CC BY
14
МАТЕМАТИКА. ФИЗИКА
УДК 66.084:634.29
ТЕРМОУПРУГИЕ МАРТЕНСИТНЫЕ
ПРЕВРАЩЕНИЯ В TINI ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
В.В. Р/баник, В В Ру5аник мл.
Исследования в области обратимых мартенситных фазовых превращений были начаты после сообщения в 1949 г. Курдюмовым Г В. и Хандросом П.Г. об открытии явления термоупругого равновесия при фазовых превращениях маотенситного типа [1]. К настоящему времени наука с функциональных свойствах материалов обладающих памятью формы получила значительное развитие как в области экспериментальных, так и теоретических знаний. Установлены и изучены сотни систем и некоторые чистые мэтериалы, которые способны полностью восстанавливать форму. Создан новый класс материалов с уникальными физико-мехачическими свойствами позволяющими решать всевозможные теунологические задачи на основе совершенно новых физических поинципов Особенно интенсивно научные исследования в области термоупругих мартенситных превращений ведутся последние 15 20 лет и наибольший интерес представляют сплавы на основе никелида титана (Ti Ni), имеющие высокие прочностные и пластические характеристики.
В отличие от других материалов нитичол весьма чувствителен к своей «предыстории», т.е. условиям получения и предварительной обработки [2]. Хотя в настоящее время свойства TiNi после различного рода термических механических и других специальных обработках достаточно исследованы, вопросами влияния на этот материал ультразвуковых колебаний (УЗК). которые обусловливают при огюеделённых условиях не только нагрев материала, но и возникновение в н м значительных знакопеременных механических напряжений, начали заниматься лишь на протяжении последнего десятилетия. Одним из нерешенных, является вопрос о возможности влияния энергии ультразвуковых колебаний на эфсЬекты мартенситной неупругости, параметры формовосстановления материалов претерпевающих термоупругие превращения
Эффект памяти формы в никелиде титана связан с nepeorpoi хои кристаллической структуры при мартенситчом гревращении. Высокотемпературная фаза (аустенит) с кубической ОЦК решеткой упорядоченной по типу CsCI при охлаждении ^ерез интервал температур Мн + Мк переходит в низкотемпературную орторомбическую фазу (мартенсит) с моноклинными искажениями В19'. При повышении температуры в интервале Ан • Ак реализуется обратное превращение и происходит перестройка кристаллическои решетки В19' -» 82. В никелиде титана фазовое превращение может также проходить и пс схеме. В2 -•> R -> B19f [3] через промежуточную ромбоэдрическую R-фазу. Схема мартенситнои реакции зависит от атомного состава сплава условии его получения торМООбраЬотки [2].
После предварительной ультразвуковой обработки определяли важнейшее функциональное свойство сплазов с памятью - обратимую деформацию при обратном мартенситном переходе Величину формовосстановления определяли после предварительной деформации изгибом на проволочных образцах состава Т 50,4aT.%Ni диаметром 0,61 мм с характеристи-ческими температурами фазового перехода = 321 К. Ак = 333 К Мн= 303 К, М„ = 294 К которые подвергали ультразвуковой обработке (УЗО) с амплитудой механических напряжений до 100 МПа и частотой 22 кГц в течение 15 с при температуре 290 К
У О «В/TV» - 40 лет
115
Установлено, что ультразвуковое воздействие амплитудой механических напряжений до 50 МЛа вызывает увеличение максимальной полностью обратимой деформации 14] по сравнению с неподвергнутыми воздействию УЗК образцами с 3 до 5 % (рис 1). Повышение максимальной полностью обратимой деформации после поедваоительчой ультразвуковой обработки обусловлено возрастанием обычного (дислокационного) предела текучести, что ведет к деформированию матеоиала по каналам фазовой пластичности.
Ф % 100^5
а.
б.
Ф. %
100*1»
80
60
"Я
г
о
■ 1
v 4
о 5
6
%
6
%
12
Рисунок 1 - Зависимость степени восстановления формы (Ф) от предварительной деформации (г,) в сплаве "П-50,4а1.%М|. 1 - без УЗО 2-5 - после УЗО с амплитудой механических напряжений: 2-25 МПа, 3-50 МПа. 4-75 МПа, 5-100 МПа
С увеличением степени деформации до 9-И 2% величина формовссстановления уменьшается как для образцов, подвергнутых ультразвуковой обработке, так и не подвергнутых. Причем увеличение амплитуды переменных механических напряжений до 100 МПа приводит к снижению величины формовосстановления Это указывает на достаточно сложный характер ультразвукового влияния на термоупругие харахтеоистики сплавов с эффектом памяти формы.
Так как проявление эффекта памяти формы обусловлено воздействием температуры и (или) механического напряжения [3], а при ультразвуковом воздействии они могут действовать одновременно, то было предположено, что ультразвуковые колебания могут инициировать процесс восстановления формы в сплавах с памятью Так как ультразвуковые колебания способны в значительной мере повышать температуру материала [5], то их воздействие с неизбежностью должно инициировать и протекание мартенситных реакции за счет диосигации акустической энергии [6] т.е. ультразвук в этом случае является одним из способов нагрева. Но в связи с существенными отличиями ультразвукового от других видов нагрева должна меняться и кинетика мартенситных преврашений.
Результаты исследований по иницииоованию эффекта памяти фирмы в проволочных образцах никелида титана после деформации изг ибом показали, что в образцах, испытавших неупругую деформацию в мартенситном состоянии возбуждение ультразвуковых колебаний вызывает формовосстановление [7]. Так для образцов сплава Т>-50 4 ат.%КП процессе ультразвукового воздействия амплитудой 10 мкм и частотой 22 кГц величина максимальной полностью обратимой деформации составила 3 %.
Исследования процесса фоомовосстановления образцов никелида титана в ультразвуковом поле при фиксированном статическом напряжении проводили на разработанной экспериментальной установке позволяющей осуществлять автоматический контроль изменения длины и температуры образца с последующей обработкой данных и выводом на ПЭВМ с учетом временной зависимости [8]
Образец крепили в захватах установки, один из которых служил волноьодом. а через второй к образцу прикладывалась статическая нагрузка
Пооядок проведения испытаний был следующим к проволочному образцу "П-50 4 ат.% N1 с характеристическими температурами: А„ = 323 К, А« = 349 К Мн = 303 К, Мк = 294 К длиной 120 мм и диаметром 0,39 мм, находящемуся в аустенитном состоянии прикладывали фиксированную нагрузку и охлаждали, инициируя тэм самым эффект пластичности превращения. При реализации пластичности превращения в некоторых образцах импульсно возбуждали механические колебания ультразвуковой частоты. Систему поддерживали в резонансе на частоте соответствующей собственной частоте магнитострикционного преобразователя и волновода 22.2 кГц. Амплитуда колебаний торца волновода составляла 5 мкм Охлажденный образец разгружали и затем переводили нагревом в аустенитное состояние, также импульсно возбуждая УЗК.
Нужно отметить, что за счёт увеличения амплитуды УЗК для тонких образцов диаметром меьее 3 мм удавалось реализовать ЭПФ практически мгновенно. Сднахо при больших амплитудах или более длительном воздействии УЗК на материал находящийся з аустенитном состоянии, возможно его усталостное разрушение. Это обусловлено возникновением больших значений знакопеременных механических напряжений в узловых точках образца за счет изгибных колебаний.
На рис. 2 представлена типичная температурная зависимость деформаиии. полученная при реализации эффекта пластичности превращения под напряжением 30 МПа на этапе охлаждения и эффекта памяти формы при нагреве без нагрузки через температурный интервал мартенситных превращений в сплаве Т N
во
Т, °С
Рисунок 2 - Температурные зависимости деформации в ходе реализации в сплаве Т1№. Стрелками обозначены моменты включения (Т) и выключения УЗК
Воздействие на ТМ ультразвуковых колебаний на этапе охлаждения через интервал прямого мартенситного превращения вызывает во всем интервале практически мгновенный возврат накопленной деформации, сопровождающийся повышением температуры образца. Этот возврат тем больше, чем ближе мы находимся к М* в момент ультразвукового воздействия. Дальнейшее охлаждение обоазца без воздействия ультразвука приводит к возобновлению накопления деформации в полном соответствии с теорией образования малых петель термомеханического гистерезиса в полном интервале мартенситного превращения.
Возврат деформации пои ультразвуковом воздействии нэ этапе нагрева "ПЫ| через интервал обратного мартенситного превращения также может быть объяснен ультразвуковым разогревом образца за счет диссипации энергии УЗК и, как следствие, образованием устойчивого аусенита После отключения ультразвука наблюдается дальнейшая реализация эффекта памяти формы в соответствии с температурной кинетикой обратного мартенситного превращения.
УС «ВГП*» - 40 лет
117
Кинетика процесса ультразвукового инициирования памяти фоомы свидетельствует, что воздействие ультразвуковых колебаний при прямом и обратном мартенситных превращениях вызывает возврат накопленной деформации. Поскольку процесс сопровождается ультразвуковым разогревом то на этапе прямого превращения наблюдаются малые петпи термомеханического гистерезиса, чго особенно ценно для исполнительных устройств из СПФ. Возврат деформации на этапе нагрева связан с ультразвуковым разогревом образца за счет диссипации колебаний и как следствие, образованием устойчивого аустени^а [9].
Заключение
Установлено, что предварительное ультразвуковое воздействие влияет на параметры сЬормовосстановпения TiNi сплавов, обладающих памятью формы. С использованием метода испытания на изгиб показано что ультразвуковое воздействие амплитудой механических напряжений до 50 МПа вызызает увеличение максимальной полностью обратимой деформации по сравнению с исходными образцами с 3 до 5 %.
Обнаружен эффект инициирования памяти формы под воздействием ультразвуковых колебаний в сплавах с термоупругими мартенситными превращениями В образцах, подвергнутых предварительной неупругой деформации, возбуждение ультразвуковых колебаний вызывает фоомовосстановление В частности, для сплава Ti-50,4 ат.% Ni, в процессе ультразвукового воздействия амплитудой 10 мкм и частотой 22 кГц при температуре 20°С величина максимальной полностью обратимой деформации составляет 3 %. Воздействие ультразвуковых колебаний при прямом мартенситном превращении обуславливает образование малых петель термомехаиического гистерезиса.
Список использованных источников
1. Курдюмов Г.В., Хандрос Л.Г. О "термоупругом" равновесии при мартенситных превращениях//Докл. АН CCCF - 1949 -Т. 66. № 2-С.211-214.
2. Фаткулина Л.П. Сплавы с памятью формы на основе никелида титана II Технология легких сплавов - 199( - № - С 9-12.
3. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л. Каменцева 3 П. Эффект памяти формы,- Л Изд-во Ленингр. ун-та "<987 - 216 с.
4. Рубаник В.В Клубович В.В , Рубаник В.В. (мл.) Фоомовосстановление TiN« с памятью формы подвергнутых ультразвуковой ооработке // Актуальные проблемы прочности: Матер XlII Междунар конф ■ Калуга, 2004 - С. 136
5. Кулемин А.В Ультразвук и диффузия в металлах - М Металлургия 1971200 с.
6. Пат 2413 С2 BY МПК С 21D 8/00, С 22F 3/00 Способ инициирования эффекта памяти формы / В.В Клубович, В.В.Рубаник, В.Г.Дпродейко и др. - № 960348; Заявл. 05 07.1996; Опубл. 30.09.1998 // Аф ыйны бюлетэнь / Дзяож. пат. ведамства PS 199; > - № 3 С8) - С 176-177.
7 Rubanik V V., Klubovich V.V , Ruoanik V.V.. Jr The ultrasounds initiation of SME il J. de Pnys -2003.-Vol. 112, № IV,- P 249-251
8. Бегунов M.A.: Рубаник B.B. (мл ), Мясоедов A.B. Автоматизированная система регистрации контроля параметров сЬормовосстановпения сплавов с памятью формы // XXXV науч.-техн. конф. препод, и студ.. Тез докл. / УО «ВГТУ»,-Витебск 2002 - С. 26-27.
9. Артемьев В.В, Клубович В В., Рубаник В В. Ультразвук и обработка материалор - Мн Экоперспектива, 2003 - 335 с.
SUMMARY
The object of reseaich was TiN. alloys possessing the shape memory e^ect with their composition oeing close to the equiatomic one The subject of research was behavior of these materials in the conditions of influence of ultrasonic v.orations of low frequency. The
aim of the work was to determine major laws of deformation behavior of TiNi with the shape memory, during ultrasonic influence
For the first time, one discovered the initiation of the shape memory effec* in TiNi alloys only due to the energy of ultrasonic vibrat'ons. ¡t is shown new methods of initiating the shape memory effect in snape memory alloys.
УДК 537.228.5
ОПИСАНИЕ СИЛ ОСЦИЛЛЯТОРОВ МЕЖМУЛЬТИПЛЕТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДИПОЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ УРАНА
Е.6. Лунина, A.A. Корниенко. Л.А.Фомичева
Введение
С целью поиска новых лазерных материалов были синтезированы кристаллы активированные ионами U4" и Ат3+ [1,2]. У коисталлов с примесью U4+(5") более широкие спектральные линии и интенсивности межмультиплетчых переходов в 100 раз больше, чем у иона Pr3+(4f2).
В теоретическом плане кристаллы с примесью ионов U4+ интересны тем что применение поиближения Джадца-Офельта [3,4] для описания интенсивностей межмупьтиплетных электрических дипольных переходов менее успешно, чем к материалам с поимесью Ln ' ионов ¡2 5]. Возможно, эт> обусловлено более сильным межконфигурационным взаимодействием. Поскольку всестороннее исследование этих эффектов отсутствует, представляется актуальным выполнить сравнительный анализ применимости различных приближений для учета влияния межконфигурационного взаимодействия на интенсивности 5f-5f переходов иона Uu. В связи с этим в данной работе приведены основные формулы теории интенсивностей и выполнено описание экспериментальных сил осцилляторов иона U в кристалле ThBr4 и комппексов UBr4 в растворе Hßr.
Основные фоомулы теории интенсивностей
Интенсивность межмультиплетных электрических дипольных переходов можно характеризовать силой линии
"г • I \(yJM\D\y'J'M')
мы
(1)
где О - электрический дипольный момент. Сила линии не зависит от направления перехода и измеряется в 10 см" Иногда интенсивность переходов характеризуют безразмерной величиной - силой осииллятора
„ 8лГ тсс (/•2 + 2
7//'= ---V— —(2)
+ 9 п
!-де п- показатель преломпения среды; о - энергия перехода в с: 1, 2J+7 -степень вырождения исходного мультиппета.
Эпектрические дипольные переходы между состояниями конфигурации запоещены по четности. Однако для ионов в кристалле этот запрет частично снимается из-за примеси состояний возбужденных конфигураций. В зависимости от приближения, в котором учитывается влияние возбужденных конфтураций получаются разные выражения для силы линии межмультиплетного перехода.
У О «ВГТУ» -40 лет 119
