авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ухтинский государственный технический университет

(УГТУ)

Механические свойства материалов с эффектом памяти формы

при сложном температурно-силовом воздействии и

ортогональном нагружении

Монография

Ухта 2010

ББК 22.251 УДК 539.4.014 М 55 Авторский коллектив:

Андронов И. Н., Богданов Н. П., Вербаховская Р. А., Северова Н. А.

ISBN 978-5-88179-597-9 Механические свойства материалов с эффектом памяти формы при слож ном термературно-силовом воздействии и ортогональном нагружении [Текст] :

монография / под ред. И. Н. Андронова. – Ухта : УГТУ, 2010. – 191 с.

Монография представляет одно из важнейших научных направлений в области изучения фундаментальных свойств сплавов с новыми функционально механическими свойствами.

В ней отражены результаты экспериментальных исследований влияния истории предварительного термомеханического воздействия, вида напряженно го состояния и характера задания предварительной деформации на функцио нально-механическое поведение материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов, а также механического поведения при ор тогональном нагружении и механоциклировании в изотермичеких условиях.

Разработана система методов термосилового воздействия на материалы с целью эффективного управления их деформационными и энергетическими ха рактеристиками в условиях реализации циклической памяти формы при слож ном напряженном состоянии.

Монография предназначена для аспирантов и докторантов по специаль ности 01.02.04 «Механика деформируемого твёрдого тела».

Монография рекомендована к изданию научно-техническим советом Ухтинского государственного технического университета.

Рецензент: Гаврюшин С. С. – профессор кафедры прикладной механи ки ГОУ ВПО Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, д.т.н.

© Ухтинский государственный технический университет, © Андронов И. Н., Богданов Н. П., Вербаховская Р. А., Северова Н. А., ISBN 978-5-88179-597- Оглавление Введение................................................................................................................... Глава 1. Особенности функционально–механического поведения материалов с мартенситным механизмом неупругости................................ 1.1 Общие сведения о материалах с обратимыми мартенситными переходами............................................................................................................... 1.2 Пластичность превращения в материалах с ОМП............................. 1.3 Явление памяти формы........................................................................ 1.4 Обратимая (многократно обратимая) память формы металлов в свободном состоянии........................................................................ 1.5 Обратимая память формы, реализуемая в нагруженном состоянии (циклическая память формы)............................................................ 1.6 Мартенситная неупругость материалов, инициированная сложными температурно-силовыми условиями нагружения........................... 1.7 Способы производства механической работы с помощью мартенситных двигателей..................................................................................... 1.8 Влияние термоциклирования и термомеханической обработки на эффект обратимой памяти формы и другие свойства МН материалов...... Глава 2. Постановка научной проблемы и методика экспериментальных исследований.................................................................. 2.1 Основные направления исследований................................................ 2.2 Методика экспериментальных исследований.................................... Глава 3. Влияние истории термомеханчнического нагружения на обратимое формоизменение никелида титана.............................................. 3.1 Поведение сплава ТН-1 в условиях кручения при термоциклировании под постоянной нагрузкой................................................ 3.1.1 Обратимое формоизменение в сплаве ТН–1при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под постоянными напряжениями при нагревании и охлаждении.......................... 3.1.2 Влияние предварительной термомеханической обработки на характеристики обратимого формоизменения при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под постоянными нагрузками.............................................................................. 3.1.3 Обратимая память формы и термоциклический возврат деформации в сплаве ТН-1 в свободном состоянии после термомеханической обработки при постоянных напряжениях нагрева и охлаждения.................. 3.2 Поведение сплава ТН-1 в условиях кручения при термоциклировании под нагрузкой при охлаждении и в свободном состоянии при нагревании.................................................................................... 3.2.1 Обратимое формоизменение в сплаве ТН-1 при термоциклировании под постоянным напряжением при охлаждении и в не нагруженном состоянии при нагревании.................................................... 3.2.2 Влияние термомеханической «тренировки» на эффекты мартенситной неупругости при охлаждении под нагрузкой и в не нагруженном состоянии при нагревании........................................................... 3.2.3 Обратимое формоизменение в сплаве ТН–1 в свободном состоянии после термоциклироваания под постоянным касательным напряжением при охлаждении............................................................................ 3.3 Обратимое формоизменение в сплаве ТН–1при термоциклировании под постоянным моментом сил на этапе нагревания и в разгруженном состоянии на этапе охлаждения........................................... 3.3.1 Влияние предварительной термомеханической тренировки на характеристики обратимого формоизменения под постоянным касательным напряжением при нагревании............................... 3.3.2 Обратимое формоизменение в сплаве ТН–1 в разгруженном состоянии после термоциклирования под постоянным касательным напряжением при нагревании...................................................... Глава 4. Работоспособность сплавов с каналами мартенситной неупругости в условиях производства механической работы................... 4.1 Влияние осевого деформирования на работоспособность никелида титана в условиях кручения................................................................ 4.2 Влияние кручения на работоспособность никелида титана при растяжении............................................................................................................. 4.3 Влияние вида напряженного состояния на поведение никелида титана в условиях производства механической работы.................................... 4.4 Влияние температурно-силового режима термомеханического воздействия на энергоемкость никелида титана.............................................. 4.4.1 Энергоемкость никелида титана после термоциклирования под напряжениями, кратными рабочим....................... 4.4.2 Энергоемкость никелида титана после обработки под постоянными напряжениями нагрева и охлаждения..................................... Глава 5. Циклическая память формы при сложном нагружении.......... 5.1 Циклическая память формы и термоциклическая ползучесть сплава Mn–37,5%ат.%Cu в условиях сложного нагружения.......................... 5.2 Влияние термомеханической «тренировки» на характеристики циклической памяти формы и термоциклической ползучести...................... 5.3 Мартенситная неупругость никелида титана, инициированная изотермическими догрузками в мартенситном и разгрузками в аустенитном состояниях..................................................................................... 5.4 Эффекты мартенситной неупругости при механоциклировании.. 5.4.1 Мартенситная неупругость в сплавах Cu-12,5%Al-4,5%Mn и Mn-16%Cu инициированная растяжением и сжатием................................... 5.4.2 Мартенситная неупругость никелида титана при механоциклировании............................................................................................ 5.5 Особенности осевого деформирования при кручении материалов с каналами мартенситной неупругости........................................ Глава 6. Теоретическое описание поведения материалов с каналами мартенситной неупругости при термоциклировании под нагрузкой.... 6.1 Описание эволюции обратимого формоизменения для необработанного материала с эффектами памяти формы при термоциклировании под нагрузкой................................................................... 6.2 Описание эволюции обратимого формоизменения для материала с эффектами памяти формы, прошедшего предварительную термомеханическую обработку, при термоциклировании под нагрузкой.... Заключение......................................................................................................... Список основных обозначений и сокращений............................................ Библиографический список............................................................................ Введение В настоящее время хорошо известен широкий класс материалов, обладаю щий обратимыми мартенситными переходами (ОМП). К ним относятся сплавы на основе Ti–Ni, Mn–Cu, Cu–Zn, Cu–Al, Fe–Mn и другие. С полной уверенностью можно сказать, что указанные материалы занимают особое место в физике твер дого тела, физическом материаловедении и механике деформируемого твердого тела (МДТТ), так как им характерен целый ряд уникальных нетрадиционных фи зико-механических свойств, выделяющих их из класса обычных конструкцион ных металлов и сплавов. К этим свойствам относится способность материала восстанавливать большие неупругие деформации до 10-15% при изменении тем пературы или изотермической разгрузке. В литературе отмеченные явления более известны как эффекты памяти формы (ЭПФ) и псевдоупругости (ПУ) [1].



Названным материалам характерен и ряд других эффектов, таких как: об ратимая память формы (ОПФ) – обратимое изменение деформации при тепло сменах;

эффект реверсивной памяти формы (ЭРПФ) – реверсивное, т. е.

знакопеременное изменение деформации при нагревании;

пластичность прямо го превращения (ППП) – накопление деформации в сторону внешней нагрузки при охлаждении в интервале прямого мартенситного перехода;

циклическая память формы (ЦПФ) – обратимое формоизменение при термоциклировании в нагруженном cостоянии и другие явления.

Перечисленные свойства можно обобщить одним термином – мартен ситная неупругость (МН). В целом явления мартенситной неупругости доста точно хорошо изучены, однако большинство экспериментальных данных получены для простых видов нагружения – кручение, растяжение [1]. Выше упомянутые уникальные свойства материалов с ОМП дают возможность ис пользовать их в различных областях техники: в космонавтике, машиностроении, медицине и т. д. [2-5]. В частности, они могут быть использо ваны в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функцио нального назначения, мартенситных двигателях, тепловых реле, в строительных конструкциях и в ряде других инженерно-технических направлений.

Разнообразное функциональное назначение таких элементов обуславли вает возникновение в них сложного напряженного состояния, что позволяет го ворить об актуальности проблемы исследования механического поведения материалов при сложных температурно-силовых воздействиях в условиях про явления МН, так как информации о таких исследованиях в научной литературе имеется недостаточно [1, 6], а именно:

• нет данных о влиянии вида напряженного состояния на поведение мате риалов в условиях проявления мартенситной неупругости при реализации ЦПФ;

• отсутствуют систематические экспериментальные исследования о влия нии термомеханической обработки на энергетические характеристики материалов;

• недостаточно изучены свойства мартенситной неупругости, иницииро ванные изотермическим деформированием материала;

• недостаточно изучены физико-механические свойства материалов с па мятью формы в условиях проявления ЦПФ.

Без ответа на поставленные вопросы невозможно эффективно использо вать материалы с ОМП в устройствах и механизмах сложного функционально го назначения. Обычные приемы МДТТ, справедливые при решении задач теории упругости, пластичности, ползучести для сложного напряженного со стояния [7-32] и при деформировании по многозвенным траекториям нагруже ния [7, 8, 23, 33-42], часто оказываются малоэффективными при решении аналогичных задач для материалов с МН. Это связано с тем, что в названных материалах наряду с обычными упругими и дислокационными каналами де формаций всегда присутствуют и деформационные каналы, обусловленные мартенситными фазовыми переходами первого или второго рода. Неупругие деформации, инициированные мартенситными реакциями, могут на порядок превосходить упругие и дислокационные.

Существующие физические теории мартенситных переходов хоть и про ясняют кинетику образования, роста мартенситной и аустенитной фаз, однако не дают возможности описания этих явлений на языке напряжений и деформа ций [43, 44]. Надежного физико-механического аппарата для описания свойств материалов с МН в терминах инженерной механики до недавнего времени не было. И лишь в последние 10-12 лет с появлением структурно-аналитической теории прочности Лихачева В. А. – Малинина В. Г. [45-51] возникла возмож ность адекватно описывать поведение материалов в условиях проявления МН.

На базе указанной теории разработан прикладной феноменологический подход для решения некоторых задач сопротивления материалов [52]. Есть и удачные попытки решение задач для сред с МН с позиций классической МДТТ [53].

Все выше изложенное, позволяет выделить проблему исследования “Ме ханического поведения материалов при сложных температурно-силовых воз действиях в условиях проявления МН”, в самостоятельную проблему МДТТ, от успешного решения которой зависит не только дальнейшее развитие методов механического описания свойств материалов с МН, но и эффективное исполь зование указанных материалов в устройствах и механизмах сложного функцио нального назначения.

Данная работа явилась результатом решения проблемы создания экспе риментальных основ механики сред с мартенситной неупругостью. Для этого необходимо было выполнить всестороннее систематическое экспериментальное исследование явлений MH, определить влияние вида напряженного состояния и сложных последовательностей задания предварительной деформации на осо бенности механического поведения материалов в условиях проявления МН.

В связи с этим была создана экспериментальная методика, позволяю щая проводить всесторонние экспериментальные исследования явлений MH как в изотермических, так и неизотермических условиях [54] в следующих направлениях:

1) исследование ОФИ при различных режимах термосилового воздействия при термоциклировании под нагрузкой и в свободном состоянии;

2) исследование энергетических характеристик сплавов с памятью формы в условиях производства механической работы;

3) исследование свойств МН в условиях проявления ЦПФ при сложном на пряженном состоянии;

4) разработка феноменологической модели, позволяющей аналитически описывать эволюцию обратимого формоизменения материалов с канала ми МН при термоциклировании под нагрузкой, в том числе и после пред варительного термомеханического воздействия.

В работе обобщены данные экспериментальных исследований, проведен ных сотрудниками Ухтинского государственного технического университета на базе лаборатории кафедры «Сопротивление материалов и деталей машин».

Авторы выражают глубокую благодарность и признательность коллек тиву и администрации Ухтинского государственного технического универси тета, где были получены основные результаты работы.

Глава 1. Особенности функционально-механического поведения материалов с мартенситным механизмом неупругости В данной главе выполнен краткий ретроспективный анализ основных ли тературных данных, посвященных описанию поведения материалов в условиях проявления МН. Показано, что при циклическом изменении температуры ос новные физико-механические свойства материалов заметно меняются, демон стрируя аномалии свойств вблизи характеристических температур мартенситных переходов (ХТМП). Рассмотрено поведение материалов в усло виях реализации: ППП, ЭПФ, ОПФ, ЦПФ, ДОП. Рассмотрена мартенситная не упругость материалов, инициированная сложными температурно-силовыми условиями нагружения. Описаны способы производства механической работы в моделях мартенситных двигателей. Приведены экспериментальные примеры инициации основных свойств МН путем бароциклирования. Рассмотрены неко торые способы влияния на механические свойства материалов путем термоме ханической обработки (ТМО). Приведены примеры инициации мартенситных переходов ударными нагружениями. В этой главе использованы данные работ [1, 6, 45-50, 55-134].

1.1 Общие сведения о материалах с обратимыми мартенситными переходами В ранних работах Г. В. Курдюмова и Хандроса Л. Г. было установлено, что в сплаве Cu–Sn [97, 98] при нагревании и охлаждении могут наблюдаться бездиффузионные фазовые переходы. Для них характерны следующие осо бенности: большая скорость процесса, количество образовавшейся фазы опре деляется только температурой и не зависит от скорости изменения последней, высокая скорость образования зародышей, прекращение образования зароды шей при остановке процесса. Исследования на металлографическом микро скопе сплава Cu–Sn [98] показали, что определенной температуре соответствует вполне конкретный структурный рельеф. Закономерным было следующее: кристаллы новой фазы, появляющейся при охлаждении послед ними, исчезали при нагревании первыми. Чередование охлаждения и нагрева ния приводило к тому, что морфологический рельеф демонстрировал полностью обратимое изменение.

В настоящее время такие фазовые переходы известны в литературе как обратимые мартенситные переходы (ОМП). Металлам и сплавам, обладающим ОМП, характерен целый ряд уникальных свойств.

Во-первых, они способны демонстрировать изменение фазового состава при циклических теплосменах. На рис. 1.1 схематически представлена зависи мость концентрации мартенситной фазы от температуры.

Рис. 1.1 – Схема температурной зависимости содержания мартенситной фазы при прямом и обратном мартенситных превращениях (стрелками обозначено направление изменения температуры МН и МК – начало и конец прямого мартенситного перехода, АН и АК – начало и конец обратного мартенситного перехода) При охлаждении сплава в интервале температур от АК до МН процентное содержание мартенситной фазы равно нулю, сплав находится в так называемом аустенитном состоянии. После достижения температуры МН – начала прямого мартенситного перехода, начинается выделение мартенситной фазы, которое заканчивается при температуре МК – конца прямого мартенситного превраще ния. При последующем нагревании металл находится в мартенситном состоя нии вплоть до температуры АН – начала обратного мартенситного перехода, а при достижении температуры АК – конца обратного мартенситного перехода, процесс заканчивается, т. е. весь материал переходит в аустенитное состояние.

Для реальных ОМП М – Т диаграмма рис. 1.1 не имеет ярко выраженных изло мов в точках, соответствующих МН, МК, АН, АК. Истинному ходу диаграммы отвечают в данном случае пунктирные линии на рис. 1.1.

Описанное выше свойство обратимого изменения фазового состава при водит к тому, что при нагревании материал способен демонстрировать восста новление прежней формы, т. е. ЭПФ, а при охлаждении накопление деформа ции в обратном направлении – ППП. Указанные явления будут рассматриваться ниже. Важной особенностью материалов с ОМП является то, что они, как пра вило, демонстрируют нелинейные зависимости большинства физико механических характеристик от температуры, причем им характерен ярко вы раженный температурный гистерезис.

На рис. 1.2 даны зависимости удельного сопротивления от температуры [121]. Как видно из хода кривых, зависимости представляют довольно сложные гистерезисные петли, вид которых, вообще говоря, зависит от состава материа ла. В целом сложный характер температурных зависимостей сопротивления предопределяется, видимо, рядом причин, которые ниже обсуждаться не будут.

Отметим только, что методика измерения электрического сопротивления ши роко используется при изучении мартенситных переходов, в частности, при оп ределении характеристических температур мартенситных переходов [121, 122].

Рис. 1.2 – Температурные зависимости удельного электросопротивления для сплавов 50Ti-49Ni-1ат.%Fe (1), 50Ti-47Ni-3ат.% Fe (2), 50 Ti-47Ni-3ат.% Fe (3).

Отжиг 1073 К [121] Естественно ожидать, что в материалах с ОМП и другие физико механические характеристики сложным образом зависят от температуры. Анализ дилатограмм из работы [106] позволяет заключить, что и коэффициент линейного температурного расширения сложным образом зависит от температуры (рис. 1.3).

Рис. 1.3 – Дилатограмма (зависимость относительного удлинения от температуры) в сплаве Fe–19ат.%Mn [106] В пользу этого так же свидетельствуют и данные другой работы [92]. Как видно из рисунка 1.4, зависимость – Т даже качественно неоднозначна, ее вид существенно зависит от компонент, входящих в сплав.

Рис. 1.4 – Температурная зависимость коэффициента линейного температурного расширения сплавов Fe–26ат.% Pt (1);

48,9 Ti–3,4Ni–15,7ат.%Pd (2);

49Ti–43,5Ni–7,5ат.%Pd (3);

49Ti–47,5Ni–3,5ат.%Pd (4) [92] Наряду с указанными свойствами металлы с ОМП демонстрируют очень сильную и сложную зависимость упругих постоянных от температуры [133, 135] (рис. 1.5).

Рис. 1.5 – Температурные зависимости модуля Юнга для сплава Fe–25,7ат.% Pt [133] При нагревании на 100 К модуль Юнга может изменяться в 1,5-2 раза.

В обычных материалах изменение температуры на 100 К приводит к из менению модуля Юнга на 3-5%. В качестве примера на рис. 1.6 представлена зависимость модуля сдвига от температуры для марганцемедных сплавов [55].

Рис. 1.6 – Зависимости модуля сдвига от температуры при обратном и прямом превращении для сплава Cu–72,2%Mn [55] В реальных инженерных расчетах чаще всего используются механические характеристики, найденные из – диаграмм: предел текучести – Т, предел прочности – В, максимальная осевая деформация – max. Большой интерес пред ставляет – диаграммы для материалов с ОМП. Для них обнаруживается целый ряд уникальных свойств, не характерных обычным металлам. Это способность демонстрировать, так называемый, сверхупругий или псевдоупругий возврат де формаций до 10% и более при разгрузке в изотермических условиях [130].

Способность к псевдоупругому возврату деформации у большинства ма териалов зависит от температуры деформирования. Как правило, величина псевдоупругого возврата растет с температурой деформирования и максималь на при температуре выше АК.

Сказанное подтверждают экспериментальные данные представленные, на рис. 1.7 [129].

Рис. 1.7 – Кривые нагружения монокристаллов Cu–Zn–Sn [108] Такое поведение легко объяснить, исходя из следующих представлений:

при деформировании материала при Т АК в сплаве возникает мартенситная структура, созданная напряжением – мартенсит напряжения. Характерно то, что деформация, которую приобретает образец, обусловлена перемещением или переориентацией мартенситных пластин. После снятия нагрузки термоди намически нестабильный при данной температуре мартенсит исчезает, что при водит к полному восстановлению деформации.

При деформировании в областях АН Т АК, МН Т АН только часть приобретенной деформации обусловлена возникновением мартенсита. Другая часть деформации воссоздается за счет обычных каналов пластической дефор мации, например, дислокационных, и она, как хорошо известно, полностью не обратима. После разгрузки восстанавливается только часть деформации, которая обусловлена восстановлением мартенсита, поэтому восстановление деформации будет неполным.

В силу сказанного – степень восстановления уменьшается. На рис. 1. кривая 2 показывает зависимость степени псевдоупругого восстановления де формации для сплава Cu–Zn–Sn.

Минимальная степень восстановления деформации, как это следует из рис. 1.8, имеет место при деформировании сплава в мартенситном cостоянии. В этом случае возникновение нового мартенсита деформационным путем невоз можно, так как весь сплав находится в мартенситном состоянии и деформиро вание материала происходит за счет необратимых каналов.

Рис. 1.8 – Влияние температуры деформирования на восстановление деформации монокристаллических образцов:

1 – эффект памяти формы;

2 – псевдоупругость;

3 – суммарный возврат [132] Однако механизмы псевдоупругости могут существенно отличаться от механизмов деформирования материалов, приведенных ниже. Достаточно ска зать, что описанная выше нагрузки термодинамически модель не позволяет дать объяснение, например, мартенситной псевдоупругости, которую демонст рирует сплав Ti–Ni (рис. 1.9), причем упругая деформация в этом случае может достигать 10%.

В целом можно сказать следующее: в различных материалах мартенсит ного класса возможны различные варианты псевдоупругости.

Рис. 1.9 – Мартенситная псевдоупругость поликристаллического никелида титана при t = 20°C [90] 1.2 Пластичность превращения в материалах с ОМП Пластичностью превращения называют способность материала к накоп лению односторонней деформации в сторону внешней нагрузки при изменении температуры через интервалы фазовых переходов. Это явление обнаружено у металлов, например, в сталях и неорганических кристаллах – в кварце, оксидах и карбидах.

Обзор ранних работ, посвященных исследованию данного эффекта, со держится в [86, 87]. Эффект пластичности превращения (ЭПП) изучали в желе зе и его сплавах во время переходов. Позже появились публикации, освещающие проблемы пластичности превращения в материалах с обратимыми мартенситными реакциями [1, 57, 64, 89, 91, 93, 95].

Прямое мартенситное превращение (ПМП) у материалов этого класса обычно сопровождается деформированием в сторону внешней силы. Вышеска занное для медномарганцевых композиций иллюстрируется на рис. 1.10.

Рис. 1.10 – Температурные зависимости при нагревании и охлаждении при постоянной нагрузке [64] Более сложным является поведение материалов при нагревании под на грузкой. На том же рисунке приведены три ситуации, характерные для обрат ного мартенситного превращения.

1) Деформация накапливается в сторону силы (рис. 1.10 в, д, е, ж, и).

2) Имеет место накопление деформации в сторону силы на начальной стадии нагревания, которое переходит в «отрицательную ползучесть» при про должении отогрева выше АН – температуры обратного мартенситного перехода (рис. 1.10 з).

3) Наблюдается только «отрицательная ползучесть», т. е. реализация ЭПФ под нагрузкой (рис. 1.10 a, б).

Описанные эффекты свойственны и многим другим материалам, таким как Ti–Ni [136] и Сu–Al–Ni [116]. Характерной особенностью в поведении ма териалов данного класса при охлаждении через интервал ПМП является прак тически линейная взаимосвязь деформации, накопленной при охлаждении с приложенным напряжением. Согласно [1], при умеренных напряжениях это справедливо для Ti–Ni, Mn–Cu, Ti–Ni–Cu и Fe–Mn, что позволяет рассматривать пропорциональность деформаций и напряжений как один из основных призна ков пластичности превращения.

С практической точки зрения представляет интерес поведение материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под посто янной нагрузкой. Типичная, для указанного случая, кинетика поведения сплава Cu–88,4%Mn, приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11 – Зависимости сдвиговой деформации от температуры в сплаве Cu–88,4ат.%Mn при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов при = 65 МПа [55] Как следует из рисунка, охлаждению всегда отвечает ярко выраженная пла стичность превращения – кривые с четными номерами. В первом такте нагревания можно наблюдать ПОП (кривая 1), которая уже во втором полуцикле нагревания переходит к частичной реализации ЭПФ (кривая 3) и, наконец, начиная с третьего термоцикла, при нагревании всегда наблюдали ЭПФ (кривая 5). Деформация, свя занная с ППП для подобных режимов, как и следовало ожидать, была почти про порциональна величине действующих напряжений, когда последние не превышали некоторого предельного уровня для данного материала (рис. 1.12.).

Рис. 1.12 – Зависимости пластичности прямого превращения в установившихся циклах при термоциклировании под постоянной нагрузкой от величины напряжений для марганцемедных сплавов с содержанием марганца 88,4 (1);

72,2 (2);

62,5 (3) и 52,3%Mn (4) [55] Однако наибольший интерес представляет тот случай, когда напряжения на этапе нагревания больше чем на этапе охлаждения, так как в этом случае возможно производство механической работы [58, 71]. Кинетика протекания мартенситных переходов в последнем случае будет заметно отличаться от тако вой при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под по стоянной нагрузкой. Сказанное подтверждается рисунком 1.13 [55].

Рис. 1.13 – Зависимости деформаций от температуры при термоциклировании под касательными напряжениями при охлаждении и нагревании равными соответственно 12 и 112 МПа, для сплава Cu–62,5%Mn [55] Как следует из рис. 1.13, скачки 2 – 3 и 2* – 3*, а также 4 – 5 и 4* – 5*, отве чают соответственно изотермической разгрузке в аустенитном и догрузке в мартен ситном состояниях. Охлаждению всегда отвечает ППП – кривые 3 – 4 и 3* – 4*, а при нагревании, начиная с некоторого цикла, имеет место возврат деформации – кривая 1* – 2*. Однако в этом случае деформация ППП пропорциональна напряже нию, действующему на этапе охлаждения лишь тогда, когда напряжения, дейст вующие на этапе нагревания, невелики, кривые 1 – 2 на рис. 1.14.

Рис. 1.14 – Зависимости установившихся значений пластичности прямого превращения сплава Cu–62,5%Mn при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов от напряжения – 1, действующего на этапе охлаждения при постоянных значениях напряжений – 2, действующих при нагревании.

Для 2 = 0 (1);

12 (2);

41 (3);

65 (4);

84 (5);

112 (6) и 127 МПа (7) [55] 1.3 Явление памяти формы Под эффектом памяти формы понимается явление восстановления пред варительно заданной неупругой деформации. Восстановление деформации мо жет осуществляться как изотермически (такое явление в материалах с МН, как мы уже отмечали, называется псевдоупругостью), так и при нагревании через интервал ОМП – т. е. в процессе реализации ЭПФ. Ниже в данном параграфе будет рассматриваться, главным образом, возможность восстановления дефор мации при изменении температуры. Эффект памяти может иметь место как в разгруженном состоянии – свободная память, так и в нагруженном состоянии – ЭПФ под нагрузкой. Существует несколько способов формирования ЭПФ.

1) ЭПФ формируется путем сообщения материалу значительной остаточ ной деформации изотермическим путем при различных температурах. ЭПФ, сформированный таким образом, очень сильно зависит от температуры дефор мирования. И выражен, наиболее сильно, после деформирования в мартенсит ном состоянии.

2) Исходное деформирование материала происходит в процессе ППП как при охлаждении через полный, так и неполный интервалы прямого мартенсит ного перехода.

3) Исходное деформированное состояние задается путем термоциклиро вания материала в интервалах мартенситных переходов под нагрузкой, причем термоциклирование можно производить как в полных, так и неполных интерва лах. В современной научной литературе существует достаточно обширный ма териал по всем приведенным выше видам формирования ЭПФ, который достаточно подробно изложен в [1, 104, 105, 127, 128].

На рис. 1.8, в качестве примера проиллюстрирована взаимосвязь дефор маций, связанных с реализацией ЭПФ в свободном состоянии и псевдоупруго стью для тройного сплава Cu–Zn–Sn [132]. Псевдоупругость мартенситной структуры для этого сплава невелика, поэтому возврат деформации при нагру жении незначителен – кривая 2 на рис. 1.8. Однако он может быть инициирован нагревом. Зависимость степени восстановления деформации от температуры изображена кривой 1 на рис. 1.8. При повышении температуры деформирова ния Т АН доминирует псевдоупругий возврат (кривая 2 на рис. 1.8), в силу че го формовосстановление при нагревании в значительной степени подавлено (кривая 1 на рис. 1.8). Отмеченные обстоятельства позволяют рассматривать память формы как нереализованную псевдоупругость.

Особенности реализации ЭПФ в свободном состоянии обусловлены поло жением температуры деформирования относительно ХТМП МН, МК, АН и АК (рис. 1.1). После деформирования в мартенситном состоянии восстановление де формации при нагревании может происходить в несколько стадий. Ниже АН – ус ловно первая стадия возврата, в процессе ОМП (АН Т АК) – условно вторая стадия возврата и выше АК – условно третья стадия [1]. Однако обычно память формы наиболее сильно выражена в интервале ОМП, например: в Ti–Ni [131, 134, 137], Cu–Mn [59, 64, 79], Cu–Zn–Sn [132] и ряде других сплавов [109, 116].

Cхематически процесс реализации ЭПФ в свободном состоянии имеет вид, представленный кривой 1 на рис. 1.15 а, б. При последующем охлаждении материал может вести себя по-разному, например, как это показано кривой 2 на рис. 1.15. а. В этом случае говорят, что имеет место эффект однократной памя ти формы.

Возможен и другой вариант: при последующем охлаждении в интервале МН – МК наблюдается накопление деформации (кривая 2 на рис. 1.15 б). В этом случае мы имеем дело с так называемой многократно обратимой или сокраще но обратимой памятью формы, величина которой задается деформацией – об, причем об всегда меньше П. Последующее нагревание в интервале АН – АК приводит вновь к частичному возврату деформации (кривая 3 на рис. 1.15 б).

Pис. 1.15 – ЭПФ в свободном состоянии:

Зависимость деформации сплава с ЭПФ от температуры во время реализации эффекта памяти формы после пластического деформирования в низкотемпературной фазе (а) и после эффекта пластичности превращения (б) Более подробно поведение материалов в условиях проявления ОПФ будет рассмотрено в следующем параграфе настоящей главы.

1.4 Обратимая (многократно обратимая) память формы металлов в свободном состоянии Эффект обратимой памяти формы может иметь место как в свободном, так и нагруженном состояниях [1]. Рассмотрим ОПФ первого типа. Её можно инициировать различными способами:

а) путем задания предварительной деформации в изотермических условиях;

б) посредством охлаждения через интервал ПМП или термоциклирования в интервалах МП переходов под нагрузкой с последующей разгрузкой в изо термических условиях.

Сведения об ОПФ после изотермического деформирования имеются в ра боте [64]. На рис. 1.16 приведены зависимости деформации от температуры в полуциклах нагревания и охлаждения для сплава Mn–Cu при различном содер жании марганца. Кинетика изменения деформации при охлаждении через ин тервал ПМП, представленная кривыми 2, свидетельствует о том, что в данных сплавах сформирована ОПФ.

Рис.1.16 – Температурные зависимости деформаций в эффектах однократной – (1) и обратимой памяти – (2) после закручивания при 77 К на 3,4% Более подробно этот эффект изучали в работе [60]. На рис. 1.17 показана кинетика реализации ОПФ, сформированной в процессе предварительного тер моциклирования (N = 21 термоцикл) через интервалы мартенситных переходов в нагруженном состоянии ( = 127 МПа).

Рис. 1.17 – Температурные зависимости деформации при термоциклировании сплава с Cu–88%Mn в разгруженном состоянии в первом (1,2);

втором (3,4) и девятнадцатом термоциклах (5,6). Материал предварительно «тренирован» 21 термоцикл при = 127,5 МПа [55] Предварительным термоциклированием была накоплена сдвиговая дефор мация –, равная 68,2%. В состоянии, отвечающем точке А на рис. 1.17, нагрузка была снята, образец продолжали нагревать и охлаждать без напряжения. Во вре мя первого нагрева наблюдали значительный эффект памяти формы (кривая 1), а при охлаждении – деформацию обратного знака (кривая 2). В дальнейшем в ка ждом полуцикле нагрева деформация частично возвращалась (кривая 3), а при охлаждении увеличивалась (кривая 4). После некоторого числа теплосмен про цесс стабилизировался (кривые 5 и 6), но и в этом случае при термоциклирова нии кривые устремлялись вниз, демонстрируя тем самым явление «термоциклического возврата» деформации (сравните положение кривых 3 – 4 и 5 – 6). По мнению авторов [60], в данном случае необратимое формоизменение не следует рассматривать как исключительное свойство, обнаруживающееся только у материалов с эффектом памяти формы, так как оно присуще всем мате риалам, испытывающим фазовые превращения [85], а также и многим другим [80, 81]. Как показано в [85], причина его заключается в одностороннем накоп лении микропластических деформаций, обусловленных многократно возникаю щими межфазными напряжениями.

В целом ОПФ ненагруженного металла оказывается тем выше, чем под большим напряжением металл был подвергнут термоциклированию. На рис. 1.18 приведены зависимости деформаций, связанных с ОПФ, от величины напряжения предварительного термоциклирования для марганцемедных спла вов разного состава. Обращает на себя внимание очень большой эффект ОПФ у сплава с 88ат.%Mn, достигающий 1% после обработки под напряжением 100 МПа и более. Такая величина ОПФ сравнима с обратимой памятью формы у никелида титана.

Pис. 1.18 – Зависимости обратимой памяти формы в разгруженном состоянии сплавов с 52,3 (1), 62,5 (2), 72,2 (3) и 88,4%Mn (4) от напряжения, действующего при предварительном термоциклировании [55] Варьируя режимы обработки сплавов, его состав и напряжение, удается сравнительно простыми приемами сообщить марганцемедным композициям ОПФ более 1,4%. ОПФ такого уровня вполне достаточна для использования сплавов MnCu в многочисленных инженерно-технических задачах.

В работе [76] изучали ОПФ в сплавах Ti–Ni и Ti–Ni–Cu. Выполнены две се рии опытов: в первой серии образцы изотермически закручивали с постоянной скоростью деформирования, равной 510-3с-1, при разных температурах. При тем пературе деформирования ниже МК (рис. 1.19, а, д). В области температур Мн – Мd (рис. 1.19, б, в). При температуре деформирования выше Мd (рис. 1.19, г, е). Как видно из хода кривых деформирование при температуре ниже Мd приводит к то му, что в первом полуцикле нагревания через интервал ОМП наблюдается обыч ный ЭПФ (кривые 1 на рис. 1.19, а, д, б и кривая 2 на рис. 1.19, в). Последующие теплосмены в интервалах МП приводят к возникновению ОПФ (кривые 2 – 4 на рис. 1.19, а, б, и 3 – 4 на рис. 1.19, в). В соответствии с терминологией, предло женной в [1], описанная выше ОПФ называется мартенситной.

Рис. 1.19 – Зависимости деформации – от температуры – Т для Ti–Ni–Cu (а – г) и Ti–Ni (д, е) после задания предварительной деформации – пр ниже МК (а, д), в области МН – М d (б, в) и выше М d (г, е) [76] Если же материал деформировать при Т М d, то при охлаждении будет наблюдаться заметное восстановление деформации при охлаждении, а при на гревании ее накопление (рис. 1.19 г, е), такую ОПФ в соответствии с [1] можно назвать аустенитной.

В [76] показано, что величина ОПФ существенно зависит от температуры деформирования (рис. 1.20).

Рис. 1.20 – Зависимость эффекта обратимой памяти формы при термоциклировании Ti–Ni в интервале 77 – 470 К от температуры деформирования [76] Во второй серии опытов [76] обратимую память изучали при термоцик лировании в разгруженном состоянии после термоцикла нагревание – охлажде ние под нагрузкой или только после охлаждения в нагруженном состоянии. На рис. 1.21 приведены температурные зависимости деформаций для Ti–Ni после полуцикла охлаждения от 470 до 290 К при = 200 МПа, либо после нагревания – охлаждения в интервале температур 290 – 470 К под напряжением 50 МПа.

Рис. 1.21 – Явление обратимой памяти формы при термоциклировании Ti–Ni в разгруженном состоянии после нагрева и охлаждении в интервале 290 – 470 К под напряжением 50 МПа (1,2) или только после охлаждения под напряжением 200 МПа (3,4) [76] После указанной процедуры возникает отчетливо выраженная ОПФ. Наи более интенсивно она проявляется, как и в рассмотренных ранее случаях, во время мартенситных превращений. При охлаждении происходит накопление де формации в сторону предварительной (кривые 1 и 3), а при нагреве – ее возврат (кривые 2 и 4). Аналогичное поведение было обнаружено и для сплава Ti–Ni–Cu.

1.5 Обратимая память формы, реализуемая в нагруженном состоянии (циклическая память формы) Обратимую память формы можно инициировать путем термоциклирова ния материала через интервалы мартенситных переходов в нагруженном со стоянии. ОПФ, инициированную пластичностью прямого превращения в марганцемедных сплавах, изучали в [60]. В качестве объектов исследования были выбраны литые марганцемедные сплавы с содержанием марганца от 52 до 88ат.%Mn. В них, как известно [138], протекают обратимые ГЦК ГЦТ – превращения, которые сопровождаются всеми известными явлениями мартен ситной неупругости [55, 57, 59, 64, 93, 139].

Все опыты выполнены в условиях кручения на сплошных цилиндриче ских образцах с длиной и диаметром рабочей части соответственно 30 и 4 мм.

Кинетика формирования обратимой памяти формы в результате термо циклирования под нагрузкой через интервалы температур ГЦК ГЦТ– превращений показана на рис. 1.11. Видно, что первый нагрев из ГЦТ в ГЦК фазу (кривая 1) вызывает пластичность обратного ГЦТ ГЦК – перехода. По следующее охлаждение под тем же напряжением также сопровождается зна чительной пластичностью ГЦК ГЦТ – перехода (кривая 2).

Если образец нагреть повторно (кривая 3), будет наблюдаться деформа ция обратного (по сравнению с первым нагревом) знака, т. е. пластичность ГЦТ ГЦК – превращения сменится эффектом памяти формы. В некоторых случаях эффект памяти формы начинает формироваться не во втором, а лишь через несколько циклов. Пластичность же прямого превращения при этом все гда имеет место с самого начала (кривые 2, 4 и т. д.). После достаточно большо го числа теплосмен процесс стабилизируется, и металл демонстрирует отчетливо выраженный ОПФ, такой, как показано на рис. 1.11 (кривые 5 и 6).

В целом во всех случаях термоциклирование через интервалы мартенсит ных переходов в нагруженном состоянии приводило к заметному возрастанию величины обратимой деформации с числом теплосмен. В качестве примера на рис. 1.22 приведено влияние числа термоциклов на возникающую при нагреве деформацию ОПФ для сплава Cu–62,5%Mn.

Рис. 1.22 – Зависимости деформации, обусловленной ОПФ от числа теплосмен при термоциклировании под постоянными напряжениями:

65 (1), 84 (2) и 127 МПа (3) [55] Как видно из хода кривой – 3, термоциклирование может приводить к смене знака деформации, реализуемой при нагревании, т.е. к переходу от ПОП к ОПФ.

Из рис. 1.23 видно, как величина ОПФ, достигаемая после большого числа циклов, зависит от приложенного напряжения. Для большинства марганцемедных сплавов на этой зависимости обнаруживается максимум вблизи 80 – 100 МПа.

Рис. 1.23 – Зависимости установившегося значения обратимой памяти при нагревании в режиме термоциклирования под постоянной нагрузкой от действующего напряжения. Для содержания марганца: 52,3 (1);

62,5 (2);

72,3 (3) и 88,4%Mn (4) [55] ОПФ в сплавах Ti–Ni и Ti–Ni–Cu изучали в работе [76] следующим обра зом. Сплав Ti–Ni термоциклировали от 290 до 510 К под напряжением = 300 МПа, а сплав Тi–Ni–Cu от 77 до 510 К при = 100 МПа. Результаты экс периментов представлены на рис. 1.24.

Рис. 1.24 – Эффект многократнообратимой памяти в Ti–Ni при термоциклировании под напряжением 300 МПа [76] Здесь также характерно то, что, начиная со второго цикла, на этапе нагре вания наблюдается восстановление деформации, а на этапе охлаждения, как и следовало ожидать, наблюдается пластичность прямого превращения. Обраща ет на себя внимание незамкнутость термомеханического гистерезиса, что нахо дится в соответствии с ранее известными данными работы [89] для Ti–Ni–Cu.

Установлено, что незамкнутость термомеханического гистерезиса тем больше, чем выше величина действующих напряжений, и уменьшается она по мере циклирования. Величина деформации ОПФ (оцениваемая в данном случае по возвращаемой при нагреве деформации) постепенно возрастала с числом цик лов N и достигала насыщения при N 6 – 10.

Кроме того, в научной литературе имеется достаточно обширный матери ал, посвященный экспериментальным исследованиям ЦПФ при термоциклиро вании в неполных температурных интервалах.

В целом, поведение материалов в этих условиях аналогично описанному выше, о чем свидетельствует ряд работ [104, 105, 127-129].

1.6 Мартенситная неупругость материалов, инициированная сложными температурно-силовыми условиями нагружения В [6] изучали поведение сплавов Тi–Ni эквиатомного состава и Ti–46ат.%Ni–3,5ат.%Cu при последующем нагревании через интервал обратно го мартенситного перехода после одностороннего ортогонального деформиро вания кручением и растяжением в мартенситном состоянии. Использовали сплошные цилиндрические образцы с длиной и диаметром рабочей части соот ветственно 26 и 4 мм. Температуры МП составляли МН = 320 К, МК = 275 К, АН = 320 К и АК = 375 К для бинарного сплава;

для тройного МН = 325 К, МК = 310 К, АН = 360 К и АК = 390 К. ХТМП были выбраны так, что первый сплав при комнатной температуре находился в двухфазном состоянии, а второй – в мартенситном. Образцы из исследуемых материалов подвергали кручению, затем растяжению или сначала растяжению, а потом кручению. Кроме того, варьировали величины остаточных деформаций сдвига – и осевой –.

Основные результаты экспериментов представлены на рис. 1.25 – 1.26. Из хода кривых (рис. 1.25) следует, что восстановление деформации, как при кру чении, так и при растяжении до некоторого момента идет синхронно. Затем кручение прекращается, а продольная деформация продолжает убывать.

Рис. 1.25 – Температурные зависимости возврата деформаций – (1) и (2,3) в сплаве TiNiCu после предварительного сложного деформирования:

(1,2) – растяжение на 3,75% и последующее кручение на 3,45% при комнатной температуре;

(3) – растяжение на 1,9% при 295 К и последующее кручение на 3% при 77 К [6] Качественно аналогичное поведение имело место для всех, задаваемых в опытах деформаций и, независимо от последовательности предварительного деформирования. На рис. 1.26. в пространстве – представлены траектории восстановления деформации после сложного нагружения при Т = 297 К (кри вая 1). Кривая ABC отвечает кривым 1, 2 на рис. 1.25. Из рис. 1.26 видно, что траектория возврата деформации не зависит существенно от пути деформирова ния. Восстановление деформации происходит путем одновременного раскручи вания и сжатия (участок AB на кривой 1).

Наряду с пропорциональным участком восстановления деформации – AB часто наблюдали горизонтальный участок – BC, который, по мнению авторов [6], связан с неравномерностью прогрева образца по сечению.

Иная картина наблюдалась, когда температуры деформирования при раз ных видах предварительного нагружения существенно различались. Траектория восстановления деформации в пространстве – в этом случае имела разный ха рактер. В частности: после растяжения при комнатной температуре и последую щего кручения при 77 К (кривая 4 на рис. 1.26) раскручивание происходило в две стадии: частично еще в мартенситном состоянии, а частично в процессе обратно го превращения (кривая 3 на рис. 1.25). Восстановление формы в указанном ре жиме происходило по траектории, представленной кривой 4 на рис. 1.26. Она отличается от кривой 1 наличием начального участка А1 – А1*, отвечающего де формированию в низкотемпературной фазе. Далее идет восстановление дефор маций по траектории А1*В1С1, качественно сходной с траекторией АВС.

Рис. 1.26 – Последовательность накопления и возврата деформации – и в сплаве Ti–Ni–Cu;

(1,4) – путь возврата деформации (1 – растяжение и кручение при комнатной температуре, 4 – растяжение при 295 К, затем кручение при 77 К);

(2,3,5) – путь предварительного нагружения [6] В другой серии опытов исследовали формирования эффекта реверсивной памяти формы при различных режимах нагружения [1].

В работах [1, 74, 75, 123] показано, что для формирования в материале реверсивного формоизменения необходимо, чтобы величины деформаций, со общаемых металлу в различных направлениях, должны быть приблизительно равны друг другу. В них же отмечено, что характер восстановления деформа ции в процессе обратного мартенситного перехода определяется термосиловым режимом задания предварительной деформации.

На рис. 1.27,а представлен эффект реверсивной памяти формы (ЭРПФ) (кривые 3 – 4). Этот эффект сформирован следующим образом: Материал ох лаждали в интервале МН – МК под нагрузкой (кривая 1), далее при t = 40 оС его нагружали в противоположную сторону и охлаждали под той же нагрузкой (кривая 2) до мартенситного состояния и после чего разгружали при температу ре близкой к 0оС. Сравнение кривых 1 и 2 с кривыми 3 и 4 показывает, что в начале возвращается деформация, отвечающая стадии ее накопления вдоль кривой 2. Затем наступает изменение знака деформации (кривая 4). На этом этапе происходит частичное восстановление деформации, накопленной при ох лаждении вдоль кривой 1.

Второй пример приведен на рис. 1.27, б. Здесь была осуществлена та же схема нагружения, с той лишь разницей, что охлаждение произвели до t = –196 0 С. Как видно из рисунка, такое изменение режима деформирования привело к тому, что последовательность восстановления деформации измени лась на противоположную.

Рис. 1.27 – Эффект реверсивной памяти формы (3, 4) у никелида титана в зависимости от предварительной обработки в соответствии с кривыми (1,2) [1] Третий пример представлен кривыми на рис. 1.27, в. В этом случае мате риал сначала охладили до температуры кипения жидкого азота, чему соответст вует ППП (кривая 1). Затем накопленная деформация была почти полностью подавлена активной деформацией обратного знака (кривая 2). Кривые 3 и 4 ил люстрируют характер восстановления деформации при нагревании. Здесь так же наблюдается отчетливый реверс формовосстановления.

ЭРПФ можно инициировать и другими способами, например: двухэтап ным активным деформированием в мартенситном состоянии сначала при одной температуре, а затем деформированием обратного знака при более низкой тем пературе. Установлено также, что реверсивное формовосстановление можно инициировать и знакопеременным закручиванием в мартенситном состоянии.

По мнению авторов [1] для того, чтобы инициировать ЭРПФ, необходимо задавать при прямом и обратном нагружении приблизительно равные по вели чине деформации 1 и 2. Если одна из них существенно превышает другую, то возникает лишь обычный односторонний ЭПФ. Аналогичные результаты и вы воды получены и в работах [73-75].

Авторы [1] считают, что ЭРПФ связан с чрезвычайно сложными наслед ственными свойствами металлов [73, 78].

1.7 Способы производства механической работы с помощью мартенситных двигателей В ряде работ [60, 76] показано, что при термоциклировании материалов с ОМП через интервалы мартенситных переходов формируется эффект много кратнообратимой памяти формы. Если осуществлять нагрев при больших меха нических напряжениях, чем охлаждение, естественно ожидать, что в процессе такого механического термоцикла можно получить положительную механиче скую работу, т.е. подобное термомеханическое устройство может выступать в роли мартенситного преобразователя тепловой энергии в механическую работу.

Принципиально возможно два различных типа преобразователей тепло вой энергии в механическую работу (мартенситных двигателей).

1) Мартенситные двигатели, функционирующие при условии жесткого за дания диапазона изменения механических напряжений. Понятно, что в этом слу чае диапазон изменения деформаций, в силу, например, явления ТП, будет изменяться от цикла к циклу. Условно такой режим назовем «мягким режимом».

2) Мартенситные двигатели, действующие при условии жесткого зада ния диапазона изменения деформаций. Такой режим будем называть «жест ким режимом».

Экспериментальные модели преобразователей тепловой энергии в меха ническую работу в условиях «мягкого режима» изучались в работах [58, 71]. В работе [58] изучали поведение медно-марганцевых сплавов с содержанием мар ганца соответственно 52,3%, 62,5%, 72,2% и 88,4%Mn. Все опыты выполнены в режиме кручения на сплошных цилиндрических образцах по методике, изло женной в [57]. Опыты осуществляли следующим образом: к напряжению 0, ос тававшемуся постоянным на всех этапах термоциклирования в полных интервалах мартенситных переходов, в полуцикле нагрева добавляли различ ные по величине напряжения.

Возникающая на этапе охлаждения под напряжением 0, а также при по следующей догрузке в мартенситном состоянии деформация инициировала при обратном превращении ЭПФ, вызывающий деформацию П. Затем материал разгружали в аустенитном состоянии и вновь продолжали термоциклирование.

В результате за весь термоцикл совершалась полезная механическая работа, ко торую оценивали в следующем приближении:

А = П ( М А ) / 2, (1.1) где М, А – сдвиговая деформация при изотермических догрузках в мартенсит ном состоянии и разгрузках в аустенитном состояниях.

В большинстве случаев второе слагаемое в этом выражении было незна чительным, поэтому полезную механическую работу оценивали так:

A = п. (1.2) Опыты показали, что работа, совершаемая за один тепловой цикл, по ме ре термоциклирования постепенно увеличивалась. Она достигала максимально го и далее независящего от числа циклов значения, начиная с некоторого NКР числа перемен температуры. Для сплавов разного состава и условий экспери мента величина NКР была различной. В целом она возрастала с увеличением содержания марганца и напряжений. Максимально зафиксированное значение NКР составляло 30-35 циклов. На этом термоциклическом промежутке работа А могла возрасти в несколько раз, а в некоторых случаях даже изменить знак, ес ли в первом цикле она была отрицательной. На рис. 1.28 приведены характер ные кривые зависимостей работы А от числа циклов N.

Рис. 1.28 – Зависимость удельной работоспособности от числа термоциклов для сплавов Cu–62,5%Mn при 0 = 12 МПа и =115 МПа (1);

Сu–72,2%Mn при 0 = 12 МПа и = 115 МПа (2);

Cu-88,4%Mn при 0= 41МПа и =71 МПа (3);

Cu–52,2%Mn при 0 = 0 и = 151 МПа (4) [58] В дальнейшем, в данном параграфе, в качестве характеристики работоспособности сплавов использовали только максимальное значение работы, достигаемое после большого числа теплосмен.

На рис. 1.29, а, б изображены зависимости полезной работы, совершаемой разными сплавами, от напряжения при различных напряжениях 0. Отличи тельной особенностью кривых на рис. 1.29 является почти пропорциональная зависимость между А и. Из этого следует, что работоспособность материала тем выше, чем больше.

Рис. 1.29 – Зависимости удельной работоспособности от для Cu–62,5%Mn (a) и Cu–88,4%Mn (б) при значениях 0: 12(), 41( ),065() и 84 МПа(•)[58] Следовательно, максимальная работоспособность материала ограничена значением кр = + 0, где кр – реальный предел прочности при термоциклиро вании через интервалы мартенситных переходов в данных режимах.

Естественно предположить, что максимальная работоспособность мате риала тем выше, чем больше или, что равносильно, чем меньше 0. На рис. 1. изображена зависимость максимальной работоспособности материла от 0, при выполнении условия + 0 = кр (кр = 130 МПа).

Отметим, что при малых значениях 0 основным фактором, инициирующим ЭПФ, является уже не пластичность прямого превращения, получаемая при дей ствии напряжения 0, а активная деформация мартенситной фазы, возникающая при наложении напряжения. Подобные исследования были проделаны на сплаве Ti–Ni [72] и были получены аналогичные результаты, с той лишь разницей, что максимальная работоспособность никелида титана оказалась примерно в 10 раз выше. В [94] изучали работоспособность сплава Cu–Al–Mn в «мягком режиме на гружения» при кручении и растяжении, и было доказано, что в первом и во вто ром случаях достигается максимальная работоспособность, равная 10-11 МДж/м3.

Рис. 1.30 – Зависимости максимально возможной работы в установившемся режиме от напряжения 0 для Cu–62%Mn (1) и Cu–88,4%Mn (2) при условии выполнения соотношения 0 + = 151 МПа (1) и 0 + =127 МПа (2) [58] Выше говорилось о производстве механической работы при термоцикли ровании материала через полные интервалы мартенситных переходов под раз ными напряжениями на этапах нагревания и охлаждения. Причем, отмечалось, что для производства положительной механической работы необходимо, чтобы напряжение на этапе нагревания было больше, чем на этапе охлаждения. Однако, для производства механической работы нет необходимости термоциклировать материал в полных температурных интервалах. Ниже приводятся эксперимен тальные данные по определению работоспособности сплава Cu–62,5%Mn при циклировании в неполных интервалах [56].

Опыты выполняли в условиях кручения. Образцы нагружали напряжени ем Н при некоторой минимальной температуре термоцикла Тmin, нагревали до максимальной температуры этого цикла Tmax (Tmax – Tmin = T), а затем охлаж дали до Tmin под напряжением. Указанную процедуру термоциклирования со средней температурой цикла T0 = (Tmax+Tmin)/2 выполняли многократно до уста новления деформационного режима, не зависящего от числа теплосмен. Харак теристические температуры мартенситных переходов составляли AH = 380 К, AK = 400 К, MH = 365 К, MK = 310 К. Как показал опыт, при нагревании через интервал обратного мартенситного перехода всегда происходил возврат дефор мации П, т. е. наблюдался ЭПФ, а при охлаждении через интервал прямого мартенситного превращения всегда инициировался эффект пластичности пре вращения, т. е. ЭПП, если 0 0, или ДОП, если 0 = 0. Работоспособность спла ва в режиме производства полезной механической работы оценивали по формуле:

G м GA А = ( п + ), (1.3) 2G мGА где = Н – 0, GM, GA – эффективные модули сдвига соответственно мартен сита и аустенита.

Как и следовало ожидать, работоспособность зависела и от T0, и от Т.

На рис. 1.31 приведен пример, иллюстрирующий влияние T0 на работу А для сплава Cu–62,5%Mn в условиях производства механической работы (охлажде ние под напряжением 50 МПа, а нагрев при 150 МПа).

Как видно из хода кривых, работоспособность принимает максимальное значение при T0 400 К. С увеличением интервала термоциклирования Т ра ботоспособность медномарганцевых сплавов растет, о чем свидетельствует сравнение кривых 1-5 на рис. 1.31. В работе [56] установлено, что аналогичные в целом закономерности демонстрирует и сплав Ti–Ni–3,2ат.%Cu. Однако отли чие в поведении сплавов Cu–Mn и Ti–Ni–Cu заключалось в том, что в первом случае при стремлении интервала термоциклирования Т к нулю работоспо собность стремилась к нулю, а во втором, уже при Т = 30 K, работоспособ ность уже принимала нулевое значение.

Рис. 1.31 – Зависимость полезной работы сплава Cu–62,5%Mn от T0 – средней температуры цикла при охлаждении под напряжением 50 МПа и нагреве под напряжением 150 МПа для Т =10 (1);


20 (2);

40 (3);

80 (4) и 120 МПа (5) [56] Более подробно влияние величины T на работоспособность сплава, та кого как, Ti–46,8ат.%Ni–3,2ат.%Cu изучали в работе [72], выполненной в усло виях кручения. На рис. 1.32 представлена величина работы, совершаемой в полуцикле нагрева, как функция интервала нагревания (А = п, где – напря жение, п – деформация, восстанавливаемая при нагревании).

Рис. 1.32 – Зависимости удельной работы, реализуемой в полуцикле нагревания, от величины интервала термоциклирования под напряжением 200 МПа при средней температуре цикла 350 (1), 320 (2) и 380 К (3) [72] Из рисунка видно, что работа может совершаться металлом только при перепаде температуры Т 30 К. Это связано с тем, что в никелиде титана и в сплавах на его основе ширина гистерезиса мартенситного перехода составляет 30-50 К, а при Т меньше этой величины, либо прямой, либо обратный переход отсутствуют (не дают деформационного эффекта).

В указанной работе также проводилась оценка предельно возможного значения коэффициента полезного действия как КПД цикла Карно = T/ Tmax, осуществляемого в том же температурном интервале, что и рабочий цикл.

Термический КПД реального термодинамического цикла оценивали как:

Т = АН / (с Т + q), (1.4) где с – средняя удельная теплоемкость в интервале температур Т, q – cкрытая теплота мартенситного превращения. При этом полагали с = 500 Дж/(кг·K), q = 25 Дж/кг. Зависимости C и T от величины интервала температуры T представлены на рис. 1.33, а.

Далее определяли степень совершенства произвольного рабочего цикла согласно формуле i = T/ C. Зависимости i от T представлены на рис 1.33, б, из которого видно, что на этих зависимостях имеется максимум при Т = 80 K.

По мнению авторов [59], увеличение интервала температур свыше 80 К либо не изменяет i, либо приводит к его снижению. Подобные закономерности были подтверждены и для сплава Cu–Al–Mn [94].

Рис. 1.33 – Зависимости КПД цикла Карно (1-3), термического (4-6) и относительного КПД (1-7) интервала термоциклирования при средних темпрературах цикла – T0, равных 290 (8), 320 (1,5,9), 350 (2,4,7) и 380 К (3,6,10) [72] Исследование работоспособности сплава ТН-1 в «жестком режиме» на гружения проводили в работе [82]. Испытания осуществляли следующим обра зом: сдвиговую деформацию задавали согласно кинетике, представленной на рис. 1.34, б, при этом касательные напряжения менялись по схеме рис. 1.34, а.

В – координатах указанный режим – представлен на рис. 1.34, в.

Рис. 1.34 – Проекции экспериментальной диаграммы на – T, – T, – плоскости [82] Данные работы [140] свидетельствуют о том, что в таком термоцикле воз можно получить положительную механическую работу, равную 17 МДж/м3. Более подробно аналогичные исследования работоспособности никелида титана выпол нены в [83]. В ней, в частности, показано, что при использовании «жесткого ре жима» для производства механической работы максимальная работоспособность достигается при использовании симметричных циклов (в – координатах).

В последние годы продолжено названное направление авторами [84, 99, 100]. Где, например в [84, 100], экспериментально показано, что не все композиции Ti–Ni–Cu пригодны для использования их в качестве рабочих тел мартенситных двигателей. Самым неэффективным, в смысле работоспо собности, оказался сплав с повышенным содержанием меди Ti–Ni–19%Cu, а наиболее работоспособными отмечены сплавы Ti–50%Ni, Ti–Ni–3%Cu.

В работе [99] приведен литературный обзор основных научных работ, по священных исследованию работоспособности мартенситных двигателей. По мне нию авторов, указанной работы, проблема мартенситного энергопреобразования тепла далека от своего окончательного завершения. Не изучены циклы Карно или близкие к ним. Практически отсутствуют данные о преобразовании тепла в меха ническую работу в изделиях, имеющих значительные градиенты температур по объему рабочего тела. Авторы [99] так же считают, что не всякий сплав, обладаю щий выраженным эффектом, может служить рабочим телом тепловой машины.

1.8 Влияние термомеханической обработки на свойства мартенситной неупругости сплавов Влияние термоциклирования и термомеханической обработки на эффект ОПФ в Ti–Ni изучали в [88, 124-126]. В [88] выполнено исследование эффекта ОПФ в условиях одноосного растяжения сплава Ti–Ni c характеристическими температурами мартенситных переходов (ХТМП) соответственно МН = 28, МК = 5, АН = 32, АК = 50 и TR = 45 °C. Сплав подвергался следующей термооб работке: отжиг при температуре 900 °C в течении трех часов с охлаждением в воде. Испытания на растяжение выполняли на универсальной разрывной ма шине ДУ-19, снабженной нагревателем.

Опыты осуществляли на образцах с длиной и диаметром рабочей части и 5 мм соответственно. Образцы пластически деформировали в изотермических условиях до = 3-20 % в интервале температур Tдеф = 26-150 о С. Основные ре зультаты экспериментов представлены на рис. 1.35, рис. 1.36.

На рис. 1.35 приведены зависимости обратимой деформации – обр от фор мирующей деформации – пл.

Из рис. 1.35 видно, что эффект обратимой памяти формы монотонно воз растает с ростом формирующей деформации, не выходя на насыщения по при чине разрушения образцов [88].

Рис. 1.35 – Зависимость обратимой деформации от формирующей при температуре деформирования 26°С (1);

70°C (2) [88] Существенно отметить, что величина обратимой деформации уменьша лась в процессе последующего термоциклирования под нагрузкой, выходя по истечении некоторого числа циклов на насыщение (рис. 1.36). Характерно то, что обратимая деформация могла изменять знак в процессе термоциклирования (кривая 2 на рис. 1.36). Для выяснения причины изменения величины и знака ОПФ в [88] выполнили термоциклирование недеформированного образца (кри вая 3 на рис.1.36). После 70 термоциклов была получена обр = 0,6%.

Аналогичные результаты по исследованию поведения никелида титана при термоциклировании в условиях растяжения были получены и в [124].

Рис. 1.36 – Изменение обратимой деформации при термоциклировании:

1 – Tдеф= 26°C;

пл = 6,5%;

2 – Tдеф = 26°C, пл = 3%;

3 – пл = 0 [88] Наиболее подробно влияние термомеханической обработки на эффект ОПФ изучали в работах [125, 126]. В них исследовали влияние термомеханиче ской обработки на «отрицательный» эффект ОПФ в трех взаимно перпендикулярных направлениях (параллельно и перпендикулярно направле ниям прокатки, в плоскости прокатки и перпендикулярно плоскости прокатки).

Было установлено, что для практического использования целесообразно ис пользовать эффект ОПФ, возникающий непосредственно в результате высоко температурной термомеханической обработки (ВТМО), не пытаясь его увеличить при помощи дополнительной деформации [126].

Влияние ВТМО на структуру и свойства сплавов на основе никелида титана изучали в работах [117-120]. Кроме того, в [120] приведены данные эксперимен тальных исследований о влиянии низкотемпературной механической обработки (НТМО) на указанные свойства. Иccледовали сплавы Ti–47%Ni–3% Fe с темпера турным интервалом мартенситных превращений (ТИМП) ниже 0°С, Ti–50,0%Ni, имеющий после контрольной закалки от 900°С в воде следующие ХТМП:

МН = 68°С, МК = 55°С, АН = 86°С, АК = 98°С;

Ti–50,7%Ni c ТИМП после закалки ниже Ткомн;

Ti–46% Ni–3,6%Cu c ТИМП 50-90°С. ВТМО осуществляли деформа цией прокаткой в интервале температур 500-100°С со степенями деформации 50 и 30% и средней скоростью деформации 5 с-1, охлаждение в воде. НТМО в сплаве Ti-50,0%Ni проводили деформацией прокаткой 17-26% при температурах: 90°С (в интервале МД – МН) и 25°С (ниже МК). Эффект памяти формы после ВТМО и НТМО задавали растяжением на испытательной машине.

Выяснилось, что ВТМО оказывает существенное влияние на свойства ни келида титана и его сплавы. Например, ВТМО сплава титан – никель – железо, с прямым В2 R B19 превращением, повышает предел текучести аустенита при неизменной пластичности: горячий наклеп, выполненный в аустените, по вышает предел текучести в 1,5-2,5 раза. ВТМО существенно повышает реак тивное напряжение по сравнению с контрольной закалкой рис. 1.37.

Исследование усталостной долговечности при многократной реализа ции ЭПФ в условиях термоциклирования под напряжением проводили в сплавах Ti–Ni и Ti–Ni–Cu [120]. Показано, что деформационное упрочнение повышает усталостную долговечность сплавов при многократной реализации ЭПФ в 5-10 раз.

ВТМО также приводит к возникновению дилатометрической аномалии – анизотропии дилатометрических эффектов в ТИМП сплава титан-никель, которые подробно рассматривались в [120].

Рис. 1.37 – Зависимость реактивного напряжения от температуры деформирования в цикле ВТМО, (к. з. – контрольная закалка, Р – выдержка после деформирования при 1000°С 1мин) [120] Согласно [120], влияние ТМО на физико-механичекие свойства материа лов с ОМП могут быть сведены к следующему [120]:

1) Термомеханичекая обработка (ВТМО и НТМО) позволяет регулиро вать ТИМП и существенно повысить деформационные свойства сплавов титан никель с памятью формы (однократной и обратимой).

2) ТМО повышает усталостную долговечность сплавов на основе никели да титана в условиях многократной реализации ЭПФ.

3) Инициированный при термической и термомеханической обработках обратимый ЭПФ накладывается на прямой и обратный эффекты памяти формы, обусловленные деформированием после ВТМО.

4) ВТМО приводит к возникновению дилатометрических аномалий (ани зотропии дилатометрических эффектов) в температурном интервале МП. Тер моциклирование через интервал МП приводит к усилению этих эффектов и их стабилизации после первых несколько циклов.

5) НТМО сплава Ti–50%Ni c деформацией в интервале МД – МН и ниже точки МК приводит к резкому расширению температурного интервала обратно го МП.

6) При нагреве после НТМО, включающей деформацию в интервале МД – МН, наблюдаются два последовательных анизотропных дилатометрических эффекта об ратного МП с разными типами анизотропии: первый полностью обратимый в интер вале 50-120°С, второй, необратимый, существует до температуры 400°С и выше НТМО с деформацией ниже точки МК и в интервале МД – МН.

7) Одной из причин расширения обратного мартенситного превращения в результате НТМО является возникновение термически стабильной группиров ки кристаллов мартенсита, принадлежащих одной текстурной компоненте де формационного мартенсита.

8) Эффект памяти формы, наведенный активной деформацией после НТМО реализуется при нагреве в том же, существенно расширенном, интерва ле температур. Максимальная восстанавливаемая деформация при этом превы шает 8%, а степень восстановления формы – 70%.

Выводы по главе I На основе краткого ретроспективного анализа литературных данных о по ведении материалов в условиях проявления МН показано, что основные свойства МН такие, как ЭПФ, ОПФ, ППП, ЦПФ, достаточно подробно изучены для широ кого класса сплавов на основе Ti–Ni, Cu–Al–Mn, Cu–Mn, Cu–Zn. Однако, подав ляющее большинство экспериментальных результатов, посвященных указанной проблеме, получено для простых видов нагружения – растяжение или кручение.

В литературе представлено явно недостаточное количество данных о поведении материалов в условиях проявления мартенситной неупругости, инициированной сложными температурно-силовыми условиями нагружения. В связи с этим воз никает самостоятельная проблема проведения систематических эксперименталь ных исследований и аналитического описания:

• свойств обратимого формоизменения сплавов при термоциклировании под нагрузкой и в свободном состоянии;

• явлений и свойств МН в условиях проявления ЦПФ при сложном напря женном состоянии, влияние вида напряженного состояния и предвари тельной термоциклической предыстории на характеристики ЦПФ и работоспособность материалов;

• деформационных эффектов в сплавах с мартенситной неупругостью при изотермическом деформировании материалов при механоциклировании.

В теоретическом плане целесообразно разработать методы аналитическо го описания поведения материалов в условиях проявления мартенситной неуп ругости при различных термосиловых режимах нагружения.

Глава 2. Постановка научной проблемы и методика экспериментальных исследований Во второй главе обозначены основные направления экспериментальных и теоретических исследований, а именно изучение:

• эффектов обратимого формоизменения при термоциклировании под на грузкой и в свободном состоянии;

• свойств МН в условиях проявления ЦПФ при сложном напряженном со стоянии;

• деформационных эффектов в сплавах с мартенситной неупругостью при изотермическом деформировании материалов.

• создание математической модели для описания явлений обратимого фор моизменения материалов с эффектом памяти формы при термоциклиро вании под нагрузкой, в том числе и после предварительной термоциклической обработки.

Кроме того, тщательно описана методика выполнения эксперименталь ных исследований.

2.1 Основные направления исследований Одной из важнейших проблем механики деформируемого твердого тела является задача связи тензоров напряжений – ik и деформаций – ik в лабора торном базисе [26, 141-143,]. Известно, что предел текучести, кривые деформи рования и ползучести определяются последовательностью изменения компонент тензора напряжений, т. е. траекторией нагружения материала. Даль нейшее деформационное поведение зависит от того, каким путем и к какому виду напряженного состояния металл был приведен в результате нагружения [24, 144, 145].

Проблема взаимосвязи напряжений и деформаций особенно важна в ма териалах с памятью формы. Здесь ситуация усложняется тем, что непростые силовые режимы дополняются, как правило, сложными температурными воз действиями. Подавляющее число исследований поведения материалов в усло виях проявления мартенситной неупругости выполнено при простых видах напряженного состояния – кручение, растяжение [45].

Однако немногочисленные публикации свидетельствуют о том, что на характер реализации явлений мартенситной неупругости оказывают влияние:

характер предварительного деформирования материалов [73, 74, 123, 146, 147], траектория нагружения [6], предварительная термоциклическая тренировка [148], вид напряженного состояния [149]. Перспективы использования совре менных технологий с применением свойств мартенситной неупругости требуют знания свойств материалов, работающих в сложных функциональных условиях.

Например, при сложном напряженном состоянии или же когда предварительная деформация задается сложным температурно-силовым путем.

Сказанное ставит проблему исследования механического поведения ма териалов при сложных температурно-силовых воздействиях в условиях прояв ления мартенситной неупругости в самостоятельное научное направление МДТТ, которое требует постановки серии самостоятельных задач, ориентиро ванных на выполнение систематического всестороннего экспериментального и теоретического исследования в следующих экспериментальных направлениях:

1) Исследование эффектов обратимого формоизменения материалов при термоциклировании под нагрузкой и в свободном состоянии. Влияния предварительной термомеханической обработки на эффекты ОФИ.

2) Исследование эффектов мартенситной неупругости в условиях проявле ния ЦПФ при сложном нагружении. Здесь предполагается изучение таких явлений, как эффект памяти формы, пластичности прямого превращения и термоциклической ползучести в условиях реализации циклической па мяти формы при сложном напряженном состоянии.

3) Изучение поведения материала в условиях производства механической работы. Исследование влияния вида напряженного состояния и предвари тельной термоциклической предыстории на характеристики ЦПФ, рабо тоспособность материалов и скорость термоциклической ползучести.

4) Исследование деформационных эффектов в сплавах с мартенситной не упругостью при изотермическом деформировании материалов, при орто гональном нагружении и при механоциклировании. Изучение эффектов осевого деформирования при изотермическом кручении материалов с ка налами мартенситной неупругости.

5) В теоретическом плане необходимо было создать феноменологическую модель, позволяющую аналитически описывать эволюцию обратимого формоизменения материалов с эффектом памяти формы при термоцикли ровании под нагрузкой, в том числе и после предварительной термоцик лической обработки.

2.2 Методика экспериментальных исследований С целью осуществления экспериментальной части настоящей работы бы ла спроектирована и изготовлена специальная установка [54]. Она позволяла как одновременно так и по отдельности, сообщать образцу постоянные во вре мени растягивающие или сжимающие усилия до 5000 Н и крутящий момент до 5 Hм. Кроме того, в некоторых опытах к установке подключали редуктор, по зволяющий закручивать образцы со скоростями сдвиговых деформаций = 4·10-5-2,5·10-2 с-1. Схема установки представлена на рис. 2.1.

Образец 1 правым концом закреплен с помощью двух винтов в захвате 2, жестко соединенной с правой опорой 3. Левый конец образца таким же образом закреплен в конце вала 4, имеющего возможность свободно вращаться и пере мешаться в осевом направлении в подшипниках опор 5. Крутящий момент пе редается через шкив 6, жестко закрепленный на валу шпоночным соединением, на котором намотана прочная нить 7 с подвешенным на конце грузом 8. При этом предусмотрена возможность изменения направления закручивания. В слу чае необходимости шкив 6 соединяли при помощи ременной передачи с редук тором, что обеспечивало вращение шкива 6 с постоянной угловой скоростью.

Осевую нагрузку создавали следующим образом. К нижнему концу троса 9, сходящему со шкива 10, подвешивали груз 11. При этом в тросе 12, намотан ном на ось 13, возникало растягивающее усилие. Оно передавалось к образцу через нагрузочную раму 14, шарик 15 и нагрузочную раму 16, соединенную резьбой с валом. При сжатии 12 крепили с нижним концом рычага 17, насажен ного на ось 18, установленную в двух опорах 19. Верхний конец рычага через шарик 20, раму 16 и вал передавал сжимающую силу образцу. Закрепленная на верхнем торце 17 вилка 21 препятствовала повороту рамы 14.

Угол закручивания образца определяли по показаниям шкалы 22 измери тельного устройства. Индикатором часового типа 1 ИГМ 23 определяли осевое перемещение торца вала, позволяющее подсчитать продольную деформацию образца.

Нагрев производили электропечью 24. Температуру в процессе экспери мента регистрировали при помощи милливольтметра М 253, подключенного к хромель-капелевой термопаре, спай который подсоединяли к рабочей части об разца.

Испытывали цилиндрические образцы с длиной и диаметром рабочей части 33 и 4 мм. Oбразцы, выполненные из CuAlMn, имели длину и диаметр соответственно 18 и 3 мм.

Рис. 2.1 – Схема экспериментальной установки Касательные напряжения находили в приближении идеально пластического тела по формуле:

12 PR =, (2.1) d где Р – вес груза, создающего крутящий момент;

R – радиус шкива 6;

d – диа метр рабочей части образца.

Нормальные напряжения определяли, используя выражение:

4N =, (2.2) d где N – осевая нагрузка, передаваемая образцу.

Сдвиговую деформацию относили к наружной поверхности образца и оп ределяли из соотношения:

d = 100%, (2.3) 2l где l – длина рабочей части;

а – угол закручивания образца.

Погрешность в определении сдвиговой деформации не превышала 0,01%.

Осевую деформацию находили по формуле:

l = 100%, (2.4) l где l – изменение длины образца.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.