CC BY
76
УДК 536.763
В.А. Плотников, Е. Ю. Гранкина, А.С. Грязное Деформационный гистерезис при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана
Введение. Известно, что при проведении цикла термоупругих мартенситных превращений в никелиде титана траектории процессов прямого В2^В19 и обратного В19^В2 превращений в пространстве термодинамических параметров количество мартен-ситной фазы - температура не совпадают [1]. Такое несовпадение на зависимости концентрации мартен-ситной фазы от температуры (рис. 1) представлено в виде гистерезиса. На рисунке 1 показано, что в цикле термоупругих мартенситных превращений температура Л5 (температура начала обратного превращения) превосходит температуру Ы1 (температура окончания прямого мартенситного превращения), а температура Л{ (температура окончания обратного мартенситного превращения) превосходит температуру М (температура начала прямого мартенситного превращения). В этой связи в никелиде титана термоупругие мар-тенситные превращения относят к превращению первого типа по Тонгу и Вайману [2]. Превращения первого или второго типов по Тонгу и Вайману характеризуются меньшей или большей вытянутостью петли гистерезиса, причиной которых является структурная неоднородность, создаваемая в ходе мартенситных превращений. Структурная неоднородность исходной фазы обусловлена дефектностью структуры и внутренними полями напряжений. В этой связи обратное превращение протекает при повышенной энергии, так как происходит наследование структурных неоднородностей, например, дислокаций.
Рис. 1. Температурный гистерезис при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана: М8, Мр Л8, Л{ - критические температурные точки прямого и обратного превращений соответственно; Т - температура межфазного равновесия
Физическая природа гистерезиса заключается в производстве энтропии при охлаждении и нагреве сплава. Согласно квазиравновесному обобщению термодинамического потенциала Гиббса на неравновесный процесс производство энтропии осуществляется как внутри системы, так и на поверхности раздела система-среда [3]. В случае мартенситных превращений основной вклад в производство энтропии внутри системы вносят процессы на внутренних границах раздела, в первую очередь связанные с тепловыми потоками через межфазные границы.
Кроме того, при мартенситных превращениях наблюдается накопление структурных дефектов в результате релаксации микронапряжений, генерируемых на межфазной границе. Явление носит название фазового наклепа, приводящего к упрочнению сплава. Процесс пластической релаксации, представляющий собой генерирование полных дислокаций и накопление их в структуре сплава, в этой связи является неконсервативным процессом, сопровождающимся диссипацией энергии, что приводит к дополнительному уширению петли гистерезиса [4].
В работе рассмотрены гистерезисные эффекты при циклировании термоупругих мартенситных превращений в никелиде титана в условиях действия механических напряжений.
Материал и методика проведения экспериментов. В экспериментах использовали сплав Т150№40Си10, для которого в таблице 1 приведены основные механические свойства и температурные точки мартенситных превращений. Сплав был выплавлен в НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института при Томском государственном университете. Условия выплавки сплава и его термомеханическое поведение описаны в монографии [5]. Исходное структурное состояние сплава было сформировано отжигом при температуре 850 0С и охлаждением до максимальной температуры ци-клирования, равной 150 0С.
Эксперименты представляли собой циклирование мартенситных превращений при циклическом изменении температуры в интервале от 20 и до 150 0С в условиях механического нагружения образца. В ходе циклирования мартенситных превращений регистрировали температуру образца и полную деформацию. Регистрацию этих параметров осуществляли в одном временном масштабе, что позволяет сопоставлять эти
Таблица 1
Свойства сплава Ti50Ni40Cu10
Температурные точки мартенситных превращений, 0С Напряжение мартенситного сдвига, МПа Предел текучести, МПа
C О M, s C О sT A , °C s C О
45 ЗУ 45 55 З5 215
параметры друг с другом. Экспериментальная установка была описана ранее в публикации [4].
Экспериментальные результаты. Охлаждение образца в условиях действия постоянной механической нагрузки сопровождается накоплением деформации в (рис. 2) при В2^В19 мартенситном превращении.
Л/, мм
Тм Т, Т,° С
Рис. 2. Зависимость мартенситной деформации от температуры цикла мартенситных превращений
При нагреве образца наблюдается возврат деформации в результате протекания обратного мартенсит-ного превращения В19^В2. При этом наблюдается несовпадение траектории накопления деформации и траектории возврата деформации: температура начала возврата деформации выше, чем температура окончания накопления. Такое соотношение температур накопления и возврата деформации приводит к формированию петли деформационного гистерезиса, характеризующего механические потери при проведении цикла мартенситных превращений. Циклирование мартенситных превращений сопровождается накоплением остаточной деформации - е
Для анализа механических потерь в цикле мар-тенситных превращений рассчитаем площадь гистерезиса. Для этого определим работу по накоплению деформации при охлаждении:
42 £ М-(T,+1 -T), (1)
Т0 1=11
здесь T, T++1 - начальная и конечная температура в элементарном интервале температур от i до I + 1; s - площадь поперечного сечения образца; Д. - деформация образца в i-й точке; о ■ s - сила, приложенная
к образцу, сечением s; T0 =1 (Ms + As) - температура
термодинамического равновесия.
Работа по возврату деформации при нагреве образца A21 определяется аналогично.
Разность этих работ и будет определять площадь петли гистерезиса
W=A21 - A12. (2)
В таблице 2 приведены данные по величине механических потерь при циклировании мартенситных превращений в условиях нагружения нагрузкой в 25,8 и 62,5 МПа.
Как следует из данных таблицы 2, площадь петли гистерезиса при циклировании мартенситных превращений уменьшается. На рисунке 3 показано, что наблюдается снижение энергии потерь по нелинейному закону с выходом на насыщение при увеличении номера цикла превращений.
Зависимость площади петли гистерезиса от номера цикла мартенситных превращений с достаточной точностью можно аппроксимировать экспоненциальной функцией типа
W = Wn + W0 exp (-an). (3)
Wn - уровень насыщения энергии потерь; W0 - площадь петли гистерезиса в нулевом цикле; a - коэффициент в показателе экспоненты (3), характеризующий скорость снижения энергии потерь в цикле мартен-ситных превращений, n - номер цикла мартенситных превращений.
В таблице 3 приведены параметры аппроксимации экспериментальных зависимостей функцией (3)
Обсуждение результатов. Несмотря на обратимый характер накопления и возврата деформации, в тер-
Таблица 2
Энергия потерь в циклах мартенситных превращений в условиях нагружения
Нагрузка, Площадь гистерезиса в циклах мартенситных превращений, 10 ЗДж
МПа 1 2 З 4 5 6 7 8 9 10 11
25,8 1,5 2,00 1,74 1,8З 1,2 1,71 1,2 1,41 1,48 1,50 1,49
62,5 9,07 6,57 6,З7 4,91 5,1З 4,З8 5,41 4,4 5,З2 5,4 5,З
1З2
Рис. 3. Зависимость энергии потерь от номера цикла мартенситных превращений под действием постоянного механического напряжения: а -25,8 МПа; б -62,5 МПа; 1 - экспериментальные точки; 2 - аппроксимация функцией (3)
Таблица 3
Параметры аппроксимации экспериментальных зависимостей функцией (3)
Нагрузка, МПа Г, -10-3 Дж Ж0, -10-3 Дж а Я2
25,8 1,4±0,2 0,9±0,2 0,21±0,18 0,896
62,5 5,1±0,3 18±13 0,77±0,35 0,885
модинамическом смысле эти процессы необратимы. И при охлаждении (при прямом превращении Б2^Б 19), и при нагреве (при обратном превращении Б19^Б2) происходит рассеяние (диссипация) энергии. Проанализируем причину возникновения деформационного гистерезиса в цикле мартенситных превращений. Как было уже сказано выше [3], физическая природа такого гистерезиса заключается в производстве энтропии при охлаждении и нагреве сплава.
Рассмотрим потенциал Гиббса, обобщенный на неравновесный процесс термоупругих мартенситных превращений [3]
Ф = и - Т8 + рУ. (4)
Из приведенного соотношения следует, что в цикле мартенситных превращений наблюдается
йФ = ^йТ + Уайе - Т(с®^ + dS ргпов). (5)
Здесь а№рг элементарная энтропия, произведенная необратимыми процессами внутри системы; dSpгпoв -элементарная энтропия, произведенная необратимыми процессами на поверхности раздела система среда; Уайе - работа, совершаемая средой над системой при приложении механического напряжения о.
Таким образом, производство энтропии обусловлено как необратимыми процессами внутри системы, так и на поверхности раздела со средой. В случае мартен-ситных превращений основной вклад в производство энтропии вносят процессы на межфазной границе, в первую очередь связанные с тепловыми потоками через внутренние (межфазные) границы, площадь внешних границ образца не менее чем на порядок меньше площади внутренних границ, поэтому ими
можно пренебречь [4]. Кроме того, при мартенситных превращениях наблюдается накопление структурных дефектов в результате релаксации микронапряжений, генерируемых на межфазной границе. Накопление дефектов также сопровождается производством энтропии.
Таким образом, площадь петли гистерезиса уменьшается и выходит на насыщение в ходе многократного циклирования мартенситных превращений за счет насыщения фазового наклепа и прекращения в этой связи генерации дефектов, а также за счет уменьшения производства энтропии на межфазных границах. Так как сплав Ті50№40Си10 не склонен к пластической релаксации и фазовому наклепу, то производство энтропии, связанное с генерацией дефектов, исключено. Следовательно, снижение площади гистерезиса при циклировании мартенситных превращений может быть обусловлено снижением производства энтропии за счет снижения плотности границ в цикле превращений. Снижение числа границ в цикле превращений возможно, если уменьшается объем фазы, участвующей в мартенситных превращениях.
О снижении числа мартенситных границ может свидетельствовать увеличение скорости выхода на насыщение площади гистерезиса с 0,21 до 0,77 при увеличении механического напряжения с 25, 8 до 62,5 МПа. Косвенно об этом может свидетельствовать и накопление остаточной деформации, которая растет от цикла к циклу.
Заключение. Проведенное исследование деформационного гистерезиса показало, что в ходе много-
кратного циклирования мартенситных превращений в условиях механического нагружения никелида титана наблюдается экспоненциальное снижение площади петли гистерезиса до насыщения. Снижение площади гистерезиса свидетельствует об уменьшении
рассеяния энергии в цикле превращений (диссипации энергии), что может быть связано с уменьшением объема мартенситной фазы, участвующей в циклах термоупругих мартенситных превращений в условиях механического нагружения.
Библиографический список
1. Паскаль, Ю.И. Необратимые явления при мартен-ситном превращении никелида титана / Ю.И. Паскаль, Л.А. Монасевич // Изв. вузов. Физика. - Томск, 1980.
2. Tong, H.C. Characteristic temperature and order properties of thermoelastic martensites / H.C. Tong, C.M. Wayman // Acta met. - 1974. - Vol. 22, №7.
3. Паскаль, Ю.И. Нелокальное неравновесно-термо-
динамическое описание мартенситного превращения / Ю.И. Паскаль // Изв. вузов. Физика. - 1981. - №11.
4. Потекаев, А.И. Акустическая диссипация энергии при термоупругих мартенситных превращениях / А.И. Потекаев, В.А. Плотников. - Томск, 2004.
5. Гюнтер, В.Э. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы / Гюнтер В.Э. и др. - Томск, 1998.
