Исследование взаимосвязи деформационных эффектов и фазового превращения в ti55ni44,5Fe0,5 Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 669.295'24:669.017.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ И ФАЗОВОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В Ti^NU^Feo.s

© А.Е. Волков, С.А. Егоров, Н.Н. Рссннна

Volkov А.Е.. Egorov S. A.. Rcsnina N.N. A study of the relation between the deformation effects and phase transformation in TissNiw.sFco.ii. The relation between martensitic transformation and variation of the deformation on cooling and heating under the constant stress was studied. The difference between the martensitic transformation temperature and the temperature of strain recovery was found. It was suggested that this effect was connected to the formation of the detwinncd and twined martensite during cooling under the constant stress.

Известно, что основным механизмом обратимого неупругого формоизменения, наблюдаемого в сплавах на основе никелида титана, являются термоупругие мартенситные превращения. В соответствии с этим долгое время полагали, что эффекты памяти формы реализуются строго в интервалах мартенситных переходов. Вместе с тем, имеются работы [2-4], в которых было обнаружено, что однозначное соответствие между температурными интервалами реализации деформационных эффектов и структурных превращений наблюдается не всегда. Так, в [3] было установлено, что монодоменизация мартенсита, происходящая во время охлаждения материала под напряжением, приводит к тому, что возврат деформации при последующем нагревании начинается при температурах, превышающих температуру обратного фазового перехода. Следовательно, увеличение доли монодоменнзнрованного мартенсита, вызванное действием напряжения, должно приводить при последующем нагреве к уменьшению несоответствия между температурами обратного перехода и восстановления деформации.

В настоящей работе проведено изучение величины несоответствия между температурами реализации эффекта памяти формы и обратного мартенситного превращения в образце из никелида титана в условиях термоциклов, реализуемых при действии различных постоянных напряжений. В качестве объекта исследования выбран сплав Т155№44 ;Рео,5. Трубчатый образец с внутренним и внешним диаметрами 4,9 и 5,9 мм и длиной рабочей части 24 мм был предварительно отожжен в течение 3,5 ч при Т = 823 К и охлажден с печью до комнатной температуры. Для осуществления целей исследования в экспериментах использовали методику, позволяющую одновременно измерять деформацию, напряжение и проводить дифференциальный термический анализ (ДТА).

Результаты ДТА показали, что после указанной термообработки в образце в отсутствие напряжения происходит тепловыделение при охлаждении и тепло-поглощение при нагревании, что указывает на протекание прямого и обратного мартенситных превращений. По положению аномалии на кривой А ЦТ) ( Т-разннца между температурами образца и эталона) были определены температуры фазовых переходов М„ = 346 К,

АТ, К

Рис. 1. Зависимость разности температур образца и эталона АТ от температуры образца Т (кривая ДТА) после отжига при г= 0 для сплава Т^Ыи-оРео^

Рис. 2. Зависимости у(Г) и ЛТ(Т), полученные в TisjNuoFeoj при термоциклировании под постоянным напряжением: 20 -(а) и 60 МПа-(б)

Рис. 3. Зависимости температур Л//, А// и Ац от величины приложенного напряжения для сплава Т^Ыц^Рем

т

Рис. 4. Температурная кинетика изменения количества фазы (а), тепловыделения (б) и деформации (в) для полиломенного и монодоменнзнрованного мартенсита

Мк = 330 К, А„ = 360 К (рис. I). Экспериментальные исследования осуществляли следующим образом: образец нагружали в высокотемпературном состоянии (7" = 420 К), а затем охлаждали и нагревали под постоянным напряжением (т), величина которого в последо-

вательных термоциклах равнялась 0, 20, 40, 60 и 80 МПа. Как при охлаждении, так и при нагревании проводили ДТА и измеряли деформацию кручения.

Экспериментальные зависимости у(Т) и АГ(7), полученные в термоциклах с напряжениями 20 и 60 МПа, представлены на рис. 2. Данные показывают, что при термоциклировании под напряжением 20 МПа температура начала возврата деформации при нагревании А// превышает температуру начала обратного перехода Ац на 20 К (рис. 2а). Деформационный возврат начинается при температуре, совпадающей с положением минимума на кривой АД71, следовательно, эффект памяти формы реализуется в сплаве тогда, когда значительная часть мартенсита уже перешла в аустенит. Увеличение напряжения до 60 МПа приводит к уменьшению интервала (А// -Ац) до !0 К (рис. 26).

По экспериментальным результатам были определены зависимости характеристических температур А//, А// и Ац от величины приложенных напряжений (рис. 3). Оказалось, что напряжение практически не влияет на температуру Ац. В то же время температура Аі/ увеличивается с 402 до 408 К, а А// уменьшается с 371 до 362 К, что приводит к увеличению температурного интервала эффекта памяти формы и уменьшению разности (А// - А,і) до 7 К при увеличении напряжения с 20 до 80 МПа.

Таблица 1

Постоянные материала, использованные в расчетах

Вели- чина Смысл Способ определения

мн мк Ац. Ак Характеристические температуры мар-тенситного превращения Д ифференциал ьн ы й термический анализ (т = 0)

Ча Теплота превращения ДСК

То Температура термодинамического равновесия фаз Т0 = (МИ + АК)12

/' Фазовый модуль ц= Т,(М„ - Мк)

Рг Сила «трения» при развитии мартенсит-ного превращения г" = ^\М" *0

к Коэффициент масштаба микропласти-ческой деформации по отношению к фазовой деформации По экспериментальным зависимостям у(г) при повторяющихся термоциклах под постоянным напряжением

Fo'- Начальное значение силы микропласти-ческого течения

li Коэффициент упрочнения при мик-ропластической деформации

г Коэффициент разупрочнения

г.%

а)

Ф, %

а)

а)

б)

Рис. 5. Расчетные зависимости у(Г)иФ|7)- (а), у(Ф) - (б) при тсрмоциклировании пол напряжением 20 МПа

Ф,%

б)

Рис. 6. Расчетные зависимости у (71 и Ф(Г) - (а), у(Ф) - (б) при тсрмоциклировании под напряжением 60 МПа

Полученные экспериментальные данные могут быть интерпретированы с учетом того, что в материале во время охлаждения под напряжением образуются полидоменные (неориентированные) и монодоменизи-рованные (ориентированные) области мартенсита, которые имеют различные температурные интервалы фазовых превращений (рис. 4а). При нагревании обратное превращение сначала происходит в кристаллах полидоменного мартенсита, что не сопровождается возвратом деформации. А затем, при больших температурах, исчезает частично монодоменизированный мартенсит, с которым и связано изменение обратимой неупругой деформации. В этом случае изменение физического параметра, например теплопоглощения, фиксирует некоторую интегральную кривую (рис. 46), в то время как изменение деформации связано только с преобразованием монодоменизированного мартенсита (рис. 4в). В этом случае одновременное измерение механических и физических свойств должно приводить к несовпадению температур начала фазовых переходов и неупругого деформирования, что и наблюдается экспериментально. Увеличение напряжения, действующего во время термоцикла, способствует увеличению доли монодоменизированного мартенсита, что приводит к увеличению объема материала, участвующего в деформационных эффектах, и совмещению температур структурных превращений и неупругого деформирования.

На основе модели, изложенной в [1], выполнено моделирование деформации образцов в условиях воздействия, соответствовавших эксперименту'. При расчете полагали, что модельный материал состоит из 20 зерен, в каждом из которых задана своя ориентация относительно лабораторного базиса. Значения ориентации зерен соответствовали узлам квадратурной

формулы Коробова. В таблице 1 представлены параметры материала, используемые при расчете, их значение и способ определения. С полученными значениями параметров (Мн= 330 К. Мк= 306 К, А„ = 349 К, Ак= 385 К.

= 5 МПа, к= 7,0, /» = 0,065, г - 0,2) провели расчет

изменения деформации и объемной доли мартенсита при термоциклировании образца под постоянным напряжением, величину которого при переходе от цикла к циклу увеличивали на 20 МПа в диапазоне от 0 до 80 МПа. Расчетные кривые, полученные для напряжения 20 МПа, представлены на рис. 5а. Подобно тому, что было обнаружено в экспериментах, при расчете оказалось, что температурные интервалы деформационных и структурных аномалий не совпадают, причем это несоответствие сильнее проявляется при малых напряжениях. Для количественного сравнения этого несовпадения были построены зависимости деформации от количества мартенситной фазы (рис. 56). Оказалось, что при нагревании под напряжением 20 МПа в деформационных процессах участвует лишь треть материала, испытывающего обратное фазовое превращение.

Увеличение напряжения приводит к постепенному совпадению температурных интервалов реализации деформационных эффектов и структурных превращений. При г >: 60 МПа (рис. 6) температурные интервалы эффекта памяти формы и обратного фазового перехода совмещаются, при этом, как показали результаты расчета, восстановление формы происходит на всем протяжении обратного фазового превращения (рис. 66).

Хорошее согласование экспериментальных и расчетных данных оправдывает выбор используемой модели и подтверждает правильность изложенных выше представлений о взаимосвязи мартенентных превращений и неупругого деформирования в сплавах на основе никелида титана.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1 Температурные интервалы изменения деформации и мартенситных превращений не совпадают при реализации эффекта памяти формы под напряжением.

2. Несовпадение температурных интервалов обратного мартенснтного превращения и восстановления деформации уменьшается с ростом напряжения, действующего во время термоцикла, и обусловлено различной температурной кинетикой обратного превращения монодоменизированного и полидоменного мартенсита.

3. Модель, учитывающая структурное строение материала и предполагающая индивидуальную кинетику роста вариантов мартенсита, описывает наблюдаемые

на опыте стадии превращения, сопровождаемые и не сопровождаемые изменением деформации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков А.Е. Мнкроструктурное моделирование деформации сплавов при повторяющихся мартенситных превращениях // Изв. АН. Сер. Физическая. 2002. Т. 66. № 9. С. 1290-1297.

2. Егоров С.А.. Евард М.Е. Особенности взаимосвязи механического поведения и фазовых и структурных превращений в сплаве ИМ // Фнз. мет. металловед. 1999. Т. 88. № 5. С. 488-492.

3. Паскаль Ю.И.. Ерофеев П.Я.. Монасевич Л.А.. Павская В.А. Мар-тенситная деформация никелнда титана // Изв. вузов. Физика. 1982. Т. 25. №6. С. 103-117.

4. Хачип В.П.. Пушин В.Г, Кондратьев ВВ. Никслил титана: структура и свойства. М.: Наука, 1992. 160 с.