CC BY
68
УДК 5З9.З
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА «TiNi - СТАЛЬ»
© С.П. Беляев1*, В.В. Рубаник2,3*, Н.Н. Реснина1*, В.В. Рубаник мл.2,3*, И.В. Ломакин1*, О.Е. Рубаник2*
1) Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, Россия,
2) Витебский государственный технологический университет, г. Витебск, Белоруссия,
З) Институт технической акустики НАН Белоруссии, г. Витебск, Белоруссия, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: биметаллический композит; сварка взрывом; сплав ТІМ.
Исследовано влияние предварительной деформации на эффект памяти формы, обратимую деформацию и температуры восстановления деформации в биметаллическом композите «ТІМ - сталь», полученном сваркой взрывом.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из применений сплавов с памятью формы являются приводы многократного действия. Принцип их работы основан на том, что при нагревании элемент из сплава с памятью формы может не только восстанавливать свою первоначальную форму, но и развивать значительные усилия. Для того чтобы это действие повторялось многократно, элемент из сплава с памятью формы, предварительно деформированный в низкотемпературном мартенситном состоянии, соединяют с упругим контртелом. При нагревании элемент из сплава с памятью формы восстанавливает свою первоначальную форму, деформирует упругий элемент и в системе возникают напряжения. При охлаждении через интервал прямого мартенситного превращения эти напряжения инициируют в элементе из сплава с памятью формы эффект пластичности превращения. В результате этот элемент деформируется и накапливает неупругую деформацию, а напряжение в системе ре-лаксирует. При последующих термоциклах все описанные действия повторяются, и тем самым обеспечивается многократное срабатывание термомеханического привода.
Как правило, в термомеханических приводах элемент из сплава с памятью формы и упругий элемент являются различными телами, соединенными между собой. Однако возможно и иное конструктивное решение, которое заключается в том, что два элемента, один из которых обладает эффектом памяти формы, а другой - упругими свойствами, составляют одно тело. Это может быть реализовано в биметаллическом композите, составленном из сплава с памятью формы и, например, стали. В этом случае возникает проблема соединения двух разнородных сплавов между собой. Существует несколько возможных решений этой технологической задачи, одним из которых является «холодная» сварка взрывом. В работе [1] впервые было показано, что сплав с памятью формы на основе ТІМ и нержавеющая сталь могут быть соединены сваркой взрывом с образованием прочного шва на границе между двумя материалами. В [2] было установлено, что
при сварке взрывом зона перемешивания между сплавом TiNi и сталью оказывается очень узкой (не более
6 мкм), а интерметаллидные и неметаллические включения не образуются, что способствует повышению прочности биметаллического соединения. Обнаружено, что в результате взрыва соединяемые поверхности подвергаются значительным пластическим деформациям, что приводит к частичному подавлению мартен-ситных превращений в слое TiNi, а следовательно, и к ухудшению функциональных свойств. Вместе с тем в работе [3] показано, что последующий отжиг приводит к восстановлению кинетики фазовых переходов.
Обратимое изменение деформации в биметаллическом композите определяется двумя факторами - способностью слоя TiNi восстанавливать деформацию при нагревании и возможностью стального слоя упруго деформироваться, поэтому естественно полагать, что функциональные свойства композита будут определяться геометрическими параметрами пластин. В работе [4] установлено, что наилучшим сочетанием свойств обладает биметаллический композит, в котором слой никелида титана составляет 60-65 % от общей толщины образца. Вместе с тем известно, что в никелиде титана величины эффектов памяти формы и обратимой памяти формы напрямую зависят от величины предварительной деформации, заданной сплаву в мартенсит-ном состоянии. Поэтому естественно полагать, что в биметаллическом композите «сплав TiNi - сталь» функциональные свойства будут определяться величиной предварительной деформации. Исследование влияния предварительной деформации на свойства биметалла и явилось целью настоящей работы.
Объекты и методики исследования. В качестве объектов исследования выбраны биметаллические композиты «сталь Х18Н10Т - сплав с памятью формы Ti - 51 ат. % Ni», полученные «холодной» сваркой взрывом. Образцы длиной 45 мм, шириной 5 мм и толщиной 2,13 мм, в которых слой TiNi составлял 64 % от общей толщины образца, предварительно отжигали при температуре 600 °С в течение 2 ч. Калориметрические исследования, проведенные в дифференциальном сканирующем калориметре Mettler Toledo 822e, пока-
зали, что после указанной термообработки, при охлаждении, в слое TiNi реализуется превращение из кубической B2 фазы в моноклинную В19’фазу при температурах Мн = 6 °С и Мк = -17 °С, а при нагревании - обратный переход из фазы В19’ в фазу В2 при температурах Ан = 8 °С и Ак = 26 °С.
Для исследования влияния предварительной деформации на функциональные свойства биметаллического композита производили следующие эксперименты. При температуре -170°С, при которой слой TiNi находился в мартенситном состоянии, биметаллические образцы изгибали до различных деформаций 8 от 0,5 до 10 % и разгружали. После этого их нагревали до температуры 180 °С, для того чтобы перевести сплав TiNi в аустенитное высокотемпературное состояние и измерить величину эффекта памяти формы. Далее биметаллический композит термоциклировали в интервале температур 120н—170 °С десять раз для изучения влияния количества теплосмен на характеристики обратимого формоизменения. Деформирование осуществляли в режиме трехточечного изгиба в испытательной машине Lloyd 30k Plus, оснащенной термокамерой.
Результаты экспериментальных исследований.
На рис. 1 представлены изменения деформации, наблюдаемые при нагревании образца непосредственно после деформации (8 = 5%) и при нагревании в последующих первом и десятом термоциклах. Видно, что при первом нагревании значительная часть деформации восстанавливается в температурном интервале 27^36 °С, что обусловлено реализацией обратного мар-тенситного превращения. При последующем термо-циклировании также наблюдается изменение формы, однако величина изменения деформации становится существенно меньше, а температуры формовосстанов-ления смещаются в область низких температур. Так, при первом нагревании восстанавливается 2,73 %, а в первом термоцикле изменение деформации составляет лишь 0,7 %. Следует отметить, что дальнейшее термо-циклирование в интервале температур фазового превращения приводит к некоторому увеличению этого значения. Так, в десятом термоцикле величина обратимой деформации составляет уже 0,77 %. Такое явление известно под названием «эффект тренировки». По кривым 8(Т) были определены температуры формовосста-новления. На рис. 1 видно, что эффект памяти формы реализуется в биметаллическом композите при первом нагреве при более высоких температурах, чем изменение деформации при последующих термоциклах. Известно, что в никелиде титана предварительное деформирование сплава, находящегося в мартенситном состоянии, приводит к стабилизации мартенситной фазы. Это выражается в том, что при нагреве обратное превращение происходит при существенно больших температурах, чем в недеформированном материале. Эффект стабилизации мартенсита является однократным и при последующих нагреваниях не проявляется [5]. Результаты, полученные в настоящей работе, показывают, что аналогичные закономерности наблюдаются и в биметаллическом композите (см., например, рис. 1).
Зависимости 8(Т) при нагреве и последующем тер-моциклировании были получены для биметаллических композитов, деформированных до различных степеней деформации. Для каждой серии экспериментов определяли величину эффекта памяти формы 8Ф, величины обратимой деформации, наблюдаемой в первом и деся-
том циклах е1 и е10, а также температуры формовосста-новления при первом нагревании Ан и Ак, в первом и десятом термоциклах Ан', Ак', Ан10, Ак10. На рис. 2 представлена зависимость величины эффекта памяти формы от остаточной деформации после разгрузки в мартенситном состоянии еост. Видно, что с ростом остаточной деформации величина эффекта памяти формы увеличивается до 3 % и далее не меняется. Способность материала восстанавливать неупругую деформацию оценивали коэффициентом возврата деформации, вычисляемый как отношение деформации, восстановленной при первом нагреве 1м, к деформации, оставшейся в образце после разгрузки в мартенситном состоянии еост. Установлено, что хотя величина эффекта памяти формы увеличивается при возрастании остаточной деформации, коэффициент возврата при этом линейно уменьшается (рис. 2). Так, например, в образце, предварительно деформированном до 3 %
(еост = 1,86 %), при нагревании восстанавливается 86 % от остаточной деформации, а в образце, деформированном до 10 % (еост = 8,8 %), коэффициент К остался равен лишь 34 %.
Рис. 1. Изменение деформации при нагревании биметаллического образца «сплав ИМ - сталь», деформированного до деформации е = 5 % (Еост = 2,75 %), и при нагревании в последующих первом и десятом термоциклах
8ПФ, % K, %
Рис. 2. Зависимость величины эффекта памяти формы и коэффициента возврата от остаточной деформации в биметаллическом композите «сплав 'ПМ - сталь»
, %
Рис. 3. Зависимость обратимой деформации, наблюдаемой в первом и десятом термоциклах от остаточной деформации биметаллического композита «сплав ИМ - сталь».
Для того чтобы понять влияние предварительной деформации на способность биметаллического композита восстанавливать неупругие деформации, рассмотрим процессы, происходящие в биметаллическом образце при деформировании и последующем нагревании. После деформирования биметалла слой сплава ТГ№ и слой стали приобретают некоторую остаточную деформацию (еост). При последующем нагревании в сплаве происходит обратное мартенситное превращение, что способствует восстановлению деформации композита. Изменение формы слоя сплава при нагревании вызывает деформирование слоя стали, при этом в образце возникают напряжения. Чем больше предварительная деформация биметаллического образца, тем больше величина восстанавливаемой деформации, а следовательно, тем выше напряжения, возникающие в образце при нагревании. Эти напряжения препятствуют восстановлению формы, что и является основной причиной уменьшения коэффициента возврата с ростом предварительной деформацией. При охлаждении напряжение инициирует эффект пластичности превращения, что приводит к увеличению деформации биметаллического образца и релаксации напряжения. При последующем нагревании накопленная деформа-
ция уменьшается, а напряжения вновь аккумулируются. Такая генерация - релаксация напряжения приводит к тому, что в первом и последующих термоциклах наблюдается обратимое формоизменение. На рис. 3 представлена зависимость обратимой деформации, измеренной в первом и десятом термоциклах, от величины остаточной деформации. Видно, что в том случае, когда остаточная деформация не превосходит 2 %, обратимая деформация в биметаллическом образце не наблюдается. По всей видимости, изменения деформации при нагревании столь незначительны, что возникающих напряжений оказывается недостаточно для инициирования сколь-нибудь значительного по величине эффекта пластичности превращения в первом термоцикле. В образцах с остаточной деформацией более 2 % в первом термоцикле наблюдается изменение деформации. Как и следовало ожидать, эта величина нарастает по мере увеличения предварительной деформации. Дальнейшее термоциклирование по-разному влияет на величину обратимой деформации в зависимости от уровня предварительной деформации. При остаточных деформациях не превышающих 7 %, наблюдается эффект тренировки, и величина обратимой деформации увеличивается от цикла к циклу. В то же время в образцах с остаточной деформацией более 7 % имеет место уменьшение величины обратимой деформации по мере увеличения количества циклов. Как уже отмечалось, чем больше предварительная деформация, тем выше напряжения, возникающие в образце. При превышении величины остаточной деформации более
7 % величина этих напряжений оказывается очень высокой, что приводит к уменьшению восстанавливаемой при нагреве деформации.
На рис. 4 представлены зависимости температур начала и окончания формовосстановления при первом нагревании и в первом и десятом термоциклах от величины остаточной деформации. Видно, что температура Ан линейно нарастает по мере увеличения остаточной деформации. Такое поведение связано с уже обсуждавшимся эффектом стабилизации мартенсита, для которого характерно увеличение смещения температур обратного превращения с ростом предварительной деформации (рис. 4, а). При этом температуры начала и окончания обратного превращения должны изменяться синхронно. Однако в биметалле температура Ак
А , °С
н
А , °С
Рис. 4. Зависимость температур начала (а) и окончания (б) формовосстановления при нагревании и в первом и десятом термоциклах от остаточной деформации биметаллического образца «сплав ИМ - сталь»
к
нарастает с большим темпом по сравнению с температурой Ан (рис. 4, б). Дело в том, что в биметаллическом образце действует дополнительный фактор, оказывающий действие на температуру Ак, а именно напряжение, создаваемое упругим компонентом биметалла. В результате при росте предварительной деформации температурный интервал восстановления формы при первом нагревании существенно увеличивается.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом результаты работы показали, что, изменяя величину предварительной деформации биметаллического композита, удается направленно изменять функциональные свойства биметаллического композита «сплав - сталь». По мере увеличения
предварительной деформации наблюдается возрастание величины эффекта памяти формы, величины обратимой деформации, увеличение температур формовос-становления и расширение температурного интервала при первом нагреве. Установлено, что термоциклирова-ние может приводить как к возрастанию величины обратимой деформации за счет эффекта тренировки, так и к еу уменьшению вследствие подавления мартенситных превращений в результате термоциклирования под высокими напряжениями. Результаты работы показали, что биметаллический образец может быть использован как активный элемент термомеханического привода, а величина предварительной деформации может быть выбрана в качестве воздействия, управляющего функциональными свойствами таких объектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Prummer R., Stockel D. NITINOL - stainless steel compound material, made by explosion welding // Fundamental issue and applications of shock-wave and high-strain-rate phenomena / ed. by K.P. Staudham-mer, L.E. Murr, M.A. Meyers. Elsevier, 2001.
2. Belyaev S., Rubanik V., Resnina N., Rubanik V. Jr., Rubanik O., Borisov V. Martensitic transformation and physical properties of “steel -TiNi” bimetal composite, produced by explosion welding // Phase Transitions V. 83. № 4. 2010. P. 276-283.
3. Беляев С.П., Рубаник В.В., Реснина Н.Н., Рубаник В.В. мл., Рубаник О.Е. Влияние отжига на мартенситные превращения в биметаллическом композите «сталь-сплав TiNi», полученном сваркой взрывом // Металловедение и термическая обработка металлов (принята в печать).
4. Беляев С.П., Рубаник В.В., Реснина Н.Н., Рубаник В.В. мл., Рубаник О.Е. Оптимизация свойств биметаллического композита «сталь-сплав TiNi с памятью формы» // Актуальные проблемы физики твердого тела: сборник докладов Международной научной конференции (20-23 октября 2009 г. Минск, Белоруссия). Минск, 2009. Т. 3. С. 242-244.
5. Liu Y., Favier D. Stabilization of martensite due to shear deformation via variant reorientation in polycrystalline NiTi // Acta Mater. V. 48. 2000. P. 3489-3499.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке граната президента РФ для молодых кандидатов наук (МК-466.2010.8) и Российско-Белорусского гранта РФФИ (10-08-90003_Бел_а) и БФФИ (П0Р-223).
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Belyaev S.P., Rubanik V.V., Resnina N.N., Rubanik V.V. Jr., Lomakin I.V., Rubanik O.E. Influence of preliminary deformation on functional properties of bimetal composite “TiNi - steel”. Influence of preliminary deformation on shape memory effect, recoverable strain and temperatures of strain recovery in bimetal composite “TiNi - steel”, produced by explosion welding, was studied. Key words: bimetal composite; explosion welding; TiNi alloy.
