Научная статья на тему 'Деформационный гистерезис при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана'

Деформационный гистерезис при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
261
81
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НИКЕЛИД ТИТАНА / МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ / ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ ДЕФОРМАЦИОННЫЙ ГИСТЕРЕЗИС / ДИССИПАЦИЯ ЭНЕРГИИ / НЕРАВНОВЕСНЫЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ / TINI / MTRTENSITIC TRANSFORMATION / SHAPE MEMORY EFFECT / DEFORMATION HYSTERESIS / DISSIPATION ENERGY / NON-EQUILIBRIUM THERMODYNAMIC POTENTIAL

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Плотников В. А., Гранкина Е. Ю., Грязнов А. С.

Получены данные по деформационному гистерезису в циклах мартенситных превращений в никелиде титана в условиях действия механических напряжений. Деформационный гистерезис свидетельствует, что при накоплении и возврате деформации в цикле мартенситных превращений происходит диссипация энергии, что свидетельствует о протекании необратимых процессов, несмотря на механическую обратимость сплава.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Плотников В. А., Гранкина Е. Ю., Грязнов А. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The Deformation Hysteresis during Termoelastic Martensitic Transformation of NiTi-alloy

The results of deformation hysteresis during termoelastic martensitic transformation alloy based on NiTi were finding. The deformation hysteresis evidence of dissipation energy upon accumulation and reversion of deformation during martensitic transformation cycle. Consequently irreversible processes attend cycle in spite of reverse of NiTi alloy.

Текст научной работы на тему «Деформационный гистерезис при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана»

УДК 536.763

В.А. Плотников, Е. Ю. Гранкина, А.С. Грязное Деформационный гистерезис при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана

Введение. Известно, что при проведении цикла термоупругих мартенситных превращений в никелиде титана траектории процессов прямого В2^В19 и обратного В19^В2 превращений в пространстве термодинамических параметров количество мартен-ситной фазы - температура не совпадают [1]. Такое несовпадение на зависимости концентрации мартен-ситной фазы от температуры (рис. 1) представлено в виде гистерезиса. На рисунке 1 показано, что в цикле термоупругих мартенситных превращений температура Л5 (температура начала обратного превращения) превосходит температуру Ы1 (температура окончания прямого мартенситного превращения), а температура Л{ (температура окончания обратного мартенситного превращения) превосходит температуру М (температура начала прямого мартенситного превращения). В этой связи в никелиде титана термоупругие мар-тенситные превращения относят к превращению первого типа по Тонгу и Вайману [2]. Превращения первого или второго типов по Тонгу и Вайману характеризуются меньшей или большей вытянутостью петли гистерезиса, причиной которых является структурная неоднородность, создаваемая в ходе мартенситных превращений. Структурная неоднородность исходной фазы обусловлена дефектностью структуры и внутренними полями напряжений. В этой связи обратное превращение протекает при повышенной энергии, так как происходит наследование структурных неоднородностей, например, дислокаций.

Рис. 1. Температурный гистерезис при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана: М8, Мр Л8, Л{ - критические температурные точки прямого и обратного превращений соответственно; Т - температура межфазного равновесия

Физическая природа гистерезиса заключается в производстве энтропии при охлаждении и нагреве сплава. Согласно квазиравновесному обобщению термодинамического потенциала Гиббса на неравновесный процесс производство энтропии осуществляется как внутри системы, так и на поверхности раздела система-среда [3]. В случае мартенситных превращений основной вклад в производство энтропии внутри системы вносят процессы на внутренних границах раздела, в первую очередь связанные с тепловыми потоками через межфазные границы.

Кроме того, при мартенситных превращениях наблюдается накопление структурных дефектов в результате релаксации микронапряжений, генерируемых на межфазной границе. Явление носит название фазового наклепа, приводящего к упрочнению сплава. Процесс пластической релаксации, представляющий собой генерирование полных дислокаций и накопление их в структуре сплава, в этой связи является неконсервативным процессом, сопровождающимся диссипацией энергии, что приводит к дополнительному уширению петли гистерезиса [4].

В работе рассмотрены гистерезисные эффекты при циклировании термоупругих мартенситных превращений в никелиде титана в условиях действия механических напряжений.

Материал и методика проведения экспериментов. В экспериментах использовали сплав Т150№40Си10, для которого в таблице 1 приведены основные механические свойства и температурные точки мартенситных превращений. Сплав был выплавлен в НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института при Томском государственном университете. Условия выплавки сплава и его термомеханическое поведение описаны в монографии [5]. Исходное структурное состояние сплава было сформировано отжигом при температуре 850 0С и охлаждением до максимальной температуры ци-клирования, равной 150 0С.

Эксперименты представляли собой циклирование мартенситных превращений при циклическом изменении температуры в интервале от 20 и до 150 0С в условиях механического нагружения образца. В ходе циклирования мартенситных превращений регистрировали температуру образца и полную деформацию. Регистрацию этих параметров осуществляли в одном временном масштабе, что позволяет сопоставлять эти

Таблица 1

Свойства сплава Ti50Ni40Cu10

Температурные точки мартенситных превращений, 0С Напряжение мартенситного сдвига, МПа Предел текучести, МПа

C О M, s C О sT A , °C s C О

45 ЗУ 45 55 З5 215

параметры друг с другом. Экспериментальная установка была описана ранее в публикации [4].

Экспериментальные результаты. Охлаждение образца в условиях действия постоянной механической нагрузки сопровождается накоплением деформации в (рис. 2) при В2^В19 мартенситном превращении.

Л/, мм

Тм Т, Т,° С

Рис. 2. Зависимость мартенситной деформации от температуры цикла мартенситных превращений

При нагреве образца наблюдается возврат деформации в результате протекания обратного мартенсит-ного превращения В19^В2. При этом наблюдается несовпадение траектории накопления деформации и траектории возврата деформации: температура начала возврата деформации выше, чем температура окончания накопления. Такое соотношение температур накопления и возврата деформации приводит к формированию петли деформационного гистерезиса, характеризующего механические потери при проведении цикла мартенситных превращений. Циклирование мартенситных превращений сопровождается накоплением остаточной деформации - е

Для анализа механических потерь в цикле мар-тенситных превращений рассчитаем площадь гистерезиса. Для этого определим работу по накоплению деформации при охлаждении:

42 £ М-(T,+1 -T), (1)

Т0 1=11

здесь T, T++1 - начальная и конечная температура в элементарном интервале температур от i до I + 1; s - площадь поперечного сечения образца; Д. - деформация образца в i-й точке; о ■ s - сила, приложенная

к образцу, сечением s; T0 =1 (Ms + As) - температура

термодинамического равновесия.

Работа по возврату деформации при нагреве образца A21 определяется аналогично.

Разность этих работ и будет определять площадь петли гистерезиса

W=A21 - A12. (2)

В таблице 2 приведены данные по величине механических потерь при циклировании мартенситных превращений в условиях нагружения нагрузкой в 25,8 и 62,5 МПа.

Как следует из данных таблицы 2, площадь петли гистерезиса при циклировании мартенситных превращений уменьшается. На рисунке 3 показано, что наблюдается снижение энергии потерь по нелинейному закону с выходом на насыщение при увеличении номера цикла превращений.

Зависимость площади петли гистерезиса от номера цикла мартенситных превращений с достаточной точностью можно аппроксимировать экспоненциальной функцией типа

W = Wn + W0 exp (-an). (3)

Wn - уровень насыщения энергии потерь; W0 - площадь петли гистерезиса в нулевом цикле; a - коэффициент в показателе экспоненты (3), характеризующий скорость снижения энергии потерь в цикле мартен-ситных превращений, n - номер цикла мартенситных превращений.

В таблице 3 приведены параметры аппроксимации экспериментальных зависимостей функцией (3)

Обсуждение результатов. Несмотря на обратимый характер накопления и возврата деформации, в тер-

Таблица 2

Энергия потерь в циклах мартенситных превращений в условиях нагружения

Нагрузка, Площадь гистерезиса в циклах мартенситных превращений, 10 ЗДж

МПа 1 2 З 4 5 6 7 8 9 10 11

25,8 1,5 2,00 1,74 1,8З 1,2 1,71 1,2 1,41 1,48 1,50 1,49

62,5 9,07 6,57 6,З7 4,91 5,1З 4,З8 5,41 4,4 5,З2 5,4 5,З

1З2

Рис. 3. Зависимость энергии потерь от номера цикла мартенситных превращений под действием постоянного механического напряжения: а -25,8 МПа; б -62,5 МПа; 1 - экспериментальные точки; 2 - аппроксимация функцией (3)

Таблица 3

Параметры аппроксимации экспериментальных зависимостей функцией (3)

Нагрузка, МПа Г, -10-3 Дж Ж0, -10-3 Дж а Я2

25,8 1,4±0,2 0,9±0,2 0,21±0,18 0,896

62,5 5,1±0,3 18±13 0,77±0,35 0,885

модинамическом смысле эти процессы необратимы. И при охлаждении (при прямом превращении Б2^Б 19), и при нагреве (при обратном превращении Б19^Б2) происходит рассеяние (диссипация) энергии. Проанализируем причину возникновения деформационного гистерезиса в цикле мартенситных превращений. Как было уже сказано выше [3], физическая природа такого гистерезиса заключается в производстве энтропии при охлаждении и нагреве сплава.

Рассмотрим потенциал Гиббса, обобщенный на неравновесный процесс термоупругих мартенситных превращений [3]

Ф = и - Т8 + рУ. (4)

Из приведенного соотношения следует, что в цикле мартенситных превращений наблюдается

йФ = ^йТ + Уайе - Т(с®^ + dS ргпов). (5)

Здесь а№рг элементарная энтропия, произведенная необратимыми процессами внутри системы; dSpгпoв -элементарная энтропия, произведенная необратимыми процессами на поверхности раздела система среда; Уайе - работа, совершаемая средой над системой при приложении механического напряжения о.

Таким образом, производство энтропии обусловлено как необратимыми процессами внутри системы, так и на поверхности раздела со средой. В случае мартен-ситных превращений основной вклад в производство энтропии вносят процессы на межфазной границе, в первую очередь связанные с тепловыми потоками через внутренние (межфазные) границы, площадь внешних границ образца не менее чем на порядок меньше площади внутренних границ, поэтому ими

можно пренебречь [4]. Кроме того, при мартенситных превращениях наблюдается накопление структурных дефектов в результате релаксации микронапряжений, генерируемых на межфазной границе. Накопление дефектов также сопровождается производством энтропии.

Таким образом, площадь петли гистерезиса уменьшается и выходит на насыщение в ходе многократного циклирования мартенситных превращений за счет насыщения фазового наклепа и прекращения в этой связи генерации дефектов, а также за счет уменьшения производства энтропии на межфазных границах. Так как сплав Ті50№40Си10 не склонен к пластической релаксации и фазовому наклепу, то производство энтропии, связанное с генерацией дефектов, исключено. Следовательно, снижение площади гистерезиса при циклировании мартенситных превращений может быть обусловлено снижением производства энтропии за счет снижения плотности границ в цикле превращений. Снижение числа границ в цикле превращений возможно, если уменьшается объем фазы, участвующей в мартенситных превращениях.

О снижении числа мартенситных границ может свидетельствовать увеличение скорости выхода на насыщение площади гистерезиса с 0,21 до 0,77 при увеличении механического напряжения с 25, 8 до 62,5 МПа. Косвенно об этом может свидетельствовать и накопление остаточной деформации, которая растет от цикла к циклу.

Заключение. Проведенное исследование деформационного гистерезиса показало, что в ходе много-

кратного циклирования мартенситных превращений в условиях механического нагружения никелида титана наблюдается экспоненциальное снижение площади петли гистерезиса до насыщения. Снижение площади гистерезиса свидетельствует об уменьшении

рассеяния энергии в цикле превращений (диссипации энергии), что может быть связано с уменьшением объема мартенситной фазы, участвующей в циклах термоупругих мартенситных превращений в условиях механического нагружения.

Библиографический список

1. Паскаль, Ю.И. Необратимые явления при мартен-ситном превращении никелида титана / Ю.И. Паскаль, Л.А. Монасевич // Изв. вузов. Физика. - Томск, 1980.

2. Tong, H.C. Characteristic temperature and order properties of thermoelastic martensites / H.C. Tong, C.M. Wayman // Acta met. - 1974. - Vol. 22, №7.

3. Паскаль, Ю.И. Нелокальное неравновесно-термо-

динамическое описание мартенситного превращения / Ю.И. Паскаль // Изв. вузов. Физика. - 1981. - №11.

4. Потекаев, А.И. Акустическая диссипация энергии при термоупругих мартенситных превращениях / А.И. Потекаев, В.А. Плотников. - Томск, 2004.

5. Гюнтер, В.Э. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы / Гюнтер В.Э. и др. - Томск, 1998.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.