CC BY
164
9. Михин Н.М. Внешние трение твердых тел. - М.: Наука, 1977.- 224 с.
10. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов. - М.: Машиностроение, 1974. - 320 с.
11. Хохлов В.А., Потекаев А.И., Галсанов С.В. Исследование поверхностей трения материалов с памятью формы на основе никелида титана // Технические науки: Труды I Междунар. на-учно-техн. конф. - Йошкар-Ола, 2012. - С. 83-85.
12. Chalen Y.H., Oxley P.L.B. Different regimes of friction and wear using asperity deformation models // Wear. - 1979. - V. 53. -P. 229-235.
13. Потекаев А.И. Хохлов В.А., Галсанов С.В. Структурно-фазовые состояния и свойства никелида титана при глубоком неоднородном пластическом деформировании // Известия вузов. Черная металлургия. - 2012. - № 3. - С. 61-63.
Поступила 28.09.2012 г.
УДК 669.295:539.62
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НИКЕЛИДА ТИТАНА, ИНИЦИИРОВАННЫХ ВЫСОКИМ ГИДРОСТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ
В.А. Хохлов, А.И. Потекаев*, С.В. Галсанов
Томский государственный университет *Сибирский физико-технический институт им. акад. В.Д. Кузнецова, г. Томск E-mail: potekaev@spti.tsu.ru
Показаны условия возникновения гидростатического ядра давления при внедрении сферического индентора в пластические среды. Выявлено влияние гидростатики на структурно-фазовые состояния и прочностные свойства никелида титана.
Ключевые слова:
Память формы, никелид титана, пластическое течение, гидростатическое ядро. Key words:
Shape memory, titanium nickeiide, plastic current, hydrostatic kernel.
Введение
Никелид титана (Т№) относится к классу материалов с памятью формы (ПФ), в которых в полях напряжений и деформаций инициируются фазовые превращения: исходная прочная пластичная аустенитная фаза А переходит частично или полностью в новую менее прочную пластичную мартен-ситную фазу Мд. Реализуется прямое А-Мд мартен-ситное превращение. При снятии нагрузки происходит обратное мартенситное превращение. Происходит полное или частичное обратное мартенси-тное превращение. Количество «недовозвращен-ного» мартенсита зависит от уровня внешней нагрузки, степени деформации, вида напряженно-деформированного состояния (НДС), состава сплава, внешней среды, условий нагружения и т. п.
В последнее время получены достаточно обширные результаты по структурно-фазовому состоянию (СФС) в условиях линейного и простейших плоских НДС [1, 2]. Показано, что АоМд переходы вызываются сдвиговой компонентой тензора напряжений и сдвиговыми деформациями. Но остается открытым вопрос о влиянии всестороннего равномерного сжатия (гидростатического давления) на СФС и свойства сформированной структуры, что, по-видимому, является следствием сложности технической реализации, контроля и исследования этого состояния.
Вместе с тем несомненна важность таких исследований как с фундаментальной точки зрения, так и в прикладном плане - например, в целях создания наноструктурированного состояния поверхностных слоев с особыми свойствами в задачах контактной механики, трения и поверхностного разрушения тел из материалов с ПФ.
В настоящей работе исследуется структурнофазовое состояние и свойства никелида титана в условиях больших гидростатических давлений, создаваемых в поверхностном контактном слое при внедрении сферического штампа (индентора) в упруго-пластическое полупространство из нике-лида титана. Рассмотрим условия его образования с позиций контактной механики.
НДС при вдавливании сферического штампа
в упруго-пластические среды
При вдавливании шарового индентора в упруго-пластическое полупространство образуется круговая площадка радиусом а, возрастающая с увеличением нагрузки Р. В пределах упругости задача о размерах площадок контакта, распределения давлений и напряжений решена Герцем, Губером и др. [2]. Основные зависимости задачи Герца приведены ниже:
р = %а2 - г2)2, (1)
а
0,166 -1,250
0,005
Рис. 1. Линии равных напряжений в плоскости осевого сечения: а) а1г б) <г2, в) <г3
а = (ЗРЯ /4 Е )3, р0 = аЕ / Я, рт = 3 Р /2 па2,
(2)
(3)
где p, p0, рп - текущее, максимальное и среднее давления на площадке контакта; ^=^1^2/(^1+^2)-приведенный радиус, ^ и R2 - радиусы кривизны индентора и ТТ№, Е=Е1Е2|(Е1+Е2) - приведенный модуль упругости, E1 и E2 - модули упругости индентора и Т1№.
Из этих уравнений следует, что давление р на площадке контакта распределяется по параболическому (1) закону, имеет максимальное значение в центре и нулевое (3) на периферии.
Теория Герца позволяет рассматривать одно из контактирующих тел как упругое полупространство. Приняв в уравнениях (1-3)^=го при a<<R1, приходим к задаче о внедрении жесткого сферического штампа (индентора) в упруго-пластическое полупространство. Для подобной задачи существует обширная экспериментально-теоретическая база, которая может быть использована с некоторыми интерпретациями и для материалов с термоупругими мартенситными превращениями.
Главными напряжениями <г1, с2, ст3 являются радиальные с„ окружные <уд и осевые <у1 соответственно. Распределение их по глубине в плоскости осевого сечения показано на рис. 1 [3]. Цифры обозначают напряжения в долях p0. Здесь ВВ - поверхность полупространства; АОА - исходная состояние поверхности; АА - поверхность вдавливания.
Распределение максимальных касательных напряжений тп вдоль оси ^ в глубину материала показано на рис. 2, а, а на рис. 2, б - изолинии тп в плоскости осевого сечения. Здесь тп вычислялась как полуразность наибольших и наименьших главных напряжений. Из рис. 2, а видно, что наибольшее тп достигает максимума на глубине £=0,48а и равно Тп=0,465да [2].
Под площадкой контакта главные напряжения -сжимающие и близки между собой по величине. Поэтому в этой области возникают большие гидростатические давления. Вне зоны контакта вблизи поверхности напряженное состояние соответствует чистому сдвигу, поскольку здесь <у=0, а <ув=аг.
Рис. 2. Изменение максимальных касательных напряжений: а) зависимости напряжений от г; б) линии равных касательных напряжений
Увеличение сжимающей нагрузки Р приводит к развитию пластической деформации в подповерхностных слоях. Причем пластическое течение начинается с точки %=ат12=(аг-о')12 (по критерию Треска), т. е. в точке с наибольшими значениями т.
1 2 3 4 г/ат
г/хт
Рис. 3. Пластическая деформация под индентором: а) распределение контактного давления р; б) развитие пластической зоны т,„/ца
Распространение пластической зоны показано на рис. 3 [3]. Здесь Рт, тт, ат- нагрузка, приводящая к течению материала, соответствующие ей напряжение и радиус площадки контакта при Р|Рт=1.
Из рис. 3, а видно, что пластическое течение приводит к выполаживанию распределения давлений р. Каждая линия соответствует значениям Р|Рт. Линия Р|Рт=1 - начало пластического течения. Распределение пластических зон для различных Р|Рт показано на рис. 3, б.
Изучение развития пластической деформации позволило выявить ряд особенностей деформирования, установленных в [4, 5] и подтвержденных нами на Т№ экспериментально в [6, 7]. Суть их заключается в следующем:
контуры пластической зоны приблизительно совпадают с линиями максимальных касательных напряжений (рис. 2); экспериментально установлено, что такое сходство возможно, если между индентором и пластически деформируемым полупространством имеется тонкое упругое включение в виде слоя; в центре контактной зоны существует тонкий поверхностный слой упругой деформации, окруженный пластическим материалом, который может сохраняться при снятии нагрузок; смещения под поверхностью имеют радиальную симметрию относительно точки О, апо-верхности равных деформаций имеют примерно полусферическую форму.
Рис. 4. Модель упруго-пластического внедрения индентора
В рамках этих предположений создана модель, в которой поверхность контакта охватывается полусферическим «ядром» радиуса а, внутри которого развиваются гидростатические напряжения интенсивностью Д (рис. 4). Считается, что с наружной поверхности ядра напряжения и перемещения совпадают с такими же параметрами в неограниченном идеальном упруго-пластическом теле, в поле которых действует давление Д. Качественно аналогичная схема должна сохраняться и при снятии нагрузки, после упруго формовосстановления.
Разработанная модель пластического течения с гидростатическим ядром отслеживает всю деформированную область: с гидростатическим сжатием, пластическим деформированием, исходную область супругой предысторией. Границы между областями теоретически четкие, а реально должны быть несколько размытые, что, однако, не помешает анализировать упруго-пластическую деформацию негерцевского контакта.
В нашем случае интерес представляет деформированная область с гидростатическим ядром и для сравнительного анализа - прилегающая к ней зона - область с исходным аустенитом.
Материалы и оборудование
Для исследования свойств по глубине зоны с остаточными деформациями использовался раз-
работанный авторами метод разрезных образцов, который заключался в следующем: образец цилиндрической формы разрезался вдоль оси г на две равные части, затем производилась полировка разрезанных поверхностей образца таким образом, чтобы после соединения обеих половинок в жесткой обойме между ними не было бы зазора.
Структурно-фазовое состояние и прочностные свойства изучались с использованием нанотвердомера «CSEM instruments». Исследовались микрообласти во всем деформированном пространстве: вдоль центральной оси г осесимметричного образца из никелида титана, а также вдоль других осей параллельных г и удаленных от нее на расстояниях Л=1,5;3;6мм. Анализ структуры и твердости проводился в зонах, удаленных от точки начального контакта сферы с плоскостью на г=1,1...13,5 мм.
В качестве индентора использовался закаленный шар диаметром 20 мм (сталь ШХ-15), испытуемый материал - сплав ТН-1К (Ti50Ni47i5Fe2i5). Образцы отжигались при температуре 800 °С. Характеристическая температура начала фазовых превращений Г„=-80 °С, пределы прочности -aSmin=1000 МПа, aSmax=1500 МПа. Нагрузка на ин-дентор Р=50 и 100 кН (давление #,= 1300 МПа). Внедрение индентора проводилось на машине ЦДМУ.
Результаты исследований
Показано, что в результате нагружения в материале образца образуются три зоны: область с белым слоем, с мартенситом деформации Мд и со смешанным А-Мд состоянием. Причем четкая граница между этими областями отсутствует - происходит плавный переход от одной области к другой.
Рассмотрим состояние и свойства первой зоны - белого слоя. Белые слои получались при трении и на классических материалах при тяжелых режимах работы [8], инаникелиде титана [9, 10]. В работе [11] показано, что при скольжении тел по идеально-пластическому полупространству средние нормальные напряжения на контакте равны напряжениям при внедрении без скольжения. Таким образом, образующиеся во время трения белые слои являются следствием начального внедрения и последующего давления при скольжении контртела и в меньшей степени - сдвиговыми напряжениями в тонком поверхностном слое.
Внешние характеристики этого слоя - плохая травимость в обычных реактивах и повышенная твердость. На рис. 5 показано изменение нанотвердости по глубине h от дна дорожек трения. Из рисунка видно, что твердость вблизи границы близка к исходной, затем повышается до значений, существенно превышающих исходную Иа с последующим ее уменьшением. Подобная зависимость показана на рис. 6 для образцов из алюминия при высоких давлениях [11]. В обоих случаях аналогия изменения твердости позволяет считать единой природу таких изменений Ип, в основе которой лежит гидростатическое воздействие.
Рис. 5. Зависимость твердости Нп от расстояния Ь отдна дорожки трения. Сферический индентор, Н=1,5 мм; Ру - нагрузка на индентор твердомера
Рис. 6. Изменение микротвердости образца из алюминия при трении [11]
Обратимся к вопросу структурно-фазового состояния ТІМ в гидростатическом ядре. Точно оце-
нить СФС в нем с использованием рентгеноструктурного анализа, электрономикроскопического и других методов сложно. Можно привести в первом приближении характеристику белого слоя, используя косвенные данные (литературные источники, результаты анализа микроструктуры, твердости, термического воздействия), а также теорию мар-тенситных превращений и эффект памяти формы.
Исследование микроструктуры деформированного материала показано на рис. 7. Здесь приведены фотографии микроструктуры в некоторых зонах подконтактной области, отражающей СФС после разгрузки и упругого восстановления материала. На рисунке видна область белого слоя и примыкающая к ней область со структурой мартенсита. Граница между ними размыта. Особенности этого слоя заключаются в непротравливаемо-сти, повышенной прочности, цвете, в размерах, форме и месторасположении относительно границы, аналогичных тем же параметрам гидростатического ядра. Последовательный нагрев разгруженного образца вплоть до температур гомогенизирующего отжига (500 °С) указывает на некоторые изменения в зонах с Мд- или А-состояниях путем реализации ПФ, но не дает видимых изменений ни в размерах и внешнем виде слоя (рис. 8), ни в прочностных характеристиках: зависимость Ип-Н близка к первоначальной при Т=20 °С.
Анализ результатов
Важной особенностью белого слоя является его высокие пластические свойства и прочность. Они проявляются и при внедрении сферического ин-дентора в условиях гидростатического давления, и при скольжении его с трением с образованием
ФХЖ Яг-Ж —
а
б
Рис. 7. Микроструктура сплава ТН-1К в направлении оси і: а) і = 1,1 мм; б) і = 2,5 мм; в) і = 9,5 мм
~*ж
20 мни
а
20 шеи
% і ' г і
-А' . у.1 ■ -
--- <. у*?'
■ | иК Ж
А 1
:+г-
в
20 ыкм
Рис. 8. Микроструктура сплава ТН-1К в направлении оси 1 после нагрева до 500 °С: а) 1=1,1 мм; б) 1=2,5 мм; в) 1=9,5 мм
фронтальных пластических волн, и в условиях многократных проходов СИ, когда поверхностные слои испытывают циклические сжатие и разгрузку с элементами растягивающих напряжений. Эти факты были установлены авторами на основе изучения микроструктуры слоя и физико-механического его состояния с точки зрения трещинообра-зования и поведения в условиях сложных НДС.
Вообще, любые твердофазные химические реакции сопровождаются повышением пластичности и снижением сопротивления деформированию [1]. Аномалии механических свойств проявляются не только в ходе самих превращений под нагрузкой, но и в связи с прошедшим ранее превращением. Существует несколько каналов воздействия фазовых превращений на пластичность, реализуемых в материалах с ПФ, в том числе и в никелиде титана. Это ориентирование зародышей новой фазы вдоль напряжений, появление микропластических деформаций в направлении силы из-за изменения объема фаз, активации направленного массопере-носа за счет диффузионных процессов, инициированных полями напряжений, за счет перестройки блочной и дислокационной структуры с движением дефектов в сторону приложенных напряжений.
Таким образом, существует целый спектр причин повышения пластических свойств в полях напряжений и деформаций не только в новой М-фа-зе, но и в исходной аустенитной.
На основе проведенного анализа обширных экспериментальных результатов и литературных
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. - 216 с.
2. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. - М.: Изд-во ЛКИ, 2010. - 222 с.
3. Lown B.R., Wilshaw TR. Indentation fracture principles and application // J. Mater Sci. - 1975. - V. 10. - № 1. - P. 179-182.
4. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. - М.: Мир, 1989. - 510 с.
5. Show M.G., De Salvo G.J. A new approach to plastisticity and its application to blunt two dimensional interters // Journal of Engineering for Industry. - 1970. - V. 92. - № 2. - P. 469-479.
6. Потекаев А.И., Хохлов В.А., Галсанов С.В. Структурно-фазовые состояния и свойства никелида титана при глубоком неоднородном пластическом деформировании // Известия вузов. Черная металлургия. - 2012. - № 3. - С. 61-63.
7. Хохлов В.А., Закусов А.С., Исаков И.В. Структурно-фазовое состояние и свойства материалов с памятью формы на основе
источников делается вывод о том, что белый слой в представляет собой квазиравновесную аусте-нит-мартенситную систему, состоящую из интер-металлидов недовозвращенного мартенсита, не-превращенного под влиянием гидростатического давления аустенита, вторичных фаз (Т12№, Т№3).
Влияние гидростатического давления здесь должно сказываться на протекании самих АоМ реакций, отличных от реакций недеформирован-ного материала или в условиях простейших НДС. На наш взгляд, эти процессы затормаживаются или исключаются совсем под действием гидростатики. Важным вкладом последней считаем образование высокодисперсного, наноразмерного состояния кристаллической структуры, обеспечивающего повышенную прочность и высокую пластичность.
Заключение
На основе рассмотрения классической задачи о внедрении жесткого сферического штампа в упруго-пластические среды выявлены условия формирования гидростатического ядра давления, прилегающего к границе контакта сферы с упруго-пластическим полупространством. Применительно к никелиду титана исследованы инициированные высоким гидростатическим сжатием прочностные свойства, структурно-фазовое состояние, представляющее собой квазиравновесную аустенит-мар-тенситную систему с высокодисперсным нанораз-мерным кристаллическим состоянием.
никелида титана в полях остаточных деформаций // Актуальные проблемы современного материаловедения: Труды Все-росс. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - С. 80-84.
8. Любарский И.М., Палатник С.Л. Металлофизика трения. -М.: Металлургия, 1976. - 176 с.
9. Хохлов В.А. Кинетическая нанотвердость и свойства пластически деформированного никелида титана // Современные проблемы машиностроения: Труды II Междунар. научно-техн. конф. - Томск, 2004. - С. 107-110.
10. Тарасов С.Ю. Исследование триботехнических свойств никелида титана // Перспективные материалы. - 1998. - № 5. -С. 24-30.
11. Михин Н.М. Внешние трение твердых тел. - М.: Наука, 1977. - 224 с.
Поступила 28.09.2012 г.
