CC BY
108
УДК 669.295.539.89
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ Ti-Ni
С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
М.А.Хусаинов, А.Б.Бондарев*, Н.В.Петров, В.А.Андреев*, О.В.Летенков
Политехнический институт НовГУ, Mikhail.Khusainov@novsu.ru * Промышленный центр «МАТЭКС», Москва, andreev.icmateks@gmail.com
Разработана методика и создана экспериментальная установка для исследования физико-механических свойств сплавов с эффектом памяти формы при термоциклировании под постоянным напряжением при действии контртела заданной жесткости. Показана возможность реализации различных режимов нагружения с непрерывной записью кривых гистерезиса мартенситного превращения, позволяющих анализировать весь комплекс функциональных свойств сплавов с памятью формы.
Ключевые слова: память формы, термоциклирование, гистерезис мартенситного превращения, функциональные свойства, жесткость, контртело
A method of shape memory alloys physical and mechanical properties researching is created. A test ring was built and the experiment on thermo-cycling under loading and affect of a counterbody of pre-set hardness was carried out. The opportunity of deferent loading regimes realization with continuous recording of martensitic transformation hysteresis curves is presented. It allows to analyze the whole combination of the shape memory alloys functional properties.
Keywords: shape memory, thermo-cycling, martensitic transformation hysteresis, functional properties, hardness, counterbody
Эксплуатация термочувствительных элементов из сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) в большинстве случаев связана с цикличностью изменения температуры в интервале полного или неполного мартенситного превращения (МП). Практически всегда деформация, сообщенная металлу в мартенсите, восстанавливается при отогреве до аусте-нитного состояния [1]. В результате наблюдается обратимое формоизменение, обусловленное накоплением деформации в направлении силы в соответствии с кинетикой прямого мартенситного превращения и возвратом деформации за счет проявления ЭПФ. Действие механического напряжения приводит к смещению характеристических температур МП, накоплению деформации на этапе фазового перехода (В2^В19’) и к изменению величины восстанавливаемой деформации при обратном переходе (В19’^В2) вследствие недовозврата заданной деформации [2]. Интенсивный наклеп при больших приложенных напряжениях (ст и стт) делает сплав малопластичным и не позволяет реализовать в нем эффекты пластичности превращения и памяти фор-
мы. Отдельные виды обработки, наоборот, благоприятствуют проявлению указанных эффектов. В частности, отжиг при 420°С, 1,5 ч, способствует увеличению пластичности сплава Ть№ [3]. Однако до сих пор не установлены закономерности изменения функциональных свойств сплавов Ть№ в полном и неполном интервалах МП. Не определены пути стабилизации структуры сплавов Ть№, обеспечивающие неизменяемость свойств памяти формы при теплосменах под нагрузкой. Отсутствует алгоритм прогнозирования термоциклической усталости данных сплавов. Даже фундаментально выполненный цикл экспериментальных исследований [4, 5] завершается лишь рекомендацией использования отношения стi стТ ^ тш, где ст,- — приложенное напряжение, а СТТ — предел текучести аустенитной
фазы. По данным авторов, стремление указанного отношения к минимуму обеспечивает высокое сопротивление усталости.
Для решения этих задач создана автоматизированная установка и разработана методика исследования механического поведения сплавов Ть№ с ЭПФ
№
по наиболее типичным режимам теплового и механического нагружения.
Установка (рис.1,2) состоит из двух основных блоков.
Блок I для нагрева и охлаждения образца 2 состоит из силового трансформатора ЛАТР-1М, трубчатой печи 1 и вентилятора 11.
Блок II предназначен для управления и регистрации параметров испытаний. В состав блока II входят: двухканальный измеритель-регулятор 10, типа ТРМ-202, хромель-копелевая термопара 3, датчик перемещений 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, персональный компьютер 8, источник стабилизированного питания 6 и счетчик циклов 5.
220В
Рис.1. Блок-схема автоматизированной установки для исследования функциональных свойств сплавов с эффектом памяти формы
Рис.2. Общий вид установки
Нагрев образца 2 производится в трубчатой печи, изготовленной из кварцевого стекла. Нагревательный элемент из нихромовой проволоки, намотанный на наружную поверхность внутренней трубки, удерживается наружной трубкой. Температура образца определяется с помощью хромель-копелевой термопары, установленной в средней части печи.
Предварительные испытания проволочных образцов диаметром 0,4 мм показали, что температура по длине образца распределяется неравномерно (рис.3). Температура, заданная по термопаре, установленной в средней части печи, снижается в направлении к торцам печи. Чем выше температура нагрева Тн образца, тем больше различие, вследствие потери тепла через отверстия в печи. При испытаниях с малыми скоростями нагрева (V = 20°С/мин) распределение температуры по длине образца более равномерное. При температуре в средней части образца Тн = 110-120°С ДТ и 5°С. При меньших значениях Тн ДТ не более 2-3 °С. Исходя из полученных данных, длина образца, равная 70 мм, была принята за расчетную (/р), при определении деформаций (е = Д1 / 1р).
Рис.3. Распределение температур по длине образца при общей длине печи 130 мм
Созданная установка использовалась для тестирования сплавов Ть№ с эффектом памяти формы в изотермических и термоциклических условиях по двум режимам.
1. Механическая нагрузка постоянная, а температура образца поддерживается на одном уровне либо циклически изменяется через интервал мартенситных превращений. Такой режим испытаний служит хорошей оценкой структурного состояния сплавов по скорости нарастания деформации ползучести, эффекту памяти формы, накоплению необратимой деформации, изменению характеристических температур МП и другим параметрам.
т
2. Механическая нагрузка и деформация задаются упругим контртелом. В полуцикле охлаждения термочувствительный элемент из сплава с памятью формы деформируется упругим телом в соответствии с кинетикой пластичности превращения, а при нагреве происходит восстановление деформации вследствие проявления ЭПФ. Многократное повторение циклов нагрев ^охлаждение моделирует работу привода двунаправленного действия.
Реализация первого режима испытаний осуществляется в следующем порядке (см. рис.1). Включается в сеть источник стабилизированного питания 6, датчик перемещения 7, терморегулятор 11, адаптер интерфейса 10 и персональный компьютер 9, предназначенный для регистрации температуры и изменения длины нагруженного образца. Контакты терморегулятора в исходном положении: К2.1 разомкнут, К1.1 замкнут, а К1.2 и К1.3 разомкнуты. Затем включается в сеть силовой трансформатор ЛАТР-1М. Нагрев образца до заданной температуры (Тн) происходит при замкнутом контакте реле К 1.1. При достижении Тн замыкается силовой контакт терморегулятора К2.1 и срабатывает реле К1. В результате этого размыкается контакт К1.1 (прекращается нагрев образца). Одновременно замыкаются контакты К1.3 и К1.2, фиксируется очередной цикл, и включается вентилятор 12. Начинается принудительное охлаждение образца до температуры Тохл. При достижении температуры Тохл контакт К2.1 размыкается, отключается реле К1, и замыкается контакт К1.1 (начинается нагрев образца). Одновременно размыкаются контакты К 1.3 и К 1.2 (отключается вентилятор). И так циклы нагрев ^ охлаждение повторяются многократно с регистрацией числа циклов срабатывания на счетчике СЦ.
Изменения температуры и длины образца в заданном интервале температур передаются от терморегулятора 10 через адаптер интерфейса на компьютер 8. Регистрация и архивирование измеряемых параметров гистерезиса (Д/ и Т) осуществляется в программе «Гистерезис», разработанной нами специально для терморегулятора ТРМ-202. Обработка данных с построением кривых нагрев ^ охлаждение при термоциклировании под нагрузкой 4 и выполняется в программе MS Exel и Origin.
Исследования проводились на проволочных образцах d = 0,4 мм сплава Т1-50,0ат.%№ на данной установке. Температуры МП определялись на установке в режиме косвенного нагрева. У сплава исходного состояния температуры фазового перехода были следующие: Mf = 52°С; Ms = 63°С; As = 84°С; Af = 96°С. После отжига 500°С, 30 мин, Ms = 62°С; Mf = 40°С; As = 70°С; Af = 86°С. Ширина петли гистерезиса ДТ = (As - Mf) + (Af - Ms)/2 составила 27°С. Такой режим отжига часто используется для задания памяти формы. Механические свойства определялись на разрывной машине FPZ-1.0 (Германия). Диаграммы растяжения проволочных образцов приведены на рис.4.
а)
б)
Рис.4. Диаграммы растяжения сплава ^-50,0 ат.%№ а) после холодного волочения; б) после отжига 500°С, 30 мин
Видно, что образцы исследуемого сплава, взятые из смотанной в бухту проволоки после холодного волочения, отличаются низким значением предела текучести (стт) и отсутствием предела фазовой текучести (Стф). Отсутствие Стф, надо полагать, связано с высокой степенью деформационного упрочнения проволоки на этапе волочения. Отжиг, как показано на рис.4б, приводит к формированию характерной диаграммы растяжения сплавов, обладающих ЭПФ, в которых отчетливо проявляется фазовая пластичность при достаточно низких напряжениях (130 МПа) и как следствие — возрастание платообразного участка.
Для обратимых МП характерна зависимость деформации или силы от температуры в виде термомеханического гистерезиса. Анализ гистерезисной кривой дает полное представление о функциональных свойствах материала в зависимости от состава сплава и вида обработки. На созданной установке в автоматическом режиме осуществляется непрерывная запись кривых гистерезиса при теплосменах как в полном, так и неполном интервалах МП. Электрическая часть установки позволяет моделировать разнообразные схемы изотермического, термоциклического и механического воздействия.
Ниже представлены реализованные в опыте гистерезисы температур прямой (Б2^Б19’) и обратной (Б19’^Б2) мартенситной реакции после отжига
М?(11ц) А“(11ц)
—1-------------------------------------------------------------------------------------------------------'-1-'-1-'-1-'-1-^
40 60 80 100 120 Т С
Рис.5. Термомеханические гистерезисы сплава И-№ равноатомного состава при термоциклировании через интервал полного мартенситного превращения после предварительного отжига 500°С, 30 мин, при Р = 1,5 кг (120 МПа). ер — деформация, вызванная приложенной нагрузкой; Епп — деформация, вызванная эффектом пластичности превращения; енв — деформация недовозврата заданной формы; 8эпФ — деформация эффекта памяти формы; М3, М, А3, А1 — температуры мартенситных превращений
Число ЦИКЛОБ
Ь]
Рис.6. Кинетика накопления деформации в стадии охлаждения (еохл) и недовозврата (енв) на этапе нагрева (а). Изменение температур мартенситных превращений при теплосме-нах под растягивающей нагрузкой 1,5 кг (Ь)
500°С, 30 мин, в заневоленном состоянии (рис.5). По этим кривым легко определить деформационные эффекты сплава и их изменение при повторении циклов «охлаждение ^ нагрев» в интервале температур Му о Лу температур окончания прямого (Му) и обратного МП (Ау). Зависимости изменения деформаций, вызванных эффектом пластичности превращения (епп), недовозвратом (енв), а также эффекта памяти формы (еЭПФ = епп - енв), приведены на рис.6. Видно, что начальный этап циклирования характеризуется интенсивным накоплением деформации пластичности превращения и недовозврата. Такое поведение объясняется неравновесностью структуры сплава, обусловленной высоким уровнем внутренних напряжений. С нарастанием числа циклов происходит релаксация упругих напряжений. В этих условиях проявляется эффект ориентированного роста тех заро-
Р,кг 0 60 -
А У—
IIу Я*1
0,50-
М, • м «г
0,48-
2 0 3 0 4 0 5 • 0 6 0 7 0 8 0 90 1( )0 т,°с
Рис.7. Петли гистерезиса при термоциклировании через интервал полного (М, о А) и неполного (А" о М") мартенситного превращения в условиях противодействия упругого контртела (пружины) с жесткостью к = 0,04 кг/мм
дышей мартенсита, которые возникли на этапе охлаждения под нагрузкой. В результате гистерезисная петля сужается с 48°С до 32°С и замыкается, многократно повторяясь в соответствии с характером и последовательностью мартенситных реакций.
При исследовании механического поведения сплава по второму режиму вместо нагрузочной площадки устанавливается винтовое устройство с контртелом в виде пружины растяжения заданной жесткости. Диаграмма термомеханического гистерезиса в условиях противодействия контртела представлена на рис.7, где показано действие взаимосвязанных элементов, активного элемента из сплава с памятью формы в виде проволоки и противодействующего упругого тела в виде пружины, реализующих рабочий ход при нагреве и обратный (холостой) ход при охлаждении в полном (МуОЛу) или неполном (МноА/) интервале мартенситных превращений. Уровень реактивных напряжений стт зависит от жесткости
контртела к = Р/Х, где X — осевое перемещение пружины при заданной нагрузке Р. Изменяя жесткость контртела, можно увеличивать или уменьшать величину реактивных напряжений и интервал теплосмен. Такая возможность представляется чрезвычайно важной с практической точки зрения — например, при создании термосиловых устройств и механизмов многократного действия в заданном интервале деформаций или усилий.
Выводы
1. Создана установка и разработана методика исследования функциональных свойств сплавов с памятью формы в изотермических и термоциклических условиях, как при постоянно действующей нагрузке, так и во взаимосвязи с упругим контртелом.
2. Выполнены тестовые испытания проволочных образцов с непрерывной регистрацией деформационно-силовых параметров в циклах нагружения и разгрузки. Показана возможность изучения ползучести и долговечности сплавов с памятью формы.
3. Установлена хорошая воспроизводимость результатов исследования и высокая надежность полученных данных.
1. Лихачев В.А., Каменцева З.П., Кузьмин С.Л. Эффект памяти формы. Л.: ЛГУ, 1987. С.107-127.
2. Беляев С.П., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Ковалев С.М. Деформация и разрушение никелида титана под действием теплосмен и напряжений // ФММ. Т.63. Вып.5. 1987. С.1017-1023.
3. Хусаинов М.А., Зайцев В., Андреев А.В. Исследование условий волочения и термообработки проволоки из никелида титана // Материалы с эффектом памяти формы и их применение: Мат. Всесоюзного семинара. Новгород, 1989. С.117-122.
4. Eggeler G.F., Hornbogen E., Yamny A., Heckman A., Wagner M. Structeral and functional fatique of NiTi shape ma-mory alloys. // Journal of Materials Science and Engineering. 2004. A378. P.24-33.
5. Hornbogen E. Review thermo-mechanical fatique of shape memory alloys // Journal of Materials Science and Engineering. 2004. V.39. P.385-399.
w
