CC BY
62
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 539.374
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКИМ МЕХАНОЦИКЛИРОВАНИЕМ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
И.Н. АНДРОНОВ, Н.П. БОГДАНОВ, Н.А. СЕВЕРОВА
Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта iandronov@ugtu.net
Экспериментально показано, что при изотермическом механоциклировании сплошных цилиндрических образцов из никелида титана в условиях сложного напряженного состояния наблюдается обратимое формоизменение - свойство мартенситной неупругости, проявляющееся при термоциклировании через интервалы мартенситных превращений. По результатам эксперимента оценивается влияние соотношения между статической и циклической составляющих напряжения на изменение сдвиговой деформации в сложном напряженном состоянии при механоциклировании осевой нагрузкой.
Ключевые слова: никелид титана, механоциклирование, цилиндрические образцы, сложное напряженное состояние, ортогональное нагружение
I.N. ANDRONOV, N.P. BOGDANOV, N.A. SEVEROVA. THE DEFORMATION EFFECTS CAUSED BY THE ISOTHERMAL MECHANICAL CYCLING UNDER COMPLEX INTENSE CONDITION
It is experimentally shown that at isothermal mechanical cycling of continuous cylindrical samples from alloy NiTi under complex intense condition we can see a reversible form change - a property of martensite anelasticity shown at thermocycling through intervals of martensite transformations. According to the results of the experiment we estimated the influence of ratio between static and cyclic components of pressure on change of shift deformation in the complex intense condition at mechanical cycling axial loading.
Key words: nickelide of titanium, mechanical cycling, cylindrical samples, complex intense condition, orthogonal loading
Элементы исполнительных силовых механизмов разнообразного функционального назначения (в технике и медицине), выполненные из материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), часто находятся под одновременным воздействием осевых и касательных напряжений, поэтому, подбирая оптимально подходящий для этих элементов металл или сплав, необходимо опираться на знания о механических характеристиках и деформационном поведении материалов при различных температурно-силовых воздействиях. В настоящее время в литературе сведения о механическом поведении сплавов на основе никелида титана и других материалов с памятью формы в условиях сложного напряженного состояния представлены незначительным количеством публикаций и это позволяет говорить об актуальности исследований в данном направлении.
Для материалов с ЭПФ достаточно подробно изучены такие явления мартенситной неупругости, как эффекты многократно обратимой памяти формы, пластичности превращения, реверсивной памяти формы, деформации ориентированного пре-
вращения и другие [1]. Перечисленные выше явления, как правило, инициированы мартенситными реакциями, связанными с термоциклированием материала. Работы по механоциклированию материала с ЭПФ в сложном напряженном состоянии в большинстве случаев посвящены определению длительной прочности, реже изучению структуры материала при подобного рода воздействиях [2]. Зафиксировано [3], что при изотермическом меха-ноциклировании в двухфазном состоянии материал более пластичен и хуже приспосабливается к изменению амплитуды интенсивности напряжений. В работах [4,5] показано, что активное деформирование материала с ЭПФ в изотермических условиях может сопровождаться явлениями мартенситной неупругости, подобными тем, что обусловлены изменением температуры. Значит, можно говорить о явлениях мартенситной неупругости, инициированных изотермическим механоциклированием.
В данной статье представлена методика эксперимента и, частично, результаты систематической исследовательской работы, посвященной изучению
деформационного поведения материала с эффектом памяти формы, находящегося в сложном напряженном состоянии в условиях активного деформирования при постоянной температуре. В последующих публикациях авторы надеются продолжить исследования и провести анализ полученных результатов.
Материал и методы
В научной лаборатории при Ухтинском государственном техническом университете сконструирована установка [6], позволяющая в условиях переменной или постоянной температуры сообщать образцу по отдельности или одновременно растягивающие или сжимающие усилия до 5000 Н и крутящий момент до 5 Нм.
В процессе выполнения эксперимента определяли угол закручивания образца и осевое перемещение торца вала, соосно с которым закреплен образец. Это позволяет подсчитать сдвиговую и продольную деформацию образца. Нагрев производился электропечью. Температуру в процессе эксперимента регистрировали при помощи милливольтметра М 253, подключенного к хромель-капелевой (хромель-алю-мелевой) термопаре, спай которой подсоединен к рабочей части образца. Для контроля однородности нагрева образца использовали две термопары, которые установлены в различных точках рабочей части.
При определении осевой деформации учитывали также "инструментальную" погрешность, связанную с тепловым эффектом установки, которую предварительно находили по следующей методике. В установку закрепляли эталонный образец, выполненный из Ст. 3 с хорошо известным коэффициентом теплового линейного расширения а = 1,06-10-5 Ю1 и определяли дилатограмму от совместного теплового эффекта эталонного образца и установки. Из полученной суммарной дилатограм-мы вычитали дилатограмму эталонного образца, выделяя тепловой эффект собственно установки. В дальнейшем тепловой эффект установки учитывали путем добавления его к обратимым составляющим деформации при растяжении и вычитании при сжатии. Ошибка в измерении осевой деформации составляла ±0,005 %, а температуры ±1 К.
Установка дает возможность получения и фиксирования в изотермических условиях значительных неупругих осевых деформаций при кручении и сдвиговых - при осевом деформировании. Результаты систематического исследования представлены в работе [7].
Образцы были изготовлены из одной партии прутков сплава ТН-1 и имели форму сплошных цилиндрических стержней диаметром 4 мм. Длина рабочей части одной серии составляла 30 мм, второй серии - 18 мм, полная длина 66 и 50 мм соответственно. Последние использовались при меха-ноциклировании в условиях действия постоянного или переменного сжимающего усилия. Значения характеристических температур фазовых переходов составили Мн = 326 К, Мк = 298 К, Ан =390 К, Ак = 488 К. Образцы подвергались предварительной термообработке, при которой производился отжиг -550° С в течение 30 мин. с последующим охлаждением на воздухе.
В первом виде испытаний (режимы МИ) образцы закручивали постоянным крутящим моментом, сообщая им статические касательные напряжения То, а затем механоциклировали осевым напряжением. Во втором (режимы 1У-У11) - образец растягивали или сжимали, создавая статическое нормальное напряжение а, после чего механоцик-лировали кручением.
Образцы подвергались изотермическому ме-ханоциклированию по нормальным или касательным напряжениям в условиях пульсационного (рис.1, режимы: I и II - статическое кручение; IV -статическое осевое деформирование растяжением, V - то же сжатием) или симметричного (рис.1, режимы: III - статическое кручение; VI - статическое осевое деформирование растяжением, VII - то же сжатием) циклов в присутствии постоянно действующей ортогональной составляющей деформации. Период пульсационного или полупериод симметричного механоциклов - 120 с.
Рис.1. Режимы нагружения.
Интенсивность напряжений, обусловленная статической составляющей напряженного состояния аi = д/3 То (где То - касательное напряжение, возникающее за счет действия статической нагрузки), и максимальная интенсивность, обусловленная циклической составляющей напряженного состояния а™х = аа (где аа - амплитуда циклических напряжений), принимали значения 50 МПа, 100 МПа, 150 МПа, 200 МПа по обеим составляющим.
От образца к образцу интенсивность постоянной составляющей напряжения (а^ была одной из перечисленных: 50 МПа, 100 МПа, 150 МПа, 200 МПа. Амплитуда циклических напряжений а^ах = аа у конкретного образца увеличивалась через каждые 10-15 механоциклов и последовательно принимала все указанные выше значения. При этом у каждого из исследуемых образцов соотношение ai / а^ах по отношению к начальному соотношению изменялось одинаковым образом, т.е. последовательно уменьшалось в 2, 3, 4 раза. Данное исследование было выполнено при трех температурах,
соответствующих мартенситному (ТМ = 290 К), двухфазному (То = 350 К) и аустенитному (ТА= 510 К) состояниям образца.
При каждой температуре пройдено по 16 соотношений К = стi / отах (таблица). Фиксировали сдвиговые и осевые деформации, обусловленные статической составляющей напряжения или циклически меняющейся составляющей напряжения. После циклирования в сложном напряженном состоянии убирали статическую нагрузку и выполняли один-два механоцикла без нее. Затем каждый образец термоциклировали в свободном состоянии.
Соотношения между статическими нагрузками и амплитудами циклических нагрузок
К = CTi / ст max CTimax : , МПа
i 50 100 150 200
50 1 0,5 0,33 0,25
CTi , МПа 100 2 1 0,67 0,5
150 3 1,5 1 0,75
200 4 2 1,33 1
Результаты и обсуждение
Наиболее типичные результаты экспериментов представлены на рис.2-5. Показано, что деформирование по одной составляющей деформации всегда вызывает изменение ортогональной составляющей деформации, но для различных режимов и температур деформирования данные зависимости неоднозначны. Для некоторых режимов характерные кривые, иллюстрирующие изменение ортогональной составляющей деформации от числа механоциклов, приведены на рис.6-8. В первых механоциклах для всех режимов деформирования, как правило, наблюдали одностороннее накопление деформации по ортогональной составляющей деформации, обусловленной статическим нагружением. В режимах I и II в мартенситном состоянии (рис.ба) при осевом механоциклировании наблюдается необратимое накопление деформации в направлении крутящего момента (механоциклическая ползучесть), которое практически прекращается к седьмому-восьмому циклам. Максимальные сдвиговые деформации зафиксированы в условиях механоциклирования растяжением при амплитудах о™ах = 200 МПа. На рис.бб представлена зависимость величины сдвиговой деформации, установившейся к 10 циклу, от соотношения ^ / о^ (на рисунке это связано с хо - величиной статического напряжения и о - ам-
плитудой пульсирующего осевого напряжения). Наблюдается резкое увеличение сдвиговой деформации при увеличении амплитуды нормального напряжения до оГх = 200 МПа при постоянном то = 100/л/э МПа (т.е. оi = 100 МПа). Значительно меньший всплеск деформации отличается при нормальном напряжении противоположного знака. Оба рисунка демонстрируют, что растяжение и сжатие по-разному влияют на ортогональную составляющую деформации в условиях механоциклирования в режиме пульсационного цикла в сложном напряженном состоянии.
В III режиме нагружения материал демонстрирует необычное поведение (рис.5), где после третьего цикла накопление деформации «в сторону силы» прекращается и переходит в явление меха-ноциклического возврата, т.е. к уменьшению общей деформации по ортогональной составляющей деформации от цикла к циклу (кривая 6 на рис.7). Очевидно, такое явление можно отнести к отрицательной механоциклической ползучести.
В режимах иии^уп после достижения некоторого числа циклов ^ = 6-10) наблюдали обратимое изменение деформации (кривые 10, рис. 2; 3а; 4; 5), величина которой в отдельных опытах достигала 0,35% за один такт нагружения (кривая 10 на рис. 2б). При минимальных уровнях статических напряжений, как правило, зафиксировали накопление деформации в сторону фиксированного напряжения на этапе активного деформирования и ее возврат при разгрузке материала (кривые 10 на рис.2а, на рис.За). При переходе к более высоким уровням статических напряжений картина меняется. В этом случае активному деформированию материала по одной из компонент тензора напряжения отвечает возврат деформации по другой и, наоборот, разгрузке материала соответствует накопление деформации в сторону заданного фиксированного напряжения (кривая 10 на рис.2б, 5). Следует отметить, что чаще всего обратимые деформации наблюдали в режиме III (кривая 15 на рис.5). В процессе осевого механоциклирования в условиях симмет-
0 100 200 о 50 100 150 200
Рис.2. Зависимость сдвиговой деформации от нормального напряжения с в I режиме нагружения при то =50/л/3 (a), 200/ л/3 МПа (б) и Т = 290 К. Цифры на графиках отвечают номерам механоциклов.
а)
ст, МПа
Рис.3. Зависимость сдвиговой деформации от нормального напряжения о во II режиме нагружения при то =50/л/э ^), 200/ -/3 МПа (б) и Т = 290 К.
т,МПа
т,МПа
Рис.4. Зависимости осевой деформации от касательного напряжения при механоциклировании в VI режиме нагружения, при растягивающих напряжениях оi = 50 МПа (а) и 200 (б) МПа и температуре Т = 290 К.
ричного цикла проявляются типичные свойства мар-тенситной неупругости, такие как: эффект памяти формы при активном сжатии (участки кривых 1 - 1’; 2 - 2’; 3 - 3’, 15 - 15’); пластичность прямого превращения при последующей разгрузке (участки кривых 1’ -2; 2’ - 3; 3’ - 3’’, 15’ - 15’’). Эти явления можно рассматривать как эффекты мартенситной неупругости, которые в данном случае инициированы изотермическим механоциклированием.
При анализе опытных данных для режима III зафиксировано, что к пятому и десятому механоциклам при увеличении амплитуды нормального напряжения отах, для о = 50, 100, 150, 200 МПа изменение сдвиговой деформации в зависимости от соотношения напряжений о / отах и температур Т имеет три принципиально разные тенденции: а) сдвиговая деформация растет с числом циклов; б) сдвиговая деформация в процессе механоциклирования демонстрирует реверсивное изменение; в) сдвиговая деформация монотонно убывает с числом циклов.
На рис.8. представлена зависимость ортогональной сдвиговой деформации от числа циклов при знакопеременном осевом деформировании в режиме III в условиях ступенчатого изменения амплитуды нормального напряжения для различных соотношений К = о /отах между статическим напряжением и амплитудой циклически меняющегося напряжения.
При наименьшем о = 50МПа (рис.8а) величина механоцикличе-ского возврата достигает максимального значения при температуре, соответствующей двухфазному состоянию (кривая 2а). При о = 100 МПа (рис.8б) наблюдается монотонное, практически синхронное, увеличение, а затем уменьшение сдвиговой деформации при всех температурах, т.е образец при увеличении амплитуды осевого напряжения в итоге «раскручивается». Для о = 150 МПа (рис.8в) в мартенситном состоянии (кривая 1в) с увеличением числа механоциклов сдвиговая деформация, накопленная в сторону действия постоянного касательного напряжения, растет, а при температуре 370 К после некоторого возрастания деформации, имеет место отрицательная механоциклическая ползучесть, приводящая к первоначальному уровню сдвиговой деформации при больших значениях отах = 200 МПа. При температуре, соответствующей ау-стенитному состоянию материала, наблюдается монотонный механо-циклический возврат. Для всех температур при о = 200 МПа (рис.8г) наблюдаются самые незначительные изменения сдвиговой деформации.
а, МПа
Рис.5. Зависимость сдвиговой деформации от о в режиме III при то = 115,5 МПа и Т = 290 К.
200 ТОО о~шошоооь 200 100 ^',0° ™20 ~
а>МПа
Рис.6. Зависимости сдвиговой деформации в режимах I, II при Т = 290 К: а) от числа циклов N и амплитуды механоциклирования а при то =200/ л/3 МПа; б) от величины статического касательного напряжения и амплитуды механоциклирования а.
СГ4
СО*
Рис.7. Зависимости сдвиговых (1-6) и осевых (7-8) деформаций, накапливаемых в процессе механоциклирования, от числа циклов для режимов: I (1,2) при аi = 50 МПа и аа = 200 МПа (1), ai = 200 МПа и аа = 200 МПа (2); II (3-5) при ^ = 50 МПа и аа = 100 МПа (3), аа = 200 МПа (4), ^ = 200 МПа и аа = 200 МПа (5); Ш(6) при ai = 50 МПа и аа = 150 МПа (6); VI (7,8) при ai = 200 МПа и аа = 50 МПа (7), аа = 200 МПа (8) при Т = 290К.
Таким образом, зафиксировано, что в мар-тенситном состоянии нельзя однозначно определиться с изменением сдвиговой деформации (ее возрастанием или уменьшением) в процессе механоциклирования по осевой составляющей напряжения, т.е нет определенной зависимости ее от параметра К = ^ / а^3*. В двухфазном состоянии ортогональная составляющая деформации увеличивается только при К > 1, т.е. образец «закручивается» в сторону действия статического вращающего момента, в случае К < 1 образец начинает «раскручиваться». В аустенитном состоянии нельзя однозначно связать изменение сдвиговой деформации с параметром К, однако, можно отметить, что она практически не изменяется при минимальном и максимальном значениях а а именно, при 50 и 200 МПа.
Анализируя весь массив данных по изотермическому механоциклированию сплошных цилин-
дрических образцов из никелида титана в режиме III в мартенситном состоянии, в 56% случаев различных соотношений К = ai / а™* отмечается только накопление сдвиговой деформации, т.е. ее увеличение в сторону действия постоянного крутящего момента. Механоциклический возврат преимущественно наблюдается после 5-7 циклов, причем, при условии совпадения величины интенсивности статической и динамической составляющих нагрузки при К = 1. Отмечается, что в двухфазном состоянии при К > 1 прослеживается только накопление деформации, а при К < 1 только возврат деформации (на первом этапе с 5-7 циклов, на втором и последующих с первого механоцикла). В аусте-нитном состоянии обнаружено либо накопление деформации (50% случаев), либо возврат с первого механоцикла. При амплитуде циклических напряжений аа = 50 МПа при всех температурах в 83 % всех опытов отмечается накопление сдвиговой составляющей деформации.
Выводы. При интерпретации описанных результатов можно использовать следующие представления. В целом, явления мартенситной неупру-гости при механоциклиро-вании сводимы к нескольким эффектам. Во-первых, к механоциклической ползучести, которая, как правило, приводит к необратимому накоплению деформации в сторону фиксированного напряжения. Это может быть связано с текстурированием материала в процессе механоциклирования, а также с эволюцией ориентированных и неориентированных внутренних микронапряжений. По мере повторения циклов происходит механический наклеп, что существенно уменьшает интенсивность накопления деформации, и приводит к ее насыщению. Во-вторых, наряду с необратимым деформированием механо-циклирование, в соответствии с соотношением Клаузиуса - Клапейрона, может сопровождаться прямыми и обратными мартенситными реакциями и приводить к обратимому формоизменению материала. Сказанное относится главным образом к режимам IV и V , а также и к некоторым схемам на-
Число циклов
в
Число циклов
Рис.8. Зависимость сдвиговой деформации от числа циклов при знакопеременном осевом деформировании (режим III) в условиях ступенчатого изменения амплитуды нормального напряжения аа = 50 (область I), 100 (II), 150 (III), 200 МПа (IV) при Т = 290 К (1), 370 К (2), 510 К (3), для значений а, = 50 (а), 100 (б), 150 (в), 200 МПа (г).
гружения режима II. Наибольший интерес представляет случай, когда наряду с обратимым формоизменением в процессе механоциклирования наблюдается также механоциклический возврат ортогональной составляющей деформации или же отрицательная механоциклическая ползучесть. Это явление, по-видимому, связано с тем, что на начальной стадии механоциклирования накопление необратимой деформации реализуется больше за счет каналов мар-тенситной неупругости, по истечении некоторого числа циклов необратимые составляющие деформации практически полностью подавляются за счет механического наклепа, вследствие чего начинает проявляться восстановление деформации от цикла к циклу, т.е. явление механоциклического возврата.
Анализируя результаты исследований, можно сделать следующие выводы:
■ Механоциклирование по одной составляющей деформации всегда вызывает изменение ортогональных составляющих деформаций. В первых циклах, во всех режимах нагружения, отмечается монотонное накопление последних в сторону нагрузки.
■ При достижении определенного числа циклов начинает проявляться обратимое формоизменение или полная независимость деформации от числа циклов.
■ Наиболее сильный эффект обратимого формоизменения обнаруживается, если циклирование осуществлять в симметричном цикле «растяжение - разгрузка - сжатие - разгрузка» (режим III).
■ Для режима III характерно явление механоциклического возврата, которое достигает наибольшей величины при малых значениях то = 50 МПа при температуре, соответствующей двухфазному состоянию.
■ Зафиксировано различное влияние на сдвиговую деформацию полуциклов сжатия и растяжения. В двухфазном состоянии при увеличении числа циклов преобладающее влияние на сдвиговую деформацию оказывает полуцикл сжатия и именно в этом состоянии при а! / а™3* = 1 наблюдается четкая смена знака у приращения сдвиговой деформации, в аустенитном состоянии - преобладающее влияние оказывает полуцикл растяжения, в мартенсит-ном состоянии отличий влияния полуциклов растяжения и сжатия не выявлено.
Очевидно, что некоторые из указанных явлений можно объяснить наличием мартенситных реакций, имеющих место при механоциклировании [3].
Литература
1. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения / В.Э.Гюнтер, В.Н. Ходо-ренко и др. Томск: МИЦ, 2006. 296 с.
2. Чекалкин Т.Л. Исследование знакопеременной деформации, внутреннего трения и демпфирующих свойств сплавов на основе нике-лида титана: автореферат диссертации к.ф.-м.н. Томск, 2007. 23 с.
3. Малинин В.Г., Маничева И.Н., Арендате-лев И.Г. и др. Исследование деформационных свойств материалов с эффектом памяти формы при циклических режимах изотермического нагружения // Материалы с эффектом памяти формы: I Российско-Американский семинар и XXXI семинар «Актуальные проблемы прочности». СПб., 1995. С.29-33.
4. Андронов И.Н., Власов В.П., Какулия Ю.Б., Лихачев ВА. Эффекты мартенситой неупру-гости при механоциклировании сплава СиАМп //Функционально-механические свойства сплавов с мартенситным механизмом не-упругости: XXVII Межреспубликанский семинар «Актуальные проблемы прочности». Ухта, 1992. С. 170-177.
5. Андронов И.Н., Власов В.П., Какулия Ю.Б., Лихачев В.А. Эффекты мартенситной неупру-гости при механоциклировании (механический эффект памяти формы) // Прогнозиро-
вание механического поведения материалов: XXV Всесоюзный семинар «Актуальные проблемы прочности». Новгород, 1991. Т.1. С. 7277.
6. Власов В.П., Андронов И.Н., Какулия Ю.Б. А.С. 1809356 СССР. Установка для испытания образцов материалов при сложном напряженном состоянии // Открытия. Изобретения. 1993. №14.
7. Андронов И.Н., Богданов Н.П., Северова НА. Мартенситная неупругость никелида титана при механоциклировании // Научные труды I Международного семинара «Актуальные проблемы прочности» и XXXIII семинара «Актуальные проблемы прочности». Новгород, 1997. Т.2. Ч.1. С.40-47.
Статья поступила в редакцию 17.12.2010.
