CC BY
37
УДК 621.789.2:669.018.2
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА © В.В. Рубаник*, С.П. Беляев, А.Е. Волков, В.В. Рубаник (мл.)*, В.В. Сидоренко
Россия, Санкт-Петербург, Институт математики и механики СПбГУ * Беларусь, Витебск, Институт технической акустики НАН Беларуси
Rubanik V.V., Belyaev S.P., Volkov A.E., Rubanik V.V. (Jr.), Sidorenko V.V. Ultrasound influence on mechanical behavior of TiNi alloy. It has been established that ultrasound vibrations cause a decrease of the flow stress of TiNi alloy when in R-phase and its increase when in austenitic phase. Theoretical and experimental modellings have shown that these phenomena can be explained by the heating effect of the ultrasound.
У многих материалов обнаружено снижение напряжения, необходимого для пластического деформирования, при наложении ультразвуковых колебаний (эффект Лангенекера) [1]. Природу этого эффекта объясняют тем, что осцилляции напряжения ультразвуковой частоты облегчают преодоление барьеров при движении дислокаций. В отличие от обычных металлов, сплавы с памятью формы (СПФ) наряду с дислокационным обладают также другими специфическими механизмами деформации, такими как термоупругое мартенситное фазовое превращение или двойникова-ние, осуществляемые посредством движения не дислокаций, а других носителей деформации - межфазных и двойниковых границ раздела. Закономерности деформирования материала по этим механизмам отличаются сложным характером зависимости соответствующего (условно, фазового) предела текучести от температуры. Поэтому можно ожидать, что влияние ультразвуковых колебаний (УЗК) на процесс пластического течения в СПФ при температурах вдали от интервала превращения будет подобно таковому в обычных материалах и может быть иным при температурах, близких к температурам превращения.
Исследовали сплав титана с никелем с составом, близким к эквиатомному. Вид зависимостей электросопротивления от температуры указывает на то, что в интервале температур 280-^290 К в сплаве происходит обратимый переход из кубической (В2) в ромбоэдрическую (Я) фазу. Проволочные образцы сплава Т1М диаметром 0,5 мм растягивали с постоянной скоростью. На разных этапах деформирования в образце возбуждали УЗК, используя один из захватов в качестве волновода. Торец волновода колебался с амплитудой 5 мкм и частотой 22 кГц.
На рис. 1 представлены диаграммы растяжения при разных температурах вблизи В2-Я превращения. Видно, что характер изменения напряжения течения сильно зависит от структурного состояния материала.
В интервале температур превращения (290 К) и в аустенитном состоянии при Г = 300 К имеется аномалия поведения напряжения, выражающаяся в том, что при озвучивании небольшое падение напряжения сменяется его возрастанием. В мартенситном состоянии (Т = 273 К) и при повышенных температурах (Т = 315 К) сплав демонстрирует «нормальное» акусти-
ческое разупрочнение, подобное тому, которое наблюдается в металлах, не претерпевающих фазового превращения.
Полученные результаты нетрудно понять, если учесть, что энергия УЗК диссипирует в материале, во-первых, за счет перемещения дефектов (дислокаций, межфазных и междвойниковых границ) и, во-вторых, за счет возрастания энергии тепловых
а)
б)
в)
Рис. 1. Диаграммы деформирования ТП^П проволоки, включающие этапы приложения ультразвука, при температуре 273 К (а), 290 К (б), 300 К (в) и 315 К (г).
Деформация, %
Деформация, %
колебаний атомов. Роль второго из перечисленных факторов считают незначительной, поскольку малые изменения температуры в металлах слабо влияют на предел текучести. Однако в СПФ температурный фактор может оказаться решающим.
Известно, что вблизи характеристических температур превращения зависимость фазового предела текучести от температуры сильно выражена и имеет вид, представленный на рис. 2 [2]. Левая ветвь этой зависимости отображает напряжение, необходимое для переориентации, а правая - для наведения мартенсита.
Таким образом, даже небольшое (в пределах 10 К) изменение температуры может вызвать значительное изменение предела текучести: его падение, если исходная температура лежит ниже и его рост, если Т > Мх. Нагрев при УЗК происходит однородно по всему объему образца, а охлаждение после выключения ультразвука за счет теплопроводности идет более плавно.
Высказанные соображения, очевидно, справедливы для любого типа материала с мартенситным переходом и для любой конкретной структуры фаз, участвующих в превращении, поскольку зависимость на рис. 2 в различных случаях имеет одинаковый вид.
Тепловое действие УЗК моделировали в специальных экспериментах, а также компьютерными расчетами. Эксперименты выполняли в режиме кручения на цилиндрических образцах сплава ТОЛ с температурами М,= 315 К, М/= 300 К, А3= 330 К, А385 К. В ходе изотермического деформирования производили остановку нагружающего устройства, повышали температуру, поддерживая постоянным значение деформации. Затем деформирование продолжали с последующей остановкой и уменьшением температуры до первоначального значения. Диаграммы деформирования, полученные при таком температурно-силовом воздействии, показаны на рис. За для мартенситного состояния сплава и на рис. 36 - для аустенитного.
Компьютерные расчеты производили по методологии структурно-аналитической теории прочности [3] для модельного материала, имеющего температуры превращения - 300 К, М/ = 280 К, А, = 340 К, А/= 360 К. Ненулевую компоненту тензора деформации превращения полагали равной 11 %, а энтальпия перехода составляла 160 МДж/м3. Расчетные кривые деформирования на рис. 4а относятся к мартенситному фазовому состоянию, а на рис. 46 - к аустени гному.
Из сравнения рис. 1, 3 и 4 видно, что результатом скачков температуры в ходе нагружения является возникновение особенностей на диаграммах «напряжение - деформация», аналогичных тем, которые
Температура
Рис. 2. Схема зависимости фазового предела текучести от температуры в области мартенситного превращения.
а)
Деформация, %
б)
Деформация, %
Рис. 3. Диаграммы кручения образца сплава Т1Ы1 в мартен-ситном (а) и аустенитном (б) состояниях. Стрелки указывают на моменты изменения температуры.
а)
Деформация, %
б)
Деформация, %
Рис. 4. Расчетные диаграммы растяжения модельного материала в мартенситном (а) и аустенитном (б) состояниях. Стрелками отмечены моменты начала повышения и понижения температуры на 10 К.
наблюдали в опытах с воздействием УЗК. Отметим, что в компьютерных расчетах дислокационная составляющая неупругой деформации во внимание на принималась, а учитывалась лишь фазовая пластичность. Поэтому на рис. 46 отсутствуют участки снижения напряжения, предшествующие его росту, как на рис. 26, в.
Таким образом, можно заключить, что влияние УЗК на СПФ вблизи температур превращения во многом определяется тепловым действием. Возрастание температуры приводит к упрочнению или разупрочнению в зависимости от структурного состояния материала.
ЛИТЕРАТУРА
1 Blaha Langenecker В. // Die Naturwissenschaften. 1955. В. 20. № 9. S. 556.
2. Miyazaki S., Otsuka K., Suzuki Y. II Scripta Metallurgica. 1981. V. 15. №3. P. 287 -292.
3. Likhachev V.A. U J. de Physique IV. Colloque Cl suppl. 1996. V 6. P. 321 -333.
