Механика материалов с эффектом памяти формы : Теоретические и прикладные исследования

СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение .............................................................5
Глава. 1. Механика материалов с эффектом памяти формы ...............43
1.1. Основные уравнения ..........................................43
1.2. Расчет генерации и релаксации напряжений ....................50
1.3. Анализ поведения материала с эффектом памяти формы при переменной температуре ......................................58
1.4. Расчет температурных напряжений в пластине из материала с эффектом памяти формы .......................................63
1.5. Расчет термомеханических соединений .........................67
1.5.1. Расчет многослойных термомеханических соединений ....70
1.5.2. Расчет термомеханических соединений с муфтой
двухсторо инего действия .................................75
1.6. Моделирование раздачи муфты термомеханического соединения методами структурно-аналитической теории ..........................79
Глава.2. Сплавы с эффектом памяти формы как преобразователи
тепловой энергии в механическую работу ......................88
2.1. Исследование функционально-механических характеристик мартенситного двигателя с двумя взаимодействующими элементами .......................................................110
2.1.1. Методика эксперимента ..................................110
2.1.2. Исследование деформационно-силовых характеристик мартенситного двигателя .......................................114
2.1.3. Работоспособность мартенситного двигателя .......129
2.2. Оптимизация работоспособности цикла действия двух антифазно взаимодействующих элементов ......................................135
2.3. Моделирование циклов действия мартенситных двигателей ... 143
2
Глава.3. Стабильность функционально-механических свойств сплавов с эффектом памяти формы по отношению к факторам времени и
сложным термомеханическим воздействиям ....................154
3.1. Влияние фактора времени на функционально-механические свойства материалов с эффектом памяти формы .............................155
3.2. Влияние динамического деформирования на функциональные свойства никелида титана .......................................165
3.3. Деформация ориентированного превращения при релаксации реактивных напряжений .....................................175
3.4. Стабильность обратимой памяти формы аустенитного типа в никелиде титана при термоциклировании через полный
и неполный интервалы превращений ...........................186
3.5. Задержка обратимого формоизменения в никелиде гитана после незавершенного цикла превращения.........................................................194
Глава.4 Контроль и прогнозирование функционально-механических
свойств сплавов и термомеханических соединений ............200
4.1. Методика определения функционально-механических свойств материалов с эффектом памяти формы на кольцевых образцах ...203
4.2. Определение функционально-механических свойств полуфабрикатов из сплава TI I-1К .........................................209
4.3. Сравнение функционально-механических свойств двух типов полуфабрикатов из сплава TH-1К ............................220
4.4. Исследование функционально-механических свойств полуфабрикатов - труб, изготовленных методом
металлургии гранул .........................................227
4.5. Экспресс-метод определения напряжений в натурных узлах термомеханических соединений (методы
неразрушающего контроля) ....................................232
3
4.6. Прогнозирование длительной работоспособности термомеханических соединений ...............................236
4.6.1. Методика исследования длительной работоспособности ТМС .........................................237
4.6.2. Методика испытания термомеханических узлов элсктросоединителя ............................................241
4.7. Результаты исследования длительной работоспособности
узлов ТМС электросоединителя .................................244
Глава 5. Примеры использования материалов с эффектом памяти
формы в инженерных конструкциях 254
5.1. Разъемные термомеханические соединения труб ..................254
5.2. Применение материалов с эффектом памяти формы в космической технике. Проект «Софора» .........................................259
5.3. Применение материалов с эффектом памяти формы в космической технике. Проект «Рапана» ...................................279
5.4. Привод створок термостатирусмого контейнера ................292
5.5. Устройства удержания и расчековки ............................296
5.5.1. Устройство расчековки для проекта «Рапана» .............296
5.5.2. Устройство удержания и расчековки с тарельчатым рабочим элементом из никелида титана ...................................299
5.5.3. Устройство расчековки с проволочным приводом ...........311
5.6. Термомеханические соединения в буровом оборудовании ..........316
5.7. Общие принципы применения материалов с эффектом
памяти формы 323
Заключение ..........................................................328
Список литературы 331
4
ВВЕДЕНИЕ
Корни науки о материалах, обладающих эффектом памяти формы (ЭПФ) и сопутствующими ему уникальными свойствами, уходят в первую половину ХХ-го века. Они берут свое начало в исследованиях мартенситных превращений и процессов двойникования в железе и других металлических и неметаллических материалах. В 30-е годы, например, L. Scheil |1] наблюдает пластичность, инициированную гамма-альфа превращением в сплавах Fc-Ni при охлаждении под нагрузкой, a A. Olander в работе [2] пишет, что «The р-alloys with less than 50% cadmium were elastic, this property having a sharply marked maximum at 47.5%. A I-mm. wire of this alloy was so elastic that it almost reminded of rubber.». Несмотря на то, что систематические исследования сверхупругости начались в 50-е годы, многие исследователи классифицируют эту фразу как факт ее первого наблюдения. В конце 40-х годов Г.В. Курдюмов и Л.Г.Хандрос публикуют работы [3, 4], в которых описали наблюдение обратимого формоизменения мартенситных игл в сплаве Си-Al с добавками 1-1,5% Ni при охлаждении и нагревании, и вводят термин «термоупругое превращение».
Первые попытки применить материалы с ЭПФ относятся уже ко второй половине века. В начале 50-х годов D.S.Lieberman, Т.A.Read и L.C.Chang [5, 6] показали, что если приложить изгибающий момент к монокристаллу Au-47,5aT.%Cd и охладить его через интервал прямого мартенситного превращения, то он приобретет деформацию, которая не исчезнет после разгрузки. Если затем образец нагреть через интервал температур обратного превращения, то он вернет эту деформацию даже при противодействующих усилиях. Установка, на которой был реализован этот процесс, и на которой проводили исследования зависимостей прогиба и характеристических температур превращений от приложенных напряжений, в 1957 году послужила прообразом уже другого устройства [7],
5
предназначенного для демонстрации эффекта памяти формы. Основным рабочим элементом являлся горизонтально расположенный и консольно закрепленный цилиндрический стержень - монокристалл того же сплава Au-Ccl. При охлаждении через интервал прямого мартенситного превращения стержень с грузом массой 10 г на конце изгибался и груз опускался. Если в этом положении стержень догружали, то при последующем нагреве он возвращался в исходное положение с грузом массой уже 50 г. Это был прототип мартенситного двигателя - преобразователя тепловой энергии в механическую работу с твердым рабочим гелом. В 1958 году это устройство было продемонстрировано на Всемирной выставке в Брюсселе |7].
Весьма низкие прочностные характеристики, в первую очередь, и высокая стоимость сплавов типа Au-Cd, In—ТІ препятствовали их применению на практике, однако они служили и служат до сих пор прекрасными модельными материалами при изучении закономерностей мартенситных превращений и эффекта памяти формы. Поэтому появившиеся в то время сплавы на медной основе стали претендовать на место лидера [8].
Однако главным событием, которое дало начало обширным разработкам в прикладной области, стало открытие эффекта памяти формы в сплавах системы Ті-Ni. Интенсивные исследования этих сплавов проводились в U.S. Naval Ordnance Laboratory в конце 50-х - начале 60-х годов и были инициированы поиском материалов, обладающих малым удельным весом, большой прочностью и способностью работать при высоких температурах, для использования их во втором поколении ракетной техники и космических кораблей |9]. Одновременно сплавы Ті—Ni представляли интерес как немагнитные и коррозионностойкие материалы для изготовления инструментов, использовавшихся при разминировании магнитных мин [10]. Третьим направлением исследований этого класса сплавов являлось изучение температурно-чувствительного демпфирования механических и звуковых колебаний, высокую способность к которому они проявляли [9]. В то время
6
сплавы И—N1 различных составов были объединены общим названием МГГГЫОЬ, образованным из символов химических элементов и заглавных букв названия лаборатории. Так, например, эквиатомный сплав получил название 55-ЫШпо1 в соответствии с количеством долей никеля по массе. Следует отметить, что первые опубликованные работы по этим исследованиям содержали только указанные характеристики, без какого либо упоминания о способности этих сплавов возвращать при нагреве предварительно заданную деформацию [9, 11]. Продолжая исследования, их авторы обнаружили, что никелид титана, как и другие известные к тому времени сплавы [5, 6, 8, 12, 13], обладает эффектом памяти формы [14]. С этого момента количество предложений по использованию материалов с эффектом памяти формы стало бурно расти и продолжает расти до сих пор. За это время изначально сверхдорогой сплав Л-М существенно подешевел, разработано большое количество композиций на его основе с широкими и узкими гистерезисами превращений, с низкими и высокими характеристическими температурами мартснситных переходов. Кроме того, появились перспективные сплавы на основе Си и Ре, которые в некоторых случаях составляют серьезную конкуренцию сплавам на основе Все это
предоставляет новые возможности для инженеров и конструкторов.
Обнаружение эффекта памяти формы в никелиде титана, обладающего, в отличие от ранее известных материалов, более высокими прочностью и коррозионной стойкостью в сочетании со значительной величиной обратимой деформации, дало толчок изобретательской мысли. В 60-е годы бурно развивалась космонавтика и вполне понятно, что среди первых предложений использования никелида титана были устройства космического назначения, в первую очередь использовавшие основное функциональное свойство -способность возвращать предварительно заданную деформацию. Например, на рис.1 изображен каркас, представляющий собой скрепленные между собой проволоки 1 из никелида титана, каждая из которых имеет форму окружности,
7
если материал находится в аустенитном состоянии 115]. На Земле этот каркас, когда сплав находится в мартенситном состоянии, деформируют, сворачивая его в пакет, форма которого удобна для транспортировки. В сложенном виде каркас доставляют на заданную орбиту и нагревают, в результате чего он принимает исходную форму. Нагрев можно осуществлять за счет солнечного излучения или за счет автономного источника энергии 2. Если каркас в свернутом состоянии поместить в тонкую оболочку 3, то на орбите он расправит ее в виде сферы.
2
Рис. 1.
На рис.2 изображен силуэт американского космического корабля первого поколения «Меркурий», на котором в разные стороны разворачиваются устройства из никелида титана [16]. Одни из них, скрученные в транспортном состоянии, при нагреве образуют конусные конструкции 1, другие, предварительно свернутые в бухту, развертываясь, формируют штыревые антенны 2, третьи, представляющие собой пластину из никелида титана, обернутую вокруг цилиндрической части космического корабля или просто свернутую и помещенную внутрь, развертываются и образуют плоские элементы различного назначения 3. Предлагались и обрабатывались на макетах и более сложные саморазворачивающисся
8
конструкции, например ферменные |17], целиком изготовленные из никелида титана.
3
Рис. 2.
Аналогичные разработки были и в советской космонавтике, когда космический объект должен был доставляться на орбиту, например в свернутом в бухту виде, а при нагревании, постепенно выдвигаясь из корпуса корабля или автоматической станции, образовывать жесткий каркас. Были попытки конструирования раскрывающихся антенн, изготовленных полностью из никелида титана. К сожалению, подобного типа предложения не были реализованы ввиду невозможности идеального 100%-го восстановления формы свернутых объектов. Эта задача не может быть решена и сегодня. О других примерах космического применения сплавов с эффектом памяти формы речь пойдет ниже.
Следующее крупное направление использования таких сплавов было связано с тем, что при реализации эффекта памяти формы происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Однако, если в трансформируемой конструкции используется преобразование тепловой энергии в большинстве случаев только один раз, то почему бы не сделать этот процесс циклическим, т.е. сконструировать двигатель, использующий в
9
качестве рабочего тела сплав с ЭПФ. Авторы [18] закрепили это в виде патента и предложили несколько схем устройств, дав тем самым следующий толчок исследованиям и изобретению двигателей на основе эффекта памяти формы, пик которых пришелся на 80-е годы. На рис.3,а-с последовательно изображены три фазы одного из циклов производства работы. В первой фазе рабочее тело 1 охлаждают в мартенситное состояние и деформируют, подвешивая некоторый груз 2. Во второй фазе, не изменяя деформацию рабочего элемента, увеличивают вес груза. В третьей фазе рабочий элемент нагревают, он совершает работу по поднятию груза и возвращается в исходное положение. Весь цикл изображен на рисунке в «идеальном» варианте. На практике точное возвращение в исходное состояние происходит либо при очень малых нагрузках либо после определенной термомеханической обработки сплава. Процедуру «охлаждение в мартенситное состояние - деформирование» можно заменить более предпочтительной - «нагружение небольшим грузом в аустенитном состоянии и охлаждение через интервал температур прямого мартенситного превращения». За счет пластичности, наведенной превращением, рабочее тело продеформируегся и будет способно возвратиться при нагреве в исходное состояние точно так же и даже с более высокой точностью, чем после активного деформирования в мартенситном состоянии. В обоих случаях цикл можно повторить.
На рис.З,^ изображен клапан трубопровода, который поворачивается с помощью рабочего элемента 1, изготовленного из материала с эффектом памяти формы. Наконец, на рис.3,е представлена схема устройства, концы рабочего элемента которого жестко закреплены, а часть I, предварительно продеформирована в мартенситном состоянии. Если теперь попеременно нагревать и охлаждать обе части рабочего элемента, то часть 1 начнет при нагреве возвращать деформацию (раскручиваться), во-первых, закручивая вторую часть, которая будет запасать деформацию, способную вернуться при
ю
последующем нагреве, и, во-вторых, сможет совершить полезную работу. Теперь уже левая часть закручена и готова возвращать деформацию и совершать полезную работу. Расположив в середине рабочего элемента выходное звено, можно снимать полезную работу. Вполне понятно, что можно использовать не один элемент, а два, поместив между ними любое необходимое выходное звено.
Рис. 3.
С разработкой стабильных во времени сплавов на основе Т1—с температурами начала прямого мартенситного превращения ниже -50 °С, появились предложения использовать изделия из них в различных соединениях и крепеже. Предварительное деформирование таких сплавов при пониженных температурах (обычно в среде жидкою азота) позволило использовать нагрев только до комнатной температуры для реализации эффекта памяти формы и совершения действия, направленного на соединение каких-либо элементов или деталей. С появлением указанных сплавов нижняя граница рабочего диапазона температур соединений опустилась соответственно в область низких температур - до -100 °С и ниже. Это позволило использовать такие устройства в климатическом диапазоне
п
температур от -60 °С до +60 °С, чего не позволяли обычные бинарные сплавы.
Пальма первенства в этой области принадлежит американской компании Каусітет, которая к моменту появления сплавов с низкими температурами мартенситных превращений имела большой опыт разработки устройств и приспособлений из термоусаживаемых полимеров, использовавших так называемую «замороженную» деформацию. Основываясь на этом опыте они предложили и запатентовали соединение зруб, названное КгуоГй, с помощью муфты из никелида титана с низкими характеристическими температурами •превращений. Суть способа и устройства состояла в том, что из никелида титана изготавливали муфту с внутренним диаметром, меньшим внешнего диаметра соединяемых труб. Затем в среде жидкого азота муфту дорновали (раздавали по диаметру) так, чтобы ее внутренний диаметр стал больше внешнею диаметра подлежащих соединению труб. Здесь пригодилось и оборудование, предназначенное для раздачи полимерных муфт, модифицированное для деформирования муфт из никелида титана в среде жидкого азота [19]. Затем муфту извлекали из жидкого азота и законцовки соединяемых труб вставляли внутрь муфты. Теперь весь узел (сборку) достаточно было нагреть до комнатной температуры. Это требовало нескольких минут при естественном нагреве, но нагрев можно было провести быстрее, обдувая сборку горячим воздухом или помещая ее в горячую воду. В процессе нагрева муфга, стараясь вернуть за счет эффекта памяти формы предварительно заданную деформацию и, наталкиваясь на сопротивление труб, генерировала напряжения и плотно охватывала соединяемые трубы. Заметим, что прообразом такого соединения могло служить соединение двух элементов (контактов) профилированной муфтой из никелида титана [20]. Первые соединения типа КгуоШ в массовом промышленном масштабе стали устанавливаться в 1971 году на палубных истребителях Огитшап Р-14 военно-морских сил США, что позволило без
12
потери качества заменить сварные соединения тонкостенных труб и уплотнить компоновку пучков трубопроводов [21]. Болес полутора миллионов таких соединений было установлено без каких либо нареканий на качество во время их эксплуатации.
Позднее появился термин «термомеханическое соединение» (ТМС), которым принято называть устройства, предназначенные для скрепления различных деталей, в которых основным является элемент из материала с эффектом памяти формы. Принцип действия этих соединений основан на способности материалов с ЭПФ генерировать реактивные напряжения при противодействии свободному возврату предварительно заданной обратимой деформации при нагреве через интервал обратного мартенситного превращения. Именно эти напряжения и обеспечивают удержание деталей в соединении. Характер развития таких напряжений в зависимости от температуры при нагревании изображен на рис.4. Изменение напряжений и деформации в процессе сборки термомеханического соединения будет выглядеть так, как показано на рис.5. Предварительная деформация задается деформированием материала с ЭПФ в мартенситном состоянии, затем следует разгрузка и нагревание, во время которого и происходит генерация реактивных напряжений. На рисунке изображено несколько вариантов развития этого процесса. Дело в том, что различные углы наклона отрезка, соответствующего этапу генерации напряжений, зависят от жесткости противодействующего тела. Чем больше жесткость - тем ин тенсивнее растут напряжения. Предельные случаи соответствуют свободному возврату предварительно заданной деформации и абсолютно жесткому защемлению, когда рост напряжений будет происходить при постоянной зафиксированной деформации. На рис.5 изображен идеальный вариант, когда генерация напряжений при нагреве начинается сразу после разгрузки. В реальных соединениях эти два момента разделены небольшим участком свободного
13
возврата деформации, соответствующим технологическому облегчающему процесс монтажа деталей узла во время его сборки.
а
зазору,
Рис. 4.
Рис. 5.
с)
Рис. 6.
Наиболее коммерчески успешным вариантом реализации этого принципа являются термомеханические соединения труб с помощью муфты из сплавов на основе никелида титана, о которых речь уже шла выше. Самый простой пример устройства с гладкой муфтой изображен на рис.6,а. Выполнение на внутренней поверхности муфты уплотнительных выступов позволяет обеспечить лучшую герметичность (рис.6,Л) [22]. Для предотвращения усталостного разрушения соединения при вибрационных нагрузках на концах муфты могут быть предусмотрены участки с уменьшающейся толщиной стенки, снижающие концентрацию напряжений в
14
этих местах (рис.6,/>). В связи с тем. что никелид титана весьма плохо обрабатывается и изготовление уплотнительных буртиков на внутренней поверхности муфты очень трудоемкий процесс, более технологичным может быть использование гладкой муфты с различного типа промежуточными деталями (рис.6,с,сГ) [23]. Промежуточная летать также может быть предназначена для предотвращения электрохимической коррозии в соединении.
Первоначально, в 70-80-е годы, муфты обычно изготавливали из сплава Т1-Ыг Ре с характеристическими температурами мартенситных превращений ниже -50°С, раздавая их в среде жидкого азота. Сборку соединения осуществляли путем нагрева муфты до комнатной температуры. В том случае, если требовалось время для доставки муфт к месту сборки, то их хранение также происходило в жидком азоте в специальных контейнерах-термостатах. Во многих случаях такой принцип находит свое применение и до сих пор. Примерно в то же время были изобретены специальные устройства-хранители, на которых муфту можно было хранить при комнатной температуре, и лишь непосредственно перед сборкой муфту на хранителе опускали в жидкий азот, в котором она за счет пластичности, обусловленной прямым мартенситным превращением, увеличивала свой диаметр и снималась с него. После такой процедуры она была готова для использования при сборке. В последнее время были разработаны сплавы Ть-ЬИ-МЬ с широким гистерезисом мартенситных превращений: прямое мартенситиое превращение в них происходит при отрицательных температурах, а обратное мартенситиое превращение - при температурах выше комнатной. Это позволило раздавать муфту из сплава Тл-М-М) при низкой температуре, хранить се до момента сборки при комнатной температуре, а собственно сборку соединения получать последующим нагревом. Во всех случаях, когда элемент из материала с ЭПФ является несущим, диапазон рабочих температур соединения ограничен снизу
15
температурой начала прямого мартенситного превращения или даже чуть выше ввиду сдвига характеристических температур превращений под напряжением. При изменении температуры ниже этого значения соединение ослабляется или вообще может быть разобрано.
К настоящему времени было разработано значительное количество вариантов термомеханических соединений труб с помощью муфт, хомутов, всевозможных вставок и других элементов из материалов с ЭПФ. Были даже предложения изготавливать арматуру разъемных соединений, например типа ниппель - штуцер, из никелида титана с тем, чтобы сначала их можно было бы закрепить на законцовках труб как обычное неразъемное ТМС, а затем собрать разъемное соединение. В некоторых случаях роль муфты могут играть предварительно растянутые в мартенситном состоянии лента или проволока [24, 25] из материала с ЭПФ, которые после навивания, например, на промежуточную герметизирующую деталь, и нагревания плотно прижимают се к трубопроводу.
Понятие ТМС не ограничивается устройствами, предназначенными для соединения труб. К ним можно отнести и всевозможный термомеханический крепеж. Например, на рис.7 изображены различные варианты заклепок, использующие материал с ЭПФ, которые не требуют формирования второй головки ударом, обжатием или другим механическим путем, а соединение осуществляется просто при нагреве через интервал температур образного превращения.
Принцип действия остался тем же, что и для термомеханических соединений труб. В высокотемпературном состоянии заклепке придают форму, которую она должна будет иметь по завершению соединения или к которой должна будет стремиться, например такую, как показано цифрой 1 на рис. 1,а [26]. Затем заклепку охлаждают, сводят концы - этап 2 на том же рисунке - вставляю! в соединяемые детали и производят нагрев. При достижении температур обратного мартенситного превращения заклепка
16
начинает «вспоминать» свою форму, и плотно схватывает соединяемые детали. На рис.7,£-£ изображены различные варианты реализации этого принципа, которые не требуют особых комментариев.
а) Ь)
-ян-
к)
Рис. 7.
Из материалов с ЭПФ можно изготавливать шпонки, сухари, шайбы, всевозможные разрезные элементы. В настоящее время большое распространение получили термомеханические соединения с помощью колец, в том числе и проволочных. Они применяются, например, для крепления экранирующих металлических оплеток кабелей к электроарматуре, тонкостенных колпачков электронных приборов к основаниям. В этих случаях хорошо зарекомендовали себя сварные проволочные кольца из сплава Ть-М-ЫЬ.
Обычно термомеханические соединения дороже своих обычных аналогов - резьбовых, сварных, заклепочных, паяных. Поэтому применение ГМС ограничено сочетанием цены и получаемого результата. В случае ТМС для военных самолетов возможность более плотной компоновки пучков
17
трубопроводов, отсутствие высокотемпературного нагрева в процессе сборки, ремонтопригодность и другие преимущества перевесили их высокую стоимость. Естественно, что во всех таких случаях следует руководствоваться целесообразностью.
Четвертое направление, которое следует выделить - использование материалов с ЭПФ одновременно как термочувствительных и исполнительных элементов в различных предохранительных, регулирующих и управляющих устройствах. Идеи такого использования были высказаны еще в [27]. Схемы устройств были весьма просты. На рис.8 изображено устройство, предназначенное для контроля температуры [28]. Оно содержит рабочий элемент 1 из материала с эффектом памяти формы, установленный между подвижным контактом 2 и корпусом 3. Подвижный контакт нагружен пружиной 4 с регулируемым натягом. При изменении температуры элемента I через интерват прямого превращения пружина 4 сжимает рабочий элемент и замыкает контакт. При нагреве через интервал температур обратного превращения рабочий элемент восстанавливает свою форму и размыкает контакт. Регулируя натяг пружины 4, можно менять силу, действующую на рабочий элемент, и тем самым изменять температуру превращения или температуру срабатывания.
Рис.8.
IX
На рис.9 изображен термочувствительный датчик [291, который содержит рабочий элемент 1 из материала с эффектом памяти формы, установленный в гильзе 2 и подсоединенный к исполнительному органу, например к рычагу 3, взаимодействующему с подвижным контактом 4.
При изменении температуры через интервал обратного мартенситного превращения происходит перемещение подвижного конца рабочего элемента
1, поворот рычага 3 и изменение положения контакта 4. Для повторного использования датчика необходимо сообщить рабочему элементу в мартенситом состоянии деформацию, для чего в процессе прямого мартенситного превращения на него воздействуют соответствующей силой.
Предложенное в работе [30]- устройство для стабилизации функциональных характеристик проволоки из никелида титана путем термоциклирования, изображенное на рис. 10, использовало саму тренируемую проволоку 1 как привод, размыкавший и замыкавший контакты
2, пропуская через себя электрический ток или прерывая его. Как и в других подобных схемах, возвратная пружина 3 необходима для создания усилий на этапе охлаждения рабочего элемента, возвращающих его в исходное положение за счет пластичности прямого превращения. До сих пор это наиболее часто применяемая схема «сплав с ЭПФ - противодействующий
1
////7Ї/Л
Рис. 9.
19
элемент» не только в регуляторах, предохранителях и управляющих устройствах, но и в приводах другого назначения.
Рис. 10.
В настоящее время предложения по использованию материалов с 311Ф исчисляются тысячами, но, по-прежнему, указанные основные направления сохраняются, проникая в различные сферы техники и приобретая новые характеристики с появлением и развитием новых возможностей современной науки и технологии. Патенты на устройства, использующие сплавы с ЭПФ можно найти во всех классах Международной Классификации Изобретений. Многие новые предложения использования материалов с ЭПФ основаны на современном прогрессе в технологиях, например, лазерной сварки и резки, газофазового напыления, производства прецизионных микрополуфабрикатов [31-37]. Так, например, вместо сочетания рабочего элемента с возвратной пружиной может быть использована тонкая полимерная мембрана с напыленным на нее слоем никслида титана. Сложные конфигурации полых деталей могут вырезаться из сплошных полуфабрикатов лазерной резкой. Развивается технология лазерной сварки тонких проволок. В настоящее время нагрев рабочих элементов может производиться, помимо классических способов, с помощью световодов, эффекта Пельтье, лазерным излучением.
20
Несмотря на все вышесказанное и обилие патентов, внедрение материалов с ЭПФ в практике современной техники незначительно. Па сегодняшний день используются самые простые конструкции, реализующие обычно однократный эффект памяти формы, циклическую память формы или эффект сверхупругости. Примером могут служить игрушки - например, бабочка, складывающая и раскрывающая крылышки под действием простейшего проволочного привода, и сравнительно грубо сделанные макеты мартенситных двигателей. Причем срок их действия весьма ограничен ввиду нестабильности по отношению к циклическим воздействиям. Больший успех выпал на долю сверхупругости - этот эффект в чистом виде применяют при изготовлении антенн мобильных телефонов, оправ очков, элементов одежды. Такое положение дел обусловлено не только экономическими причинами, но и отсутствием некоторых знаний, касающихся функционально-механических свойств сплавов с ЭПФ, практически отсутствием методов инженерного расчета их механического поведения, отсутствием стандартов и методов контроля свойств, во многих случаях отсутствием методов прогнозирования жизнеспособности этих материалов в конструкциях. Что же было известно к началу работ о свойствах материалов с эффектом памяти формы7 Рассмотрим свойства материалов с эффектом памяти формы более подробно.
Пластичность превращения. Эффектом пластичности превращения (ЭПП), называют процесс накопления деформации, протекающий даже при весьма малых приложенных напряжениях во время прохождения фазового превращения, которое сопровождается резким снижением сопротивления пластическому деформированию. Этот феномен достаточно хорошо изучен (38-49]. Обычно это явление исследуют в процессе охлаждения или нагрева материала через интервал температур превращения под постоянным напряжением. Иллюстрация протекания пластичности прямого мартеиситного превращения приведена на рис.11.
21
7,%
6
Ч
2 О
Рис.11. Зависимость деформации от температуры для сплава Т1-50%оЬИ (ат. доли) при охлаждении при постоянном напряжении 100 МПа [44].
Первоначально эффект пластичности превращения изучали, главным образом, в сталях с диффузионным характером превращений [I, 39-41, 45, 471, а затем и в материалах с обратимыми мартенситными реакциями [38, 42, 44, 50]. В большинстве металлов и сплавов он наблюдается при охлаждении через интервал прямого превращения, а в некоторых и при нагреве во время обратного перехода [43, 48, 51].
5
V
£ 1 1 0
О
Рис. 12. Зависимость величины пластичности прямого превращения от приложенного напряжения для сплавов: Мп-12,5%Си (1); Ре-17,5%оМп (2); 77 -47,5УШ1-2,5%Си (ат. доли) (3); Мп-38%Си (4); Мп-2Н%Си (5);
Ш-48%Си (6) 149]
22
Характерной особенностью ЭПП является практически линейная связь деформации, накопленной за время прохождения температурой всею интервала превращения, с приложенным напряжением (рис. 12). Кинетика накопления деформации, которое всегда направлено в сторону приложенной силы, соответствует кинетике фазового превращения. Заметим, что при больших напряжениях к обратимой пластичности превращения добавляется обычная необратимая пластичность, что внешне выражается в отклонении от линейной зависимости накапливаемой деформации от приложенных напряжений.
Физически пластичность превращения представляет собой деформацию, обусловленную перестройкой решетки одной фазы в другую под воздействием термоактивируемых сил внутреннего (механического и химического) характера. Внешние напряжения в этом процессе играют роль ориентирующего фактора.
Эффект памяти формы (ЭПФ) заключается в способности пластически продеформ ированного металла возвращать деформацию (полностью или частично) при изменении температуры. Причем пластическая деформация может быть задана как в изотермических условиях обычным наг ружением, так и в процессе протекания фазового превращения под нагрузкой за счет эффекта пластичности превращения, описанного выше. Внешне гго возврату деформации невозможно определить, каким образом материал был предварительно продеформирован, но следует отметить, что ЭПФ во втором случае выражен сильнее и может достигать значительных величин (порядка десятков процентов). Отношение величины эффекта памяти формы к величине пластичности превращения в подавляющем большинстве случаев близко к единице, а отношение величины ЭПФ к активно заданной предварительно деформации колеблется в широких пределах. Возврат также может достигать 100 %, если предварительная
23
активная деформация меньше некоторой критической, которая для никелида титана, например, составляет 5-6% .
Большую роль при инициировании ЭПФ активной предварительной деформацией играет температура нагружения по отношению к характеристическим температурам превращения: Мн и Мк, Ан иАк — начала и окончания прямого и обратного переходов (рис. 13). Возврат остаточной деформации при нагреве уменьшается с увеличением температуры предварительного приложения нагрузки и при Т > Ак становится равным нулю.
Рис. 13. Зависимость количества мартгнеитнои фазы от температуры.
Проявление ЭПФ при нагреве после задания пластической деформации в мартенситном состоянии может происходить в гри стадии: ниже Ан, непосредственно в процессе обратного превращения и выше Ак (кривая 1 на рис. 14). В том случае, если обратное превращение происходит многостадийно, возврат деформации повторяет его кинетику (кривая 2 на рис. 14). Однако в подавляющем большинстве случае память формы наиболее сильно выражена в интервале превращения. Отметим, что после пластичности превращения ЭПФ всегда проявляется одностадийно (кривая 3 на рис. 14).
24
Рис. 14. Зависимость деформации от температуры при нагреве для сплавов: 1 - ТУ-МЧРе после кручения на 30%; 2 - Ре-17,5%оМп после кручения на 13,5%; 3 - 1)-55%!\0-0,2%Мх после охлаждения под напряжением 200 МПа /49/.
ЭПФ наблюдается в некоторых материалах и в процессе прямого превращения после задания деформации активным нагружением и после пластичности образною превращения при нагреве [43, 52].
Механические свойства. Материалы, обладающие эффектами пластичности превращения и памяти формы, проявляют аномалию в поведении и при обычном нагружении в изотермических условиях. Так, например, на рис. 15 схематически изображена кривая нагружения материала с ЭПФ в районе температуры А». Кривая деформирования в этом случае может иметь ступенчатый вид с малыми коэффициентами упрочнения на участках АВ, ОЕ, О К; таким образом, появляются два и более пределов текучести. Главное отличие от обычных мегаллов состоит в том, что разгрузка даже из точки Е может приводить к полному возврату деформации. Линейному закону подчиняются лишь начальные этапы снятия нагрузки, например, ВС и ЕЕ, в дальнейшем возврат деформации идет очень интенсивно, нередко в несколько стадий. В отдельных случаях на интенсивном участке уменьшения деформации могут наблюдаться скачки
25
напряжений, что связано с ориентационной и структурной неустойчивостью металлов в данных условиях. Описанное явление изотермического возврата больших, явно не обычных упругих, деформаций при снятии напряжений и называется сверхупругостью (или псевдоупругостью). Эго свойство обнаружено у широкого класса материалов и при различных видах нагружения может достигать 10-20 % [52, 54-58]. Примеры псевдоупругого поведения сплавов при различных температурах приведены на рис. 16.
Рис. 15. Схема зависимости напряжения от деформации при изотермическом нагружении: АВ обусловлена превращением аустенит -мартенсит под напряжением; ВО упругая деформация мартенсита: ОБ обусловлена переориентацией мартенсита: (Ж пластическая деформация
мартенсита [53/.
а)
Рис. 16. Кривые растяжения ставов А^-СсЗ (а,Ь) [59] и Си-2п-8п (с)/60] при
разлиниых температурах.
26
В то же врем, при температуре Т > Л/д где — температура, выше к'оторой невозможно напряжением инициировать превращение аусгенит мартенсит, металл деформируется по обычной кривой с заметным упрочнением и почти линейной разгрузкой, слегка отходя от этого правила лишь в самом конце снятия нагрузки.
Несколько работ посвящено механическому упрочнению в условиях циклического нагружения [56, 61-64). Циклическое деформирование с заданной амплитудой деформации приводит к созданию стабильной замкнутой гистерезисной петли. Сделан вывод о том, что в отличие от обычных металлов, где наклеп определяется суммированием приращения деформации по модулю, у никелида титана, например, он зависит скорее от простой суммы приращений деформации. Это приводит к тому, что при циклическом кручении с заданной амплитудой гистерезисная кривая устанавливается уже на втором цикле и далее практически не изменяется. Наклеп, создаваемы одним полуциклом, почти полностью снимается вторым полуциклом.
Выявлено отсутствие эффекта латентного упрочнения в ТіКі, который заключается в упрочнении не только действующих систем скольжения, но и тех, в которых деформации не было [64]. В пределах разброса экспериментальных данных предварительное растяжение не влияет на диаграмму кручения, а предварительное кручение — на диаграмму растяжения. Более того, скрытое упрочнение практически не возникает даже после сложного двухступенчатого пластического воздействия на металл [64]. Отмечено, что даже низкотемпературный отжиг вызывает не только возврат деформации, но и снятие деформационного упрочнения [61, 64].
Генерация и релаксация напряжений. Возврат деформации, происходящий за счет эффекта намяли формы, не удается подавить даже
27
большими противодействующими напряжениями, поэтому этот феномен, реализуемый в условиях защемления образца, вызывает генерацию напряжений, которые приято называть реактивными в силу того, что они являются реакцией материала на противодействие со стороны внешних сил. На рис. 17 изображена типичная зависимость реактивных напряжений, генерируемых при нагревании. На том же рисунке изображена кривая, относящаяся к релаксации напряжений за счет пластичности превращения при последующем охлаждении.
Рис. 17. Зависимость реактивных напряжении от температуры для сплава
П-50ат.%т [67].
Отметим, что появление реактивных напряжений во многих случаях существенно видоизменяет закономерности ЭПФ по сравнению с его проявлением в свободном состоянии образца. Это, в основном, выражается в сдвиге температур мартенситных превращений. У большинства сплавов он с достаточным приближением линеен, а у некоторых весьма мал [68]. Кинетические особенности генерации напряжений были исследованы также в работах [43, 65, 66, 69-74].
Величины реактивных напряжений, генерируемых при нагреве, зависят от предварительно заданной сплаву остаточной деформации, температуры деформирования и жесткости системы образец — машина. Чем выше
28
жесткость и степень предварительного деформирования, тем выше генерируемые напряжения.
Как уже отмечалось, релаксация напряжений в материале при охлаждении его через интервал прямого превращения есть следствие проявления ЭПП и она обратима вследствие обратимости пластичности превращения: при последующем нагреве реактивные напряжения
восстанавливаются. Глубина релаксации напряжений в этом случае также зависит от жесткости испытательной машины: чем выше жесткость, тем выше степень релаксации.
В заключение отметим, что высокая величина реактивных напряжений в рассматриваемых материалах и сравнительная малость нагрузок при задании деформации, возврат которой и обуславливает генерацию усилий, позволяет использовать металлы и сплавы с ЭПФ для преобразования тепловой энергии в механическую работ>' [66, 75, 76].
Эффект обратимой памяти формы. Обратимой памятью формы (ОГ1Ф) принято называть формоизменение материала при нагревании и охлаждении без вмешательства внешних сил во время гермоцикла. Один из примеров изображен на рис. 18.
Рис. 18. Зависимость деформации от температуры для сплава 11-46,8%№-3,3%Си (ат. доли) в свободном состоянии [49].
29
Обратимую память формы можно получить двумя основными способами - предварительным деформированием материала в мартенситном или аустснитном состоянии (тогда в нервом случае се называют ОПФ «мартенситного типа», а во втором - «аустенитного»), или предварительным термоциклированием под нагрузкой - так называемой «тренировкой». Значения деформаций, которые можно получить за счет 011Ф, значительно меньше значений однократной памяти формы. Они обычно находятся в районе 1% и в исключительных случаях могут достигать 2-3%. Движущей силой изменения деформации при реализации ОПФ являются внутренние напряжения, которые служат ориентирующим фактором при прямом превращении, а при нагревании полученная при охлаждении деформация возвращается как при однократном эффекте памяти формы.
Работоспособность материалов с эффектом памяти формы. Здесь имеется в виду возможность преобразования тепловой энергии в механическую работу. Так как Э11Ф можно обеспечить двумя способами — активным деформированием и пластичностью превращения, то и полезную работу можно получать соответственно разными методами. Первый метод — охлаждать металл через интервал прямого превращения под малым внешним напряжением (проявляется ЭПП), а перед нагревом увеличивать это напряжение. Второй способ — снятие механической работы в режиме генерации реактивных напряжений инициируемых возвратом деформации, заданной активным нагружением. В связи в этим необходимо выявить оптимальные температурные, деформационные и силовые параметры, при которых производство работы максимально.
Такие исследования были проведены, например но второй методике, в режиме изгиба образцов из никелида титана [76, 77]. Установлено, что максимальный выход механической работы происходит при задании предварительной пластической деформации в мартенситном состоянии
30
порядка 2 %. Максимальная величина реактивных напряжений в этих опытах равна 630 МПа, а наибольшая удельная полезная работа, совершаемая материалом в таком режиме, была около 0,15 МДж/м'.
В работе [42] исследовали работоспособность композиции Л-ЫьСи по первой методике с целью определения оптимальных температурно-силовых параметров, таких как напряжения при охлаждении и нагреве, середина интервала термоциклирвоания и его ширина. В результате экспериментов, проводившихся в режиме кручения, оказалось, что для совершения максимальной удельной полезной работы порядка 9 МДж/м3 напряжение при охлаждении должно быть равно 50 МПА, а при нагреве » 200 МПа. Середина интервала термоциклирования в наилучшем случае была около температуры а ширина интервала « 100 К.
Аналогичное исследование было произведено на сплавах медь-марганец различного состава [78]. Максимальная удельная работа для одного из вариантов изученных сплавов, полученная за цикл, оказалась порядка 0,6МДж/м3, середина оптимального интервала термоциклирования находилась также в районе Ан, а ширина его была равна 120 К.
Методы расчета. Следует отмстить, что имевшиеся на начало работ по данной теме теории в большинстве своем носили физический характер. Например, авторы работы [79], базируясь на теории Ландау, подбирая соответствующим образом форму кривой для свободной энергии в зависимости от деформации, описывают поведение материала в ходе циклического нагружения для различных температур испытания. Приведены результаты расчетов для одномерной модели. Аналогичным приемом пользуется автор [80].
В работе [81] описывается поведение материала в двухфазном состоянии, когда превращение инициируется деформированием, путем введения парциального предела текучести:
31
<*, = 0 - /) • О г (£ - аЛ + /св1 (* - «/).
где / — нормированное количество новой фазы; сту,ста> — пределы
текучести соответствующих фаз; є — деформация; а — некоторый коэффициент, который можно найти из наклона кривой /(є) при Г< Мк, например при Т = -196°С, когда превращением инициируется деформацией металла.
Авторы [82] предполагают, что материал может бы ть охарактеризован тремя внутренними переменными: две из них описывают изменение кристаллографической структуры при пластической деформации, а третья — набор скалярных внутренних параметров — описывает степень развития фазового превращения. Величины, связанные с пластическим деформированием, определяются с помощью диссипативного потенциала, величины, связанные с упругим деформированием, — с помощью внутренней энергии. Приведены определяющие соотношения — закон пластического течения и эволюционные уравнения для внутренних переменных. Исходя из этой теории, могут быть получены диаграммы время—температура—превращение.
В работе [63] было предложено ввести в рамках теории течения параметр упрочнения X, удовлетворяющий уравнению:
СІЛ = ^(сІ£Па/і + СІЄІР)( СІ€Пар + (ІЄІр),
Р гі
іде £ар — тензор обычной пластической деформации; єар — тензор обратимой деформации, равный Да/,Ф(7); Аар — тензор коэффициентов; Ф(Т)
— количество материала, где при данных условиях реализована обратимая мода деформации.
Условие текучести взято в виде:
32
^2 ~ у[(^сф Рар)(Зар Рар) - ^(Я), ?
где £,/— девиатор напряжений, рч — девиатор остаточных напряжений.
Связь деформаций и напряжений записана в виде:
*2
Девиатор тензора остаточных напряжений определяется соотношением:
с!рн = а^е£ +а2йЦ>
где функции (XI, (%2 всегда можно выбрать так, чтобы первое слагаемое в правой части представляло собой обратимую часть р(), а второе — необратимую часть этого девиатора.
В работе [83] предложены полуэмпирические формулы для нахождения реактивных напряжений. Так, для температурной зависимости последних предложена формула:
Т-А
ог(Ту£) = с
втф
1 -ехр
-К
51
Ак-Т
[1 - ехр(-М-)],
ВТФ
г
где с,- — реактивное напряжение; Т — температура; £ — деформация; а
предел текучести высокотемпературной фазы; Ан, Ак
характеристические температуры обратного превращения; N — число кристаллографически эквивалентных вариантов превращения; К — константа, аналогичная константе скорости реакции.
Для заданного значения £ напряжение а,- зависит только от Т в интервале Ан < Т < Ак., и для Т = Ак получим
(Т-ах=аВТФ(1_ехр(_д^))
Другие полуэмпирические формулы можно найти в работах [36, 84].
33