Выбор материалов и способов их упрочнения». Курсовая работа по дисциплине Выбор материалов и способов их упрочнения
 Скачать 0.67 Mb.
|
|
. Основные эффекты термомеханического поведения материалов с ЭПФ Диаграмма деформирования материалов с ЭПФ, испытывающих обратимые фазовые превращения (рис. 7), существенно отличается от таковой для обычных материалов. После упругого деформирования (участок 0А) материал испытывает значительную пластическую деформацию с очень малым деформационным упрочнением (участок АВ), где пластичность обусловлена фазовым превращением. Дальнейшее деформирование материала протекает как обычно (участок BCD). Напряжение, соответствующее началу пластической деформации (точка А), связанной с фазовыми превращениями, принято называть фазовым пределом текучести  в отличие от обычного предела текучести s t .Фазовый предел текучести зависит от температуры испытания (рис. 7, б) и имеет минимальное значение при температуре, близкой к Мн. Протекание обратимых фазовых превращений в сплавах с ЭПФ сопровождается рядом необычных термомеханических эффектов, основные из которых рассмотрены ниже. Эффект пластичности превращения (ЭПП) Этот эффект можно проиллюстрировать следующим образом. Образец из сплава с ЭПФ при температуре выше  (в аустенитном состоянии) нагружается силой Р (рис. 8) и затем охлаждается. В интервале температур  наблюдается интенсивное накопление деформации e пп в результате прямой мартенситной реакции. После снятия нагрузки деформация e пп сохраняется. При последующем нагревании деформированного образца в интервале температур  деформация e пп устраняется, что является демонстрацией ЭПФ. Существует линейная зависимость между e пп и приложенными напряжениями до определенных значений, выше которых наблюдаются отклонения различного характера.  Рис. 7 Схема диаграммы деформирования (а) и зависимость фазового предела текучести  от температуры испытания (б) материала с ЭПФ Рис. 8 Накопление деформации под нагрузкой при охлаждении (сплошная линия) и устранение ее при нагреве без нагрузки (пунктирные линии) 3.1 Эффект памяти формы Феноменологию ЭПФ можно проиллюстрировать следующим образом. Образец деформируют (например, растяжением) при температуре ниже Мд (рис. 8, а). При достижении напряжения  образец деформируется пластически (участок АВ), и эту деформацию называют фазовой (e ф), так как она вызвана фазовыми превращениями «аустенит—мартенсит», или «мартенсит—мартенсит», или их комбинациями. В некоторых случаях фазовая пластическая деформация может протекать в несколько стадий, что определяется многостадийностью фазовых превращений (например, в Cu—Al—Ni). Рис. 8 Схема реализации ЭПФ (а) и зависимость степени восстановления формы от предварительной деформации (б) После разгрузки (участок ВС) фазовая деформация (e ф) сохраняется в образце. При нагреве образца в результате протекания обратного мартенситного превращения в интервале температур (Ан—Ак) фазовая деформация восстанавливается (участок СД). Это, собственно, и есть эффект памяти формы. В случае, когда восстановленная деформация e вос < e ф, в образце сохраняется некоторая остаточная деформация e ост, накапливаемая в результате инициализации необратимых каналов пластичности, например, дислокационных. Зависимость степени восстановления деформации h , определяемая как h = ( e вос/ e ф ) представлена на рис. (8, б). Максимальная фазовая деформация  , которая восстанавливается полностью(h = 1) при реализации ЭПФ, зависит от материала, его термомеханической обработки и условий деформирования (например, для сплавов на основе TiNi = 6–12 %, для сплавов Cu—Al—Mn = 4–10 %).Наиболее эффективным способом деформирования является деформирование в режиме эффекта пластичности превращения, когда наиболее полно реализуются деформационные возможности фазовых превращений. Однако технологически такой способ трудно осуществим. Реально на практике используется схема активного деформирования при температуре, близкой к Мн, при которой деформирующие нагрузки минимальны. 4. Генерация реактивных напряжений Одной из особенностей деформационно-силового поведения материалов с ЭПФ является эффект генерации реактивных напряжений, физическая интерпретация которого приведена на рис. 9. После деформирования (участок ОАВ) образца с ЭПФ при Т» Мн и разгрузки (ВС) в нем сохранится фазовая деформация. Если при последующем нагреве воспрепятствовать свободному восстановлению деформации (заневолить образец), то в нем возникнут внутренние напряжения, называемые реактивными s r (участок СD1). Значение максимальных  зависит от деформации начала противодействия e нп и жесткости противодействия К = tga , с увеличением e нп и К максимальные реактивные напряжения растут, что отражено на рис. 9 (кривые 1, 2, 3).  Рис. 9 Схема генерации реактивных напряжений: ОАВ — деформирование при Т» Мн; ВС — разгрузка; СD1 — генерация реактивных напряжений при нагреве в заневоленном состоянии (для 1 и 2 — e нп1 = e нп2, К1 > К2; для 2 и 3 — e нп3 < e нп2, К3 = К2) У сплавов на основе TiNi могут достигать 600–800 МПа, а в композиции Ti—Ni—Hf — даже 1300 МПа.Необходимо отметить, что при последующем охлаждении в интервале температур прямого мартенситного превращения  реактивные напряжения s r релаксируют практически до нуля. Типичный гистерезис, демонстрирующий эффект генерации и релаксации реактивных напряжений в сплаве на основе TiNi, приведен на рис. 10. Рис. 10 Эффект генерации (1) и релаксации (2) реактивных напряжений Характерная особенность реактивного напряжения заключается в многократной воспроизводимости гистерезисной зависимости напряжения от температуры при повторяющихся нагревах и охлаждениях. Термомеханический гистерезис не обязательно бывает замкнутым, особенно в первых циклах, но после некоторого числа термоциклов гистерезисная петля стабилизируется (замыкается.). Это весьма важно для практического использования материалов с ЭПФ в циклически действующих устройствах. При генерации s r интервал  расширяется и смещается в сторону более высоких температур, причем  возрастает незначительно, а повышается довольно сильно, например, в сплавах на основе TiNi на сто и более градусов.Реактивные напряжения при температурах выше  весьма стабильны во времени (рис. 11), что обеспечивает длительную работоспособность деталей, в которых реализуются s r. Рис. 11 Изменение реактивных напряжений во времени. Сплав (Ti — 52,5 %, Ni — 2,5 % Fe), начальные значения s r = 200 МПа (1) и s r = 130 МПа (2) 5. Псевдоупругость Псевдоупругость — это способность материала с ЭПФ пластически деформироваться при определенных условиях и восстанавливать деформацию при снятии внешней деформирующей нагрузки, как показано на рис. 12.  Рис. 12 Псевдоупругое механическое поведение на основе сплава TiNi при  < Т < Мд На участке АВ пластическая деформация обусловлена протеканием реакции «аустенит ® мартенсит», инициируемой механическим нагружением. Наведенный в данных условиях мартенсит термодинамически неустойчив и при снятии нагрузки превращается в аустенит, что сопровождается исчезновением пластической деформации (участок ВС). Значение псевдоупругой деформации может составлять для разных сплавов от 2 до 8 %, что позволяет изготавливать из сплавов с ЭПФ упругие элементы с существенно более высокими деформационными способностями (например, суперпружины). Эффект псевдоупругости может реализовываться и при других условиях деформирования, например при Т < Мк, с задействованием других механизмов обратимой деформации. Однако внешнее его проявление аналогично рассмотрен-ному. 5.1 Обратимая память формы У многих материалов в процессе термоциклирования в ненагруженном состоянии через интервалы прямого и обратного мартенситных превращений при охлаждении деформация накапливается (1), а при нагреве (2) восстанавливается (рис. 13).  Рис. 13 Накопление (1) деформации при охлаждении и ее восстановление (2) при нагреве в сплаве с ЭПФ в ненагруженном состоянии после предварительного термоциклирования под нагрузкой через интервал Мк–Ак Это свойство называют обратимой (двусторонней) памятью формы (ОПФ), которое имеет способность не исчезать практически после любого числа теплосмен. Данный эффект может быть инициирован только за счет деформационного воздействия на металл: во-первых, активным пластическим деформированием мартенсита или аустенита в изотермических условиях; во-вторых, термоциклированием материала под нагрузкой через интервал фазовых превращений. Эффект обратимой памяти формы резко расширяет возможности применения сплавов с ЭПФ в приборах и конструкциях многократного циклического действия. Список литературы 1. Материаловедение: Учебник для вузов Год выпуска: 2007 Автор: Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Издательство: ХИМИЗДАТ. 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ. Автор В.Г. Шипша 3. МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ. Том Ι. СТАЛИ И ЧУГУНЫ Автор М. А. Филиппов, В. Р. Бараз, М. А. Гервасьев, М. М. Розенбаум |