Экспериментальные исследования механических свойств никелида титана в сложнонапряженном состоянии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.374

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИКЕЛИДА ТИТАНА В СЛОЖНОНАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

© И.Н. Андронов, Н.П. Богданов, Н.А. Северова, А.В. Тарсин

Ключевые слова: никелид титана; сложнонапряженное состояние; упругие постоянные; изотермическое механо-циклирование.

Рассмотрено влияние знака нагружения (нагрузка или разгрузка), соотношения статической (тангенциальное напряжение) и меняющейся циклически (нормальное напряжение) нагрузок и числа механоциклов на величину модуля Юнга никелида титана ТН-1, находящегося в сложном напряженном состоянии.

На пути расширения практического использования материалов с ЭПФ как конструкционных интеллектуальных сплавов важным моментом является возможность управления комплексом свойств, присущих этим материалам. Механические характеристики зависят от многих факторов [1, 2]: температуры деформирования, состава сплава, времени старения, предварительной ТМО и др. Однако для СПФ практически не определялись упругие постоянные в таком эксперименте, когда образец подвергался одновременному действию нормальных и касательных напряжений при механоцикли-ровании. Зависимости упругих постоянных никелида титана от вида напряженно-деформированного состояния для различных температур деформирования в литературе не найдено.

Модули Юнга (осевые фазовые модули) в данной работе рассчитаны по массиву экспериментальных данных, которые получены при изучении свойств сплошных цилиндрических стержней из никелида титана эквиатомного состава, находящихся в сложном напряженно-деформированном состоянии. Опыты выполнены для двух температур ТМ = 290 К и Тд = 370 К, соответствующих мартенситному и двухфазному состояниям, а в режиме растяжения-сжатия эксперимент проведен также и при температуре ТА = 510 К, т. е. в аустенитном состоянии. Ошибка в измерении осевой деформации составляла ±0,005 %, а температуры ±1 К.

Образцы в изотермических условиях закручивали постоянным крутящим моментом, сообщая им статические касательные напряжения т, а затем циклировали осевым напряжением в условиях пульсационного механоцикла (рис. 1) с периодом Г = 120 с или симметричного цикла с полупериодом, равным 120 с. На каждом этапе механоциклирования с конкретными значениями т и а0 выполнялось от 10 до 20 циклов. Нагружение и разгрузка образца осуществлялись поэтапно, поэтому на схеме нагружения можно выделить отдельные этапы и пронумеровать их последовательно от 1 до 6 (рис. 1а) и от 1 до 12 (рис. 1б). Для всех этапов нагружения (1, 2, 3, 7, 8, 9) и разгрузки (4, 5, 6, 10, 11, 12) оценивались До (изменение величины напряжения), связанное с изменением нагрузки, и Де (соответст-

вующий деформационный отклик), а затем по формуле производился расчет модуля Юнга Е = Аа/Ає .

Рис. 1. Схема нагружения при изотермическом механоцикли-ровании нормальным (касательным) напряжением в условиях постоянного кручения (растяжения) с выделением этапов нагружения: а) пульсационный цикл; б) симметричный цикл

Рассматривали влияние знака нагружения (нагрузка или разгрузка), соотношения статической (тангенциальное напряжение) и меняющейся циклически (нормальное напряжение) нагрузок и числа механоциклов на величину модуля Юнга никелида титана ТН-1, находящегося в сложном напряженном состоянии. В данном случае напряженно-деформированное состояние оценивается через соотношение между статической т и амплитудой циклически меняющейся величины напряжения а0, т. е. через величину К = т/а0. Величины соотношений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Соотношения между статической т и амплитудной активной составляющей напряжений а0 (К = т/а0)

т/ао 50 100 150 200

50/->/3 0,58 0,29 0,19 0,14

100/73 1,15 0,58 0,38 0,29

150/ -/3 1,73 0,87 0,58 0,43

200/43 2,31 1,15 0,77 0,58

2065

Рис. 2. Зависимость модуля Юнга от величины амплитуды нормального напряжения а0 для различных этапов нагружения при механоциклировании растяжением-сжатием закрученного образца (К = 0,58)

Рис. 3. Зависимость модуля Юнга от величины соотношения К = т/ст0 для различных этапов нагружения при механоцик-лировании растяжением в условиях пульсационного цикла для мартенситного (а) и двухфазного состояния (б)

К. В мартенситном состоянии с увеличением К модуль Юнга на всех этапах уменьшается (рис. 3а), что нельзя сказать для двухфазного состояния (рис. 3б) - здесь фазовые модули, полученные на этапах 2,5, практически не зависят от соотношения К, а для этапа 3 -уменьшаются.

На рис. 4 представлены зависимости модуля Юнга от К = х/а0 при механоциклировании растяжением-сжатием закрученного образца для трех температур, соответствующих мартенситному состоянию (кривая ТМ), двухфазному состоянию (кривая Тд), аустенитно-му состоянию (кривая ТА).

Рис. 4. Зависимость модуля Юнга от К = т/ст0 при механо-циклировании растяжением-сжатием закрученного образца в мартенситном состоянии (кривая ТМ), двухфазном состоянии (кривая Тд), аустенитном состоянии (кривая ТА) для различных этапов нагружения: а) этапы догрузок и б) этапы разгрузок

Результаты экспериментов показывают, что осевой фазовый модуль на различных этапах изотермической нагрузки или разгрузки зависит от числа циклов, и в первых механоциклах он может как увеличиваться, так и уменьшаться, а далее - практически стабилизируется. Как видно из табл. 1, значение К = 0,58 получается при различных комбинациях статической и активной составляющих напряжений. Из представленных на рис. 2 зависимостей модуля упругости от величины амплитуды меняющегося нормального напряжения следует, что при а0 = 100 МПа для этапов 1 и 2 наблюдается уменьшение модуля (в 2,7 раза на 2 этапе) в отличие от монотонного увеличения модуля на других этапах нагружения.

Если сравнить значения осевых фазовых модулей на этапах активной изотермической догрузки (+Д О ) -1, 2, 3 и активной разгрузки (-Д О ) - 4, 5, 6, то не зафиксировано строго определенной зависимости величины исследуемой характеристики от вида воздействия (нагружение или разгрузка образца). На рис. 3 представлены зависимости модуля Юнга от величины соотношения К = х/а0 для различных этапов нагружения при механоциклировании растяжением в условиях пульсационного цикла для мартенситного (а) и двухфазного состояния (б). Для повторяющихся значений К = 0,58; 0,29; 1,15 здесь используются средние арифметические значения модуля для данных соотношений

В целом, опыт показал, что осевой фазовый модуль зависит от способа нагружения образца, и это стоит учитывать при проектировании исполнительных механизмов с использованием материала с ЭПФ, подвергающихся одновременному действию постоянных сдвиговых и переменных осевых напряжений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Материалы с эффектом памяти формы: справ. изд. / под ред. В.А. Лихачева. СПб.: Изд-во НИИХ, 1997-1998. 268 с.

2. Лихачев В.А., Кузьмин С. Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987. 216 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Andronov I.N., Bogdanov N.P., Severova N.A., Tarsin A.V. EXPERIMENTAL RESEARCH OF MECHANICAL PROPERTIES NICKELIDE TITANIUM IN COMPLEX STRESS STATE

The influence of the sign of loading (loading or unloading), the ratio of static (tangential stress), and the changing cycles (normal stress) loads and the number of mechanic cycles on Young's modulus NiTi TN-1, located in a complex stress state, is considered.

Key words: nickelide titanium; complex stress state; elastic constants; isothermal mechanical cycling.

2066