Аномальное поведение монокристаллов Cu-Al-Ni, обладающих эффектом памяти формы Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 669. 018.2

АНОМАЛЬНОЕ ПОВЕДЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ Cu-Al-Ni, ОБЛАДАЮЩИХ ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

© К.В. Бетехтин, С.Л. Кузьмин*, С.А. Пульнев**

Россия, С.-Петербург, Государственный технический университет *Институт математики и механики Государственного университета ** Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Betekhtin K.V., Kuzmin S.L., Pulnev S.A. Anomalous behaviour of shape memory single crystals Cu-Al-Ni. Shape memory single crystals Cu-Al-Ni are found to exhibit an anomalous behaviour during thermal cycling under load. During cooling under a constant stress a single-crystalline alloy Cu-Al-Ni first accumulates deformation and then partially restores the shape (relaxes the deformation). This feature is associated with several successive martensitic transformations with the thermo-elastic and burst kinetics proceeding in the alloy.

Известно, что материалы с эффектом памяти формы при охлаждении под напряжением в процессе прямого мартенситного превращения всегда деформируются в направлении приложенной силы. Это свойство называют эффектом пластичности превращения, и оно имеет место независимо от кристаллографии и кинетики мартенситной реакции и от вида напряженного состояния [1].

В данной работе приведены результаты экспериментального исследования пластичности превращения и эффекта памяти формы в монокристаллическом сплаве: Си - 13,4 вес. %, Al - 4,0 вес. %, N1 с характеристическими температурами Мs = 355 К, М[ = 338 К, Аs = 347 К, Аf = 373 К при термоциклировании под постоянной нагрузкой 15 МПа. Использовали цилиндрические образцы с кристаллографическим направлением в р1 аустените <100> вдоль оси цилиндра, диаметром 2 мм, длинной 50 мм. Предварительно образцы выдерживали при температуре 1225 К в течение 15 мин и закаливали в воду. После такой обработки образцы имели Р1' мартенситную структуру. При температуре 400 К, выше температуры А/ образец нагружали постоянной нагрузкой, соответствующей напряжению 15 МПа, а затем подвергали термоциклированию в режиме растяжения под этой нагрузкой. Скорость нагрева и охлаждения составляла 5 К/мин. Структурные исследования выполняли на оптическом микроскопе Epiqvant. Отполированные при комнатной температуре образцы нагревали со скоростью 2 К/мин и фиксировали возникающий рельеф.

В первых девяти циклах в процессе прямого мар-тенситного превращения при охлаждении сплав деформировался, как и следовало ожидать, в направлении растягивающего усилия, а при нагревании восстанавливал форму, причем полностью, несмотря на противодействующее напряжение.

Типичная зависимость деформации от температуры, характерная для первых девяти термоциклов, представлена на рисунках 1а и 1б, где показаны термодеформационные кривые для первого и девятого циклов соответственно. Накопление деформации на стадии

Рис. 1. Зависимость деформации от температуры при термоциклировании под постоянной нагрузкой 15 МПа в первом цикле - (а), девятом - (б), десятом - (в)

охлаждения имело плавный монотонный характер. Аналогично происходил и возврат деформации при нагреве, при этом температурный гистерезис составлял 15...20 К, что характерно для р1 ^ р1' превращения. Происходило также некоторое увеличение деформации пластичности превращения от 6,0 % в первом термоцикле до 6,4 % в девятом. В десятом цикле монокристалл также практически весь температурный интервал превращения накапливал деформацию, а перед самым завершением мартенситной реакции резко изменил направление формоизменения и частично восстановил накопленную деформацию (рис. 1в, кривая 1), то есть проявил эффект памяти формы. Величина восстановленной деформации составила 1,1 %. При последующем охлаждении изменения деформации практически не происходило. Нагревание под напряжением сопровождалось двухстадийным формовосстановлением (рис. 1в, кривая 2), которое, как и в предыдущих циклах, завершалось полным возвратом деформации. Температурный гистерезис для первой стадии превращения составил 20 К, а для второй стадии - 40 К.

Структурные исследования показали, что у монокристаллов выбранного состава после термоциклиро-вания под напряжением, как и у сплавов Си-7и [2, 3], возможно и термоупругое, и взрывное превращения. Было установлено, что при нагревании образца с предварительно отполированной при комнатной температуре поверхностью до 350 К поверхность оставалась неизменной, а при 352 К произошло появление двух морфологических типов мартенситного рельефа: игольчатого в виде тонких прямых линий и зигзагообразного. При дальнейшем нагревании область с зигзагообразным рельефом не претерпевала изменений, а количество игольчатых кристаллов возрастало, при этом их размеры оставались постоянными. При 370 К на границах, разделяющих две морфологические модификации, появился пластинчатый рельеф в виде темных полос. С увеличением температуры полосы постепенно расширялись, что является признаком термоуп-

ругого превращения, а около 380 К взрывом достигали окончательных размеров. Электронномикроскопические исследования показали, что в структуре сплава присутствуют два типа мартенсита: р^ и у^. Согласно [2], игольчатый рельеф можно связать с Pj' мартенситом, а пластинчатый - с у!' мартенситом. Таким образом, можно предположить, что из-за процессов диффузионного расслоения и распада твердого раствора при многократном термоциклировании под нагрузкой образуется у!' мартенситная фаза, имеющая взрывную кинетику превращения.

В зависимости от термодеформационной предыстории образца объемы металла, охваченные термоупругим и взрывным превращением, при последующем охлаждении будут различны. С этим связано различное поведение сплава при охлаждении. Причина столь необычного поведения заключается в том, что у металлов данного класса существует несколько различных каналов обратимого формоизменения и возникает целый спектр движущих сил, способствующих и возврату, и накоплению микродеформации. Эти силы распределены по объему кристалла таким образом, что в одних областях вызывают формоизменение, а в других - тормозят его. Реакция же материала на макроуровне будет определяться суперпозицией всех происходящих в объеме процессов микродеформирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лихачев В. А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1987. 216 с.

2. Pops H., Massalski T.B. Thermoelastic and burs-type martensites in copper-phase alloys // Trans. of the Metallurgical Society of AIME. 1964. V. 230. № 12. Р. 1662-1668.

3. Оцука К., Симидзу К, Судзуки Ю. и др. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с японск. / Под ред. Х. Фунакубо. М.: Металлургия, 1990. 224 с.

4. Оцука К., Сакамото Х., Шимидзу К. Прямое наблюдение мартенситного превращения между мартенситными фазами в сплаве системы Cu-Al-Ni // Эффект памяти формы в сплавах. М.: Металлургия, 1979. С. 274-285.