РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СФЕРИЧЕСКИХ СЕГМЕНТОВ ИЗ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ ЦИКЛИРОВАНИИ ЧЕРЕЗ ИНТЕРВАЛ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Малухина О.А.¹, Филиппов Д.А.²

¹ORCID: 0000-0003-0974-4682, Соискатель, ²ORCID: 0000-0002-4359-7770, Доктор физико-математических наук, Профессор, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СФЕРИЧЕСКИХ СЕГМЕНТОВ ИЗ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ ЦИКЛИРОВАНИИ ЧЕРЕЗ ИНТЕРВАЛ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Аннотация

По результатам циклирования сферических сегментов через интервал мартенситных превращений установлены закономерности изменения параметров, определяющих свойства памяти формы. Показано, что термоциклирование сферических сегментов через интервал мартенситных превращений, с реализацией эффекта потери устойчивости, сопровождается постепенным накоплением необратимой деформации на этапе нагрева. Следствием этого является незамкнутость термодеформационного гистерезиса и смещение температур потери устойчивости. Однако темп накопления недовозврата формы и связанная с этим термоциклическая долговечность зависит от геометрических размеров сегментов, физико-механических свойств сплава, типа мартенситной реакции и вида термомеханической обработки.

Ключевые слова: эффект памяти формы, мартенситные превращения, аустенит, мартенсит, память формы.

Malukhina O.A.¹, Filippov D.A.²

¹ORCID: 0000-0003-0974-4682, External postgraduate student; ²ORCID: 0000-0002-4359-7770, PhD in Physics and Mathematics, Professor, Yaroslav-the-Wise Novgorod State University

EFFICIENCY OF SPHERICAL SEGMENTS OF ALLOYS WITH SHAPE MEMORY EFFECT AND THERMO-MECHANICAL CYCLING THROUGH THE INTERVAL OF MARTINSITE TRANSFORMATIONS

Abstract

According to the results of spherical segments cycling through the interval of martensitic transformations, the regularities of the changes in the parameters determining the properties of the shape memory are established. It is shown that the thermo-cycling of spherical segments through the martensitic transformation interval with the realization of the loss of stability effect is accompanied by a gradual accumulation of irreversible deformation at the heating stage. The consequence of this is the non-closure of the thermal deformation hysteresis and the displacement of the temperatures of stability loss. However, the rate of accumulation of the shape defect and the associated thermo-cyclic longevity depend on the geometric dimensions of the segments, physical and mechanical properties of the alloy, type of martensitic reaction and thermo-mechanical processing.

Keywords: shape memory effect, martensitic transformations, austenite, martensite, shape memory.

В современном машиностроении в регулирующих и исполнительных устройствах и механизмах находят применение рабочие элементы из сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ). Благодаря стабильным физико-механическим свойствам, они часто используются в различных контрольно-исполнительных устройствах и медицине [1], [2], [3]. Использование сплавов с ЭПФ на практике определяется уровнем их функционально-механических свойств: температурами мартенситных превращений (МП), величиной эффекта памяти формы. Указанные характеристики являются структурно-чувствительными и зависят от режима предварительной термомеханической обработки сплава.

Исследование функционально-механических свойств проводили на двух сплавах: Ti-50,3ат.%Ni, с температурами МП — М_s = 14 °С, М_f = 7 °С, R = 27ºС, А_s =  32°С, А_f = 40 °С и TiNi-4ат.%Cu с температурами МП — М_s = 58 °С, М_f = 24 °С, А_s = 38°С, А_f = 78 °С.

Сплав Ti-50,3ат.%Ni характеризуется узким гистерезисом. Прямое МП в данном сплаве проходит в две стадии В2®R и R®B19’ (рис. 1а).

Рис. 1 – Гистерезис мартенситного превращения (а) и DSC-кривая (б) сплава Ti-50,3ат.%Ni после отжига 500°С, 30 мин

 

Опыты по реализации эффекта памяти формы показали высокую обратимость деформации в сплавах TiNi c R-фазой. Деформация эффекта памяти формы (e) при 120 МПа после отжига 500°С, 30 мин достигает 7,8 %. Промежуточная R-фаза мартенсита зарождается при температуре близкой к 30°С (рис. 1а). Интенсивность тепловых процессов после отжига повышается. Свидетельством этому являются высокие пики фазовых переходов как при нагреве, так и при охлаждении на кривых дифференциально сканирующей калориметрии (DSC) (рис. 1б).

Известно, что температуры фазовых превращений в сплавах на основе никелида титана определяются составом сплава. Совсем незначительные изменения в содержании одного из компонентов сплава, как правило, приводят к заметному смещению температур мартенситных переходов. Следует обратить внимание на особое свойство МП в сплаве с добавкой меди — его широкий гистерезис. При этом точка А_s лежит выше М_s (рис. 2а).

Рис. 2 – Гистерезис мартенситного превращения (а) и дифрактограмма (б) сплава TiNi-4 ат.%Cu после отжигов при 500°С, 30 мин

 

В сплаве TiNi-4ат.%Cu последовательность мартенситных превращений В2→В19’ при охлаждении до 20°С реализуется в одну стадию, что подтверждается дифрактограммой данного сплава (рис. 2б).

Объектами исследования служили сферические сегменты диаметром 17 мм, полученные из круглых пластинок, вырезанных из предварительно прокатанных листов выбранных сплавов. Для задания формы сферического сегмента со стрелой подъема  и радиусом кривизны R круглая пластинка прогибалась в специальной оправке при температуре ниже М_f и жестко защемлялась. Память задавалась отжигом при 500°С в течение 30 мин. На полученных таким образом сферических сегментах, проводились дальнейшие исследования термомеханической долговечности.

Если сферический сегмент прогнуть в мартенситном состоянии зеркально по отношению к исходному состоянию, то при отогреве, выше температуры окончания обратного мартенситного превращения, происходит потеря устойчивости с резким скачком деформации.

Проведенные ранее исследования [4, С. 83] показали, что при многократном циклировании сферических сегментов через интервал мартенситных превращений их функциональные свойства изменяются. На рис. 3 приведена зависимость изменения степени недовозврата формы f_нв/f₀^п сферических сегментов от числа теплосмен.

Рис. 3 – Зависимость изменения степени недовозврата формы: 1 — Ti-50,3 ат.%Ni; 2 — TiNi-4 ат.%Cu; * — плавное восстановление формы деформации; → — продолжение циклирования

 

Видно, что интенсивное изменение параметров происходит на первой стадии (10-12 циклов) — стадии неустановившегося формоизменения, где сферические сегменты показывают более высокие силовые характеристики, генерируемые на этапе обратного мартенситного превращения. На второй стадии формоизменение сегментов стабилизируется. В этом случае при нагревании практически всегда наблюдается полный возврат деформации. При установившемся формоизменении стабилизируются также силовые характеристики сферических сегментов. Такой характер изменения деформации может быть связан, с образованием и преимущественным ростом только тех его кристаллографических вариантов, которые обеспечивают наибольшее (наименьшее) формоизменение материала. В процессе термоциклирования происходит избирательное наследование дефектов кристаллической решетки, что также приводит к увеличению эффекта памяти формы. Стабилизация эффекта памяти формы после 10-20 циклов свидетельствует о том, что указанные процессы, вызывающие вначале рост недовозврата формы, также стабилизировались.

При значениях f_нв/ =0,3 скачки деформации сегментов из сплава TiNi-4ат.%Cu становятся очень слабыми, либо происходит плавное восстановление формы сегмента (рис.3, кривая 2).

В тех случаях, если на этапе прямого мартенситного превращения образуется R-фаза по реакции В2→R→B19’ (сплав Ti-50,3ат.%Ni), то сегменты отличаются высокой термоциклической долговечностью. При этом благодаря R-фазе потеря устойчивости проявляется достаточно мощным скачком деформации и реализуется длительное время (более 10⁴ термоциклов). При отношение f_нв/≥0,35 сегментов из сплава Ti-50,3ат.%Ni этот эффект становится слабым.

Показано, в частности, что сплав TiNi-4ат.% Cu отличаются малой долговечностью при циклическом изменении температуры. Так, ресурс восстановления формы сегментов резким скачком деформации при температуре потери устойчивости, изготовленных из сплава Ti-50,3ат.%Ni больше, чем из сплаваTiNi-4ат.% Cu более чем в 100 раз.

Температура потери устойчивости (Т_пу) сферических сегментов в процессе термоциклирования изменяется незначительно и сравнительно быстро стабилизируется.

Таким образом, рассмотренные особенности поведения сегментов при длительном циклировании через интервал МП характерны для всех сегментов, независимо от состава сплава и геометрических параметров. Однако их работоспособность зависит от типа мартенситной реакции и механических свойств сплава. Сплавы с R-фазой являются наиболее перспективными материалами для изготовления сферических сегментов.

Для повышения сопротивления деформации сплавов никелида титана используются различные способы стабилизации структуры и свойств, такие как обогащение сплавов TiNi никелем и титаном с последующим старением при температуре 400-500ºС. В результате такой обработки выделяются вторые фазы в виде Ti₃Ni₄, Ti₂Ni и другие, способствующие упрочнению сплава [5, 6]

Кривые поведения сплавов в условиях длительного термоциклирования в координатах недовозврат формы — число циклов, имеют три отчетливо выраженные стадии, их можно сопоставить с этапами изменения кривой изотермической ползучести. Первая стадия характеризуется резким монотонными формоизменением сегментов. Отмечено, что первая стадия имеет продолжительность 8-10 циклов, это позволяет быстро выйти на стадию стабилизации. За ней следует стадия, в течение которой проявляется линейная зависимость изменения характеристик, при этом величины этих характеристик меняются очень медленно. Эту стадию можно назвать стадией установившегося формоизменения. Третья стадия характеризуется непрерывно возрастающим формоизменением, ее можно назвать стадией ускоренного формоизменения, при этом эффект скачка деформации становится очень слабым, либо сегмент разрушается, что связано с образованием несплошности в объеме материала.

Особенности проявления эффектов памяти формы и пластичности превращения в условиях термоциклирования сферических сегментов еще раз свидетельствуют о той важной роли, которую играют в формировании циклической памяти формы кристаллографическая и дефектная структура материала, характер мартенситных превращений, а также процессы наследования дефектов кристаллической решетки при фазовых переходах.

Исследование термоциклической долговечности сферических сегментов представляет интерес с точки зрения практического применения, поскольку устройства с ЭПФ основаны на использовании сферических сегментов при многократном срабатывании исполнительного механизма.

Список литературы / References

1. А.с. 2171937 РФ. Термоклапан / М.А. Хусаинов, Б.Я. Тамбулатов, А.Г. Ларионов, О.А. Малухина (РФ). - 4с.: ил.
2. Katalog “Innovationsmesse” / Ideen von heute. Fur Markte von morgen / September 25-28, 1996. – Leipzig, 1996. – P.118, 173.
3. Журавлев В.Н., Пушин В.Г. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. Екатеринбург: УрО РА, 2000. 151с.
4. Хусаинов М.А. Фазовые переходы в сплавах никелида титана с эффектом памяти формы / М. А. Хусаинов, О. А. Малухина, В.А. Анлреев // Вестник НовГУ. Сер.: Физико-математические науки. – 2015. – №3(86). – С. 81-84.
5. Michutta J., Somsen Ch., Yawny A., et al. Elementary martensitic transformation processes in Ni-rich NiTi single crystals with Ni4Ti3 precipitates // Acta Materialia. 2006. V.54. Issue 13. P.3525-3542.
6. Nam T.-H., Kim J.-H., Choi M.-S., et al. Phase transformation behavior in Ti-Ni alloy ribbons fabricated by melt spinning // J. Phis. IV France. 2003. №112. P.893-896.

Список литературы на английском языке / References in English

1. s. 2171937 RF. Termoklapan [Thermo-valve] / M. A. Husainov, B. Ja. Tambulatov, A. G. Larionov, O. A. Maluhina (RF). – 4 p.: ill. [in Russian]
2. Katalog “Innovationsmesse” / Ideen von heute. Fur Markte von morgen / September 25-28, 1996. – Leipzig, 1996. – P.118, 173. [in German]
3. Zhuravljov V.N., Pushin V.T. Splavy s termomekhanicheskojj pamjat'ju i ikh primenenie v medicine. [Alloys with thermomechanical memory and their application in medicine] Ekaterinburg: UrO RAN, 2000. 151 s. [in Russian]
4. Husainov M. A. Fazovie perehodi v splavah nikelida titana s tffekton pamjati formi [Phase transitions in alloys of titanium nickelide with shape memory effect] / M. A. Husainov, O. A. Maluhina, V. A. Andreev // Vestnik NovGU. Ser.: Fiziko-matematicheskie nauki [Vestnik NovSU. Issue: Physico-Mathematical SciencesSciences]. – 2015. – № 3(86). – P. 81-84. [in Russian]
5. Michutta J., Somsen Ch., Yawny A., et al. Elementary martensitic transformation processes in Ni-rich NiTi single crystals with Ni4Ti3 precipitates // Acta Materialia. 2006. V.54. Issue 13. P.3525-3542. [in English]
6. Nam T.-H., Kim J.-H., Choi M.-S., et al. Phase transformation behavior in Ti-Ni alloy ribbons fabricated by melt spinning // J. Phis. IV France. 2003. №112. P. 893-896. [in French]