Прецизионные сплавы (стр. 4 из 5)

Влияние деформации и внешней нагрузки на характеристики обратимого эффекта памяти формы в сплаве 80Г15Д2НЗХ

При определенной обработке обратимое формоизменение в сплавах памяти формы наблюдается и без приложения внешней нагрузки (так называемый эффект обратимой или двусторонней памяти формы). В этом случае деформация при прямом мартенситном превращении происходит под действием внутренних напряжений или дефектов кристаллической структуры. Одним из способов получения эффекта обратимой памяти формы является многократное повторение цикла:

деформация в мартенситном состоянии - нагрев - охлаждение. Наиболее ярко двусторонняя память формы выражена в Mn-Cu-сплавах, в которых высокотемпературная гранецентрированная кубическая (ГЦК) у-фаза претерпевает переход в гранецентрированную тетраго-нальную (ГЦТ) фазу по механизму термоупругого мартенситного превращения. В этих сплавах значительная величина обратимого формоизменения наблюдается уже после первого цикла (деформация в мартенситном состоянии - нагрев - охлаждение) [I].

Исследовали сплав 80Г15Д2НЗХ (15 % Си, 2 % Ni, 3 % Сг, остальное -Мп), обладающий оптимальным комплексом механических и термочувствительных свойств после закалки от 900 ^оС в воде и отпуска при 450 ^оС 2 ч [2]. Отпуск при 450 °С способствует установлению метастабильного равновесия двух изоморфных ГЦК-фаз (у, и у0 разного состава и повышает температуру мартенситного превращения до 160 °С [З]. После отпуска ленту размерами 200х10х1 мм подвергали пластической деформации изгибом. Получившуюся в результате деформации ленты геликоидальную пружину помещали в установку, К внутреннему концу пружины жестко крепился вал, через который на нее передавался постоянный момент силы. Пружину подвергали термоциклированию по схеме 20 - 180 °С. Нагрев пружины-образца осуществлялся электрическим током. Температуру контролировали приваренной к образцу хромель-алюмелевой термопарой, а деформацию наружного волокна - по углу поворота вала с помощью датчика угловых перемещений. На рис. 1, а представлена кривая формоизменения образца после деформации со степенью E= 2,7 % в процессе нагрева и охлаждения.

При первом нагреве происходит частичное восстановление исходной формы (кривая 7). При 180 °С деформация восстановления формы е, = 0,9 %. В процессе охлаждения происходит частичный возврат к форме, заданной первоначальной деформацией (е, и 0,5 %). При дальнейшем термоцикли-ровании кривая формоизменения стабилизируется, повторяя кривую охлаждения 2 с практически нулевым гистерезисом .Зависимость величины обратимого эффекта памяти формы е; от деформации в мартенситном состоянии приведена на рис. 2. Видно, что при малых значениях е,, эта зависимость линейная. При e > 4 % величина е; не изменяется, что согласуется сданными работы [I].

Если после указанной обработки к образцу при термоциклировании дополнительно приложить внешнюю нагрузку, величина обратимого эффекта памяти формы изменится. При этом направление приложения внешней нагрузки о может совпадать с направлением предварительной деформации , или быть противоположным ему. Пример формоизменения под нагрузкой, когда направления dи e совпадают, представлен на рис. 1, б. Нагрузка никак не влияет на формовосстанов-ление образца при первом нагреве (кривая 3 имеет такую же форму, как кривая 2), но вызывает дополнительную деформацию при охлаждении (рис. 1, б, кривая 4). Эта дополнительная деформация увеличивается при дальнейшем термоциклировании, но после трех циклов нагрева и охлаждения кривая формоизменения стабилизируется (рис. 1, б, кривая J). Формоизменение под нагрузкой становится более плавным, однако температура максимальной термочувствительности практически не повышается (рис. 1, б, кривая 5). Влияние нагрузки в целом можно охарактеризоватьдвумя параметрами: суммарной степенью необратимой деформации Ер, накапливающейся в процессе стабилизации, и степенью обратимого формоизменения под нагрузкой в установившемся режиме. На рис. 3 , а приведена зависимость e и eр от величины внешней нагрузки d для трех групп образцов, различающихся по степени предварительной деформации в мартенситном состоянии. Для всех трех групп приложение внешней нагрузки повышает величину обратимого формоизменения При этом наиболее существенное повышение .

наблюдается в образцах с e= 0,6 %, и минимальное -в образцах с e = 8,0 %. Зависимость Sp от внешней нагрузки примерно одинакова во всех трех группах образцов: Бр имеет низкие значения при о < 100 Н/мм² и резко увеличивается при о > 100 Н/мм².

В случае, когда Бц и о противоположны по направлению, внешняя нагрузка приводит к деградации обратимого эффекта памяти формы. Как для образцов e = 1,2 %, так и для образцов с e= 4,6 %, величина eрезко снижается с увеличением а (рис. 3, б).

Возникновение обратимого эффекта памяти формы в Mn-Cu-сплавах связано с особенностями их деформации в мартенситном ГЦТ-состоянии. В этих сплавах она осуществляется по двум механизмам: двойникованием со сдвигом плоскостей {110} в направлении <ПО> на начальных стадиях деформации и дислокационным скольжением по обычной системе {111} < 110 >, преобладающем при больших степенях деформации [4,5]. Часть деформации, обусловленная смещением границ, является обратимой и восстанавливается при нагреве в процессе ГЦТ - ГЦК-превращения. При этом области, в которых произошла необратимая деформация скольжением, становятся центрами локальных внутренних напряжений. Ориентированные внутренние напряжения вызывают при охлаждении преимущественное образование мартенсита с благоприятной ориентировкой кристаллографической оси тетрагональности с [1],т.е. являются причиной возникновения обратимого эффекта памяти формы.Противоречие устраняется, если предположить, что сформированные деформацией внутренние напряжения существенно неоднородны по направлению. Причиной неоднородности являются аккомодационные напряжения в мартенсите. Этот вывод непосредственно следует из анализа результатов работы [б], в которой рентгено-структурными методами изучался механизм деформации Mn-Cu-монокристаллов с мартенситной структурой.

Согласно [б], при ГЦК -» ГЦТ-превращении в Mn-Cu-кристалле образуются пластины мартенсита, граничащие по плоскостям {110}. Каждая из пластин состоит из мартенситных доменов двух вариантов со взаимно перпендикулярными тетрагональными осями с . Домены имеют двойниковую ориентацию с плоскостями двойникования {110}, составляющими угол 60° с границами мартенситных пластин. Границы двойников легко подвижны и при приложении внешних напряжений перемещаются внутрь неблагоприятно ориентированного двойника. Это приводит к формированию мартенситной текстуры с преобладанием доменов с осью вдоль направления сжатия. Однако при неблагоприятной ориентировке мартенситной пластины, для которой направление деформации параллельно плоскости двойникования, перемещение существующих границ двойников невозможно (фактор Шмида равен 0).

В качестве примера на рис. 4 изображены пластины ан В, состоящие из доменов 1, 2 и 3, 4 соответственно. При приложении сжимающей нагрузки о вдоль [010] условия для перемещения границ между вариантами 1 и 2 в пластине А будут наилучшими. В этом случае двойниковые границы между вариантами 3 и 4 в пластине В не могут перемещаться. Эксперимент показывает, что на границах пластин возникают аккомодационные напряжения растягивающие пластину В. Кроме того, условие сохранения сплошности требует разворота пластины А относительно В при двоиниковании. Отсюда возникают аккомодационные сдвиговые напряжения .

При деформации поликристалла также должны возникать значительные аккомодационные напряжения на границах зерен. Релаксация аккомодационных напряжений частично происходит двойникованием, частично - скольжением на границах раздела мартенситных вариантов и на границах зерен. При последующем нагреве сплава области аккомодационного скольжения становятся очагами неоднородных по направлению внутренних напряжений. Мы предполагаем, что эти напряжения играют важную роль при образовании преимущественной текстуры мартенсита в процессе охлаждения. Они способствуют лучшей аккомодации на границах пластин текстурованного мартенсита. В то же время упругие напряжения, создаваемые внешней нагрузкой, при данной схеме испытаний можно считать однонаправленными. Таким образом, различия в условиях аккомодации являются причиной меньшей эффективности метода нагрузки по сравнению с методом деформации.

В рамках предложенной нами модели объясняется тот факт, что величина обратимого эффекта памятиРформы в образцах, подвергнутых деформации с e= 2,7 и 8,0% после снятия нагрузки становится ниже исходного уровня (см. рис. 3). По нашему мнению, термоциклирование под нагрузкой выравнивает внутренние напряжения по направлению приложенного напряжения. При этом неоднородные напряжения сформированные деформацией в мартенситном состоянии, подавляются.

Выводы. 1. Наилучшим способом формирования обратимой памяти в изделиях из сплава 80Г15Д2НЗХ является пластическая деформация в мартенситном состоянии со степенью 5-10 %. Несколько менее эффективным способом является приложение к изделию нагрузки в процессе мартенситного превращения. Совместное воздействие деформации и нагрузки не приводит к существенному повышению степени обратимого формоизменения.