CC BY
20
УДК 534.8 536.424
В.А. Плотников
Пластическая релаксация микронапряжений и механизмы акустической эмиссии при мартенситных превращениях
Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал об акустической эмиссии при мартенситных превращениях (МП) не может уже представляться в виде простой констатации явления, а нуждается в
-
ское излучение за цикл МП в бинарных
-
-
-
ния). так и при обратном (в ходе нагрева)
-
стью акустической эмиссии, отмеченной в цитируемой работе, является закономерное снижение энергии излучения при прямом МП в ходе многократных циклов.
1. Экспериментальные результаты.
-
ческой кривой, полученной при проведении прямого МП в сплаве Ть49,8а1%№, в виде
-
-
-
стическую кривую, определили критические температуры излучения Т3 = 110 °С, Тт = 85 °С и Тг = 50 °С. В таблице 1 сопоставлены критические температуры превращения и
критические температуры акустической эмиссии и для других сплавов Ть№.
Как следует из приведенных в таблице данных, температурный интервал излучения
-
-
-
ния при прямом превращении совпадает или расположен вблизи М8, а при обратном -вблизи Лг (за исключением сплава 4).
и, ю~6е
Время, с
Рис. 1. Акустическая эмиссия при проведении мартенситных превращений в сплаве Т 1-49.8 а1%М. 1 - фрагмент акустической кривой. 2 -кривая нагрева и охлаждения
Таблица 1
Температурные интервалы акустического излучения и мартенситного превращения в первом
цикле
Сплав Прямое МП ю О ратное МП Прямое МП ю О ратное МП
Т ° Т s, С | Тт, °С Т , ° О Т. °С Т °С А т? Т, °С М °С М ° о л»°с ° О Ч ° О
1 110 85 50 - - - 85 60 100 130 -
2 75 35 15 20 50 70 35 10 45 65 35
3 60 25 0 20 50 100 25 5 35 60 25
4 -20 -40 -60 -40 -20 +23 -55 -90 -50 -25 -25
Примечание: здесь Т8, Тт, Тг - температуры начала, максимума и конца излучения, М8, Мй Л*, Лг - критические температуры МП.
Акустическое излучение нестабильно при зависимости от числа циклов для сплава Ть
многократном воспроизведении превраще- 49,8 а!%№ показано на рисунке 2.
ния [1], изменение параметров которого в
J = Zu2(t1D,
(і)
отжига) и к-го циклов МП, к - номер цикла
-
ненты, физический смысл которого будет показан ниже.
Точность аппроксимации, а значит и
-
-
ра цикла оценены методом регрессионного анализа [2]. Для этого выражение (2) путем
-
де линейной зависимости
Рис. 2. Влияние циклирования мартенситных превращений на энергию акустической эмиссии
2
фазы сплава гП-49,8а1%№ (2)
-
-
-
лучения за время прямого либо обратного МП, то есть энергетической характеристики излучения I
/(ХІ)=А+ВХІ
(3)
где ^Х^ = Шк, Л = Ыо, В = -а, Х1 = к.
-
а
сплавов 1-3 приведены в таблице 2, а на рисунке 3 в системе координат построены линии 1иКк = 1иК0 - ак (здесь N - сумма
-
ная где N1 - интенсивность для ь
го момента времени).
где и(1^) - среднеквадратичное напряжение как функция времени процесса МП,
- временной интервал сканирования. Здесь же приведена кривая прироста уширения рентгеновского рефлекса (ПО) В2 фазы за каждый цикл превращения.
Из этих данных следует, что существует
-
вания на параметры акустической эмиссии,
-
-
-
ненциальной функцией типа
-7к=^ехР(~&)- (2)
Здесь 10 и 1к - значения энергии излуче-
-
ское значение энергии в отсутствие фазового наклепа, фактически, при охлаждении после
к, циклы
Рис. 3. Линейное представление интегральной характеристики N акустической эмиссии для сплавов Т1-М. 1 - сплав Т1-49.8а1%М. 2 - сплав Ть50.3а1%М. 3 - сплав Т1-50.6а1%№
Таблица 2
Значения коэффициентов регрессии 1:‘(Х1)=А+ВХ1 и коэффициента а (исходное состояние
°
Сплав А В Я а
1. Ті-49,8 аі%№ 16,9 ± 0,03 -0,14 ± 0,04 0,976 0,14 ± 0,04
2. Ті-50,3 аі%№ 14,1 ± 0,2 -0,40 ± 0,04 0,988 0,40 ± 0,04
3. Ті-50,6 аі%№ 15,2 ± 0,2 -0,48 ± 0,02 0,974 0,48 ± 0,02
Как следует из данных таблицы и рисунка 3, величина коэффициента а растет с увеличением содержания никеля в сплавах от
-
но смысл коэффициента а состоит в том, что чем выше его значение, тем быстрее кривая
.Тк = В(к) выходит на насыщение. Из такого
-
-
лучения в сплаве 3 выше, чем в сплаве 1 примерно в 3,5 раза.
2. Связь акустической эмиссии с формированием мартенситной структуры
-
-
-
рующих структуру фазового наклепа (кроме сплава 4, в котором в ходе циклирования МП фазовый наклеп не обнаружен) [3], а также протекают процессы, приводящие к
-
ностей, особенно в сплавах с отклонением состава от стехиометрического [4].
-
симость уширения (меры фазового наклепа) рентгеновского рефлекса (110) В2-фазы от
-
-
геновского рефлекса от номера цикла можно также выразить в виде экспоненциальной зависимости
Вк = В0[1-ехр(-ак)]. (4)
Здесь Вк и В0 - уширение рентгеновского рефлекса для к-го цикла и для к насыщения,
а
-
ле экспоненты (4) показали, что его значение 0,17 ± 0,1 в пределах экспериментальной
-
та а в показателе экспоненты (2), равного
0,14 ± 0,04.
Это совпадение не случайно. Уширение
-
нием плотности полных дислокаций за цикл МП, генерирование которых сопровождается
-
-
-
зование мартенситного кристалла, носит название пластической релаксации (реже
-
личать аккомодационные и релаксационные
процессы в смысле работ [5] и [6], в которых
-
-
ционные - к консервативным, обратимым.
Способность сплава снижать внутренние
-
-
-
ческих характеристик, прежде всего предела текучести и напряжения мартенситного сдвига [7]. Здесь речь идет о напряжении пластического, дислокационного течения И более НИЗКОМ В интервале МП напряжении,
-
-
-
рых сплавах близко К нулю), то уровень накапливающихся микронапряжений тоже
-
сти. Если же напряжение мартенситного сдвига близко к пределу текучести (мала
-
-
ятность достижения микронапряжениями предела текучести велика.
Механизм продуцирования акустического излучения связан с процессом зарождения
-
ческой релаксации микронапряжений, т.е. сводится к дислокационному механизму
-
ние мартенситного сдвига И ниже предел
-
ния микронапряжениями, генерируемыми в
-
-
ской эмиссии, продуцируемой при прямом
-
ханическими свойствами сплавов. В таблице 3 для сплавов Т1-№ с разным содержанием никеля приведены значения коэффициента
а, параметров эмиссии за первые полуциклы прямого МП, разности предела текучести сл И напряжения мартенситного сдвига Ст, ве-
-
° -
ния и после 11 ЦИКЛОВ.
Таблица 3
Сопоставление параметров акустического излучения и характеристик фазового наклепа (исходное состояние сплавов - закалка)
См, аґ% а I, 10-12 В2/моль Цикл насыш. sm, МПа 08-01^ МПа Мпа
1 цикл 11 цикл
49,8 0,14 ± 0,04 26600 ± 5000 20 180 90 270 380
50,3 0,36 ± 0,01 5600 ± 800 12 100 250 350 450
50,6 0,63 ± 0,03 3400 ± 770 8 50 500 520 550
51,0 - 840 ± 80 0 30 930 960 960
Из этих данных следует, что чем меньше разность напряжений, тем выше уровень акустической энергии, продуцируемой в ходе прямого превращения. Кроме того, чем больше коэффициент а, тем меньше прирост
-
-
рочнения материала путем фазового наклепа и характеризует сопротивление материала пластической релаксации. Чем больше а, тем
-
мая за один цикл прямого МП, в сравнении с плотностью дислокаций, накопленной в
-
-
локаций достигает насыщения для данного
-
-
-
риала с повышением содержания никеля и
-
ристик фазового наклепа, как уширение рентгеновской линии высокотемпературной
-
лирует со снижением энергии акустического излучения в первом полуцикле прямого МП.
Таким образом, коэффициент а является
-
-
териалов. Знание коэффициента а позволяет по-новому осмыслить технологические
-
ния максимального эффекта памяти формы и сверхэластичности. Зная коэффициент а, можем вычислить по выражению (2) число
-
-
-
клепа [9].
В ходе полного цикла (охлаждение до температуры несколько ниже М*- и нагрев до температуры несколько выше А^ в иссле-
-
тенситные превращения В2®В19' либо
В2®Я®В19' (для обратного МП стрелки меняют направление) [10].
Кинетика термоупругих МП является
-
-
вой фазы в ходе МП свидетельствует, что существует разброс скорости до спонтанного (взрывного) появления макроскопического количества мартенситных кристаллов. И для прямых, и для обратных превращений в
-
ленного роста-сокращения мартенситных
-
ленный рост есть кажущийся эффект. На микроскопическом, точнее мезоскопическом, уровне движение мартенситной границы представляет совокупность спонтанных (микровзрывных) перемещений [11].
После выхода на насыщение фазового
-
-
-
зано с динамической релаксацией в ходе МП. В соответствии с микрокинетикой МП
-
-
ницы) акустический сигнал продуцируется в каждом акте микровзрывной миграции межфазной границы на стадии зарождения и роста. Принимая во внимание тот факт, что максимум излучения расположен вблизи М8
-
разованию примерно 5% новой фазы [12],
-
ческое излучение обусловлено зарождением
-
-
-
гут быть кристаллографические дефекты, частицы второй фазы и т.д.), то ее движение
-
ных перемещений, то есть микровзрывы.
-
цией нехимической энергии, в том числе И акустическим путем.
В сплаве с 51,0 а1%М, как следует из
-
сеивается меньшая часть нехимической
-
-
-
ностью между пределом текучести и
-
стическая релаксация отсутствует (фазовый
-
вует о том, что изначально в этом сплаве
-
ческой релаксацией, существенно связанной с кинетикой (точнее, микрокинетикой) МП. Характерно то, что акустическое рассеяние, обусловленное динамической релаксацией,
-
низм пластической релаксации вырождается до насыщения при циклировании МП.
Заключение
С позиций термодинамического подхода релаксационные процессы, ответственные за
-
-
-
-
вативных (с минимальной диссипацией) [3].
Механизм акустической эмиссии в ходе прямого мартенситного превращения связан
-
торых (по величине рассеиваемой энергии)
-
пряжений.
Своеобразие проявления акустической эмиссии заключается в том, что в различных экспериментальных ситуациях соотношение между перечисленными неконсервативными процессами может быть различным: при превалировании пластической релаксации рассеиваемая акустическим путем энергия
-
сации рассеиваемая доля энергии мала.
-
стической эмиссии, отмеченное в разных
-
-
-
мечено выше, по величине диссипируемой
-
дено обсуждение механизма акустической
-
-
смотрения.
Литература
1. Плотников В.А., Монасевич Л.А., Паскаль Ю.И. Закономерности акустического излучения при мартенситном превращении в сплавах на основе Т1№ // ФТТ. 1985. Т. 27.
2. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., 1968.
3. Ерофеев В.Я., Монасевич Л.А., Павская В.А., Паскаль Ю.И. Фазовый наклеп при мартсн-
//
1982. Т. 53.
-
-
//
-
-
//
1997. №5.
6. Ройтбурд А.Л. Современное состояние тео-
-
ва кристаллического строения и мартенситные превращения. М., 1972.
7. Гюнтер В.Э. Исследование эффекта памяти формы в сплавах на основе TiNi. Автореф. дис... канд. физ.-мат. наук Томск, 1981.
8. Паскаль Ю.И.. Ерофеев В.Я.. Монасевич Л.А., Павская В.А. Мартснситная деформация никелида титана // Изв. вузов. Физика. 1982. №6.
9. Плотников В.А., Паскаль Ю.И., Монасевич Л. А. Способ контроля качества материалов при термоциклировании: A.C. СССР N1270679, G01 №29/04, 1986.
10. Чернов Д.Б., Паскаль Ю.И.. Гюнтер В.Э..
-
вращений сплавов на основе никелида титана и
//
1981. №3.
-
тимые явления при мартенситном превращении
//
№45.
12. Caceres C.H., Arnodo W., Pascual R. and Bertorello H.R. Acoustic emission related to stress induced martensitic transformation in Cu-Zn // Scripta Met. 1980. №14. 3.
