трехэтапного изменения сдвиговой и осевой деформации при нагревании также необходимо рассматривать как возможные варианты деформирования, которые могут привести к сбою в работе проектируемого механизма.
Результаты представленных исследований можно эффективно использовать или учитывать при создании устройств и механизмов сложного функционального назначения из материалов с памятью формы, где при одном или нескольких циклах нагрева-охлаждения требуется реализовать изменение длины и поворота цилиндрического элемента относительно оси симметрии. Очевидно, что результаты настоящего исследования позволяют ближе подойти к решению проблемы создания многофункциональных изделий с памятью формы, работающих в условиях реализации сложных траекторий деформирования.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (госконтракт №16.740.11.0123 от 02.09.10).
Литература
1. Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. / Под ред. В.А. Лихачева. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1998. Т. 4. 380 с.
2. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения / В.Э. Гюнтер, В.Н. Ходо-ренко и др. Томск: МИЦ, 2006. 296 с.
3. Андронов И.Н., Богданов Н.П., Северова НА. Деформационные эффекты, обусловленные изотермическим механоциклированием в условиях сложного напряженного состояния // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2011. Вып. 1(5). С. 67-73.
4. Андронов И.Н., Лихачев ВА., Рогачевская МЮ. Эффекты памяти формы у сплава Т.№Си при сложном напряженном состоянии // Изв. вузов. Физика. 1989. № 2. С. 117-119.
5. Андронов И.Н., Какулия Ю.Б., Лихачев ВА. Термоциклическая деформация сплава Си-62.5%Мп в условиях сложного нагружения // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1989. № 1. С. 88-92.
6. Андронов И.Н, Богданов Н.П., Северова Н. А. Влияние вида напряженного состояния на характер деформирования материалов в условиях проявления мартенситной неупруго-сти // Вестник Тамбовского университета. 1998. Т.3. Вып. 3. С. 236-238.
Статья поступила в редакцию 29.12.2011.
