close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Технологии;pdf

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физические свойства твердых тел
Методические указания
к выполнению лабораторных работ по курсу
«Физика твердого тела»
ПЕНЗА ИИЦ ПГУ 2010
2
УДК 53
Приведены общие методические сведения по изучаемым явлениям курса
«Физика твердого тела», описание лабораторных установок, порядок проведения
исследований и обработки экспериментальных данных.
Методические указания подготовлены на кафедре «Физика» и предназначены для студентов физико-математических и инженерно-технических специальностей.
Составители:
канд. физ.-мат. наук, доцент Рудин А.В.
Рецензент - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры
«Общая физика» ПГПУ им. В. Г. Белинского -
Зайцев Р.В.
3
Лабораторная работа ФТ.3
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ В ОБЛАСТИ
ПРЯМЫХ И ОБРАТНЫХ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Цель работы: исследовать эффект механической памяти формы в
сплавах, типа Cu-Al-Ni или Ti-Ni, выполненных в виде тонких стержней и
спиральной пружины; определить упругие характеристики исследуемых
сплавов в области прямых и обратных превращений при различной величине
механической нагрузки.
Приборы и оборудование: исследуемый образец; измерительная установка для исследования прямого и обратного мартенситного превращений в
сплавах, обладающих эффектом механической памяти формы; набор грузов;
Теоретические сведения
1.1. Феменология эффекта памяти формы у металлических материалов
В настоящее время эффект памяти формы (часто его называют механической или мартенситной памятью) обнаружен у широкого круга сплавов,
принадлежащих различным системам, в частности у сплавов систем Ti—Ni,
Fe—Ni, Cu—Al, Си—Mn, Аи—Cd, Си—Al—Ni, Co—Ni, Ni—Al, Си—Zn—Al
и многих других [2, 3]. Некоторые исследователи [4] полагают, что этот эффект принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситное превращение, и в том числе у таких чистых металлов, как Ti, Zr и
Со.
Феноменология эффекта памяти заключается в следующем. Материал
в виде ленты, проволоки и т. п., обладающий эффектом запоминания формы,
пластически деформируют при температуре Тд выше температуры прямого
мартенситного превращения Мн с целью придания ему определенной формы,
затем охлаждают до температур, обеспечивающих протекание (полное или
частичное) мартенситного превращения и деформируют в этой температурной области до получения плоскостной формы. При нагреве выше температуры обратного мартенситного превращения Ак образец вновь восстанавливает форму, которая была ему придана при температуре Тд больше Мн. Возможен и другой случай проявления эффекта памяти формы. Изделию придают требуемую форму в мартенситной области, затем нагревают его до аустенитного состояния и деформируют до получения первоначальной формы.
При последующем охлаждении до мартенситного состояния изделие приобретает форму, приданную ему при ТК больше Ак В последнее время в технической литературе появились также сведения о так называемом эффекте обратимой памяти, проявляющемся в прямой зависимости формы образца от
4
температурных условий. В этом случае форма заготовки как бы «следит» за
температурой: при Т больше МН заготовка получает определенную форму,
при охлаждении до температуры Т больше АН она становится плоской (как
после деформации), а при последующем нагреве вновь приобретает форму,
приданную при Т больше Мп. При дальнейшем циклировании температуры
эффект повторяется вновь. Некоторые исследования показали, что эффект
обратимой памяти в сплавах может наблюдаться многократно (например, для
сплава Ti—55% Ni несколько миллионов циклов) без каких-либо заметных
необратимых изменений в структуре и свойствах материала. Тем не менее
следует отметить, что природа эффекта обратимой памяти до конца еще не
выяснена, поэтому в настоящей работе рассмотрены в основном вопросы, касающиеся «обычного» эффекта памяти формы.
Анализ экспериментальных и теоретических работ [5, 6, 7, 4], посвященных изучению памяти в металлических материалах, позволяет выявить
несколько основных закономерностей проявления этого эффекта.
1.2. Основные свойства и характеристики сплавов, обладающих
ЭМПФ
Как правило, эффект памяти формы наблюдается в сплавах, претерпевающих термоупругий мартенситный переход. Переходы такого типа были
впервые обнаружены Г. В. Курдюмовым и Л. Г. Хандросом [7] и подробно
исследованы в дальнейших работах [5, 6]. В результате исследований условий образования и роста новой фазы в среде с высокими упругими свойствами авторы работы [7] пришли к заключению, что на границе раздела фаз
должна сохраняться структурная связь (когерентность) кристаллических решеток обеих фаз. Существование этой связи приводит к возникновению упругой энергии, величина которой зависит от соотношения межатомных расстояний в исходной и мартенситной фазах, от величины упругих констант и
от способа перестройки решетки. При достижении некоторой температуры
мартенситный кристалл приобретает определенные размеры, и если принять,
что он имеет пластинчатую форму, то общее изменение свободной энергии
системы запишется в виде [8]
D F = - D F x ld + 2s l 2 + G g 2d
2
,
(1.1)
где DFx — изменение химической свободной энергии, отнесенное к единице
объема; l , d — размеры мартенситного кристалла; s — поверхностная энергия; G — модуль сдвига; g — угол сдвига.
При достижении определенных размеров рост мартенситного кристалла прекращается и устанавливается термоупругое неустойчивое равновесие между кристаллом мартенсита и исходной фазой. Дальнейшее охлаждение вызывает увеличение разности химических свободных энергий и приводит к дальнейшему росту мартенситного кристалла. Исчезновение же мартенситного кристалла при нагреве происходит с небольшим температурным
гистерезисом. Как отмечают авторы [8], термоупругое равновесие возможно
5
лишь в тех случаях, когда возникающая в процессе образования мартенсита
упругая энергия сравнима по величине с химической свободной энергией.
При этом температура должна быть достаточно низкой, чтобы ограничить
влияние релаксационных процессов, приводящих к нарушению сопряженности на границе раздела фаз. Кристаллы мартенсита, образующиеся в процессе
охлаждения сплава до температуры ниже Мн, ориентированы в соответствии
с кристаллографической взаимосвязью: первые кристаллы мартенсита влияют на ориентировку кристаллов, возникающих при последующем охлаждении, а изменение ориентировки первых кристаллов изменяет всю картину
рельефа при последующем превращении [8]. Рост упругих кристаллов мартенситной фазы может происходить также и при постоянной температуре
под влиянием внешних напряжений [5]. Так, экспериментальные исследования показали, что при температуре выше Мн под действием внешней нагрузки на полированной поверхности образца появляется рельеф, соответствующий образованию кристалла мартенсита. Однако в отличие от клиновидных
кристаллов, в отсутствие напряжений, возникающих при нагреве, кристаллы
мартенсита имеют вид плоскопараллельных пластин, количество и размеры
которых растут по мере увеличения напряжений [8]. При снятии нагрузки
межфазные границы перемещаются в сторону исходной фазы. Если температура превышает Ак, кристаллы мартенсита полностью исчезают. При температуре ниже Ак после снятия нагрузки кристаллы мартенсита частично остаются. Если нагрузка прикладывается при температуре ниже Мк, когда в
структуре сплава уже есть некоторое количество мартенситных кристаллов,
то часть из них, имеющая благоприятную ориентировку по отношению к
приложенной нагрузке, растет, наряду с образованием и ростом новых кристаллов мартенсита. Следует также отметить, что кристаллы мартенсита образуются при любом виде деформации.
По данным работы [5], при изменении направления приложенных напряжений могут исчезать кристаллы с одной ориентировкой габитусных
плоскостей и возникать кристаллы с другой ориентировкой. Следствием существования термоупругого равновесия фаз является эффект сверхупругости, заключающийся в том, что деформация, сообщенная образцу при нагружении, полностью возвращается при разгрузке [9]. Таким образом, явление
сверхупругости лежит в основе упоминавшегося выше эффекта обратимой
памяти и при благоприятных условиях обеспечивает полное возвращение
формы при снятии напряжений или изменении температурных условий.
Другим важным моментом, имеющим отношение к феноменологии
эффекта памяти формы, является механизм восстановления структуры при
нагрузке. По мнению многих исследователей, деформация в мартенситной
области (или деформация при температуре Т меньше МК), уничтожающая
форму, приданную изделию при Т больше МН, должна происходить по механизму, обеспечивающему полное восстановление структуры при обратном
мартенситном переходе. Чаще всего таким механизмом является процесс
двойникования; Д. Перкинс [10], однако, показал экспериментальным путем,
что это не единственно возможный механизм восстановления структуры при
6
обратном мартенситном превращении и что эффект памяти формы может
быть обеспечен образованием в мартенсите трехмерной сетки частичных
дислокаций с дефектами упаковки между ними протяженностью 30 А (сплав
системы Сu—Al—Zn).
Многие исследователи считают, что эффект памяти формы в сплавах
связан с их упорядочением при охлаждении, однако сколько-нибудь убедительного объяснения роли упорядочения в этом эффекте высказано не было.
Отмечалось лишь то, что при протекании мартенситного превращения в упорядоченной системе, достигается полная обратимость структуры [11]. В случае же, когда прямое и обратное мартенситное превращения происходят в
неупорядоченных сплавах, полная обратимость структуры не достигается.
Под кристаллографической обратимостью мартенситного превращения авторы работы [11] понимали восстановление точной ориентировки матричной
фазы после обратного мартенситного превращения. Тем не менее имеются
сведения, что полная обратимость структуры наблюдается и в неупорядоченных сплавах (сплавы системы In—Тi), и в чистых металлах [12].
Для более полного представления об эффекте памяти формы важно
отметить еще несколько его особенностей.
Чем выше точка Мн по шкале температур, тем в меньшей степени выражен этот эффект. Примером могут служить сплавы системы Fe—Ni (от 5
до 20 % Ni), имеющие довольно высокую температуру обратного мартенситного превращения (от 200 до 400 °С в зависимости от химического состава) и
слабое проявление эффекта памяти формы (степень восстановления формы
при обратном мартенситном превращении тем меньше, чем выше температура Мк).
Значительная деформация сплава в мартенситной области или при
температуре ниже Мк (более 7—10 %) приводит к частичному или полному
(в зависимости от степени деформации) исчезновению эффекта памяти формы [13].
Если температура Мк лежит ниже комнатной температуры, то завершенности мартенситного превращения, как это следует из экспериментальных данных, можно добиться деформацией при 20 °С.
2. Механизм роста кристаллов при бездиффузионных превращениях
Если скорость превращения определяется скоростью перемещения
границы раздела фаз, различающихся только своей кристаллической структурой, превращение называется бездиффузионным. К бездиффузионным
превращениям относятся полиморфные превращения в однокомпонентных
системах, а так же в некоторых сложных по составу фазах – химических соединений стехиометрического состава и так называемое массивное превращение в твёрдых растворах.
Кинетически различают нормальное полиморфное и мартенситное
превращения.
7
2.1 Нормальное превращение
Превращения в твёрдом состоянии, для которых временная и температурная зависимости скорости превращения являются подобиями тем, которые установлены для процесса кристаллизации, называются нормальными.
скорость превращения сначала увеличивается, а
При понижении
затем уменьшается. Возрастание скорости превращения связано с облегчением образования и роста зародышей при увеличении переохлаждения, поскольку при этом возрастает термодинамический стимул превращения.
Уменьшение скорости превращения при дальнейшем увеличении переохлаждения обусловлен уменьшением подвижности атомов при
Термодинамический стимул превращения определяется полным изменением свободной энергии системы при образовании новой фазы
,
состоящей из n атомов.
Из термодинамики неравновесных процессов имеем: для скорости
роста
dn
k
d (DF (n))
= - × n* ×
,
dt
T
dn
где
- число атомов, составляющих поверхность раздела новой фазы и матрицы; k – кинетический фактор, который определяется механизмом роста и
зависит от частоты полных атомов [14, 15].
В процессе перехода атома от одной фазы к другой возникают промежуточные конфигурации, обладающие повышенной энергией по сравнению
с исходным состоянием. Такая конфигурация называется активированным
комплексом (рисунок 2.1)
ΔФ+q
ΔФ(n+1)
q2
q
q1
ΔФ(n)
n
n+1
Рисунок 2.1
где DF =
DF(n) + DF (n + 1)
, q – энергия активации процесса самодиффузии;
2
- энергетические барьеры переходов атомов соответствующих при увеличении и уменьшении объёма частицы новой фазы. При небольших переохлаждениях, когда
8
d (DF (n))
<< kT ,
dn
k – постоянная Больцмана.
Для скорости изменения радиуса r сферической частицы получено
следующее выражение:
æ rкрит
dr æ k ö
æ q ö
= ç ÷ expç ÷DF 0 çç1 dt è T ø
r
è kT ø
è
ö
÷÷ ,
ø
– изменение свободной энергии на единицу объёма;
где
критический радиус зародыша; - коэффициент поверхностного натяжения;
k – коэффициент зависящий от частоты колебаний атомов.
Как видно из уравнения рост частицы возможен при R > Rкрит . Температурная зависимость скорости роста представлена на рисунке 2.2.
n,
dr/dt,
ΔФ0
ΔФ0
n
dr/dt
Травн
Т,C
Рисунок 2.2
2.2 Мартенситное превращение
Мартенситом называют структуру которая обладает высокой твёрдостью, возникающей во многих быстро охлаждённых сталях. Мартенситные
превращения обнаружены как в чистых металлах, так и в сплавах.
Природа мартенсита, т.е. фазы, характеризующей эту структуру, на
протяжении многих лет оставалась неясной.
В работах Бойкова А.А. и Гудцова К.Т. было показано, что закалённый мартенсит имеет игольчатую структуру и является метастабильным однофазным раствором углерода в - железе. В пользу представления о мартенсите, как о твёрдом растворе, говорило его высокое электросопротивление
и необычайно высокая твёрдость.
Окончательно вопрос о природе мартенсита был решён в результате
рентгенографического исследования закалённой стали, проведённого Селяковым Н.Я., Курдюмовым Г.В., Гудцовым [2] в 1927. Эти исследования показали, что закалённый мартенсит – однофазный твёрдый раствор углерода в
9
тетрагонально искажённом
микроструктура мартенсита.
- железе. На рисунке 2.3 показана типичная
В дальнейшем процессы мартенситного превращения в стали и родственных ему явлений в медных сплавах были изучены Курдюмовым и его
учениками. На основе этих исследований в 1948 году он создал общую теорию мартенситных превращений. Большой вклад в общую теорию мартенситных превращенийвнесла школа Штейнберга С.С.
Основные положения общей теории мартенситных превращений:
1 Мартенситное превращение происходит лишь в тех случаях, когда
сплав охлаждается со скоростью не ниже некоторой критической,
. Легируюкоторая зависит от химического состава стали;
закалки.
щие элементы (Cr, Mo, W) Снижают
2 Мартенситное превращение распространяется на широкую область температур. Температура, при которой в процессе охлаждения начинается мартенситное превращение называется мартенситной точкой Ms. Температура Ms не зависит от скорости охлаждения, но изменяется при изменении состава сплава: увеличение содержания
приводит к понижению мартенситной точки.
.
3 Количество мартенситной фазы увеличивается по мере дальнейшего понижения температуры ниже Ms.
.
4 Время роста мартенситного кристалла из аустенита в стали составляет
. При конечном размере кристалла
(0.1 мм),
что соответствует скорости движения межфазовой границы порядка
м/с, что приблизительно равно скорости распространения
упругих(звуковых) волн в стали.
5 Мартенситное превращение происходит без изменения состава фаз
и является поэтому превращением бездиффузионным.
Термодинамику мартенситного превращения поясняет рисунок 2.4.
10
Рисунок 2.3
ф
d
c
Март. 2
Ауст.2
b
a
Март. 1
Ауст.1
Ms2
Ms1
Т,C
Рисунок 2.4
;
- изменение свободной энергии;
где
ная энергия твёрдого раствора (аустенита или мартенсита);
- свобод– свободная
энергия эвтектоидной смеси. При
:
; M s 2 < M s1 .
В чистом Fe –гранецентрированная кубическая (г.ц.к.)– решётка устойчива при высоких T o , а объёмоцентрированная кубическая (о.ц.к) – при
низких T o . Из этого следует, что энтропия g - фазы выше чем энтропия a фазы. Поэтому линия DF для аустенита должна идти круче, чем мартенсита,
и в некоторой точке пересекаться с линей для мартенсита.
Если бы диффузионные процессы эвтектоидного превращения могли
протекать с высокой скоростью при любой температуре, то мартенситного
превращения не имело место, т.к. при любой T o свободная энергия мартенсита (Фм>Фэв) больше свободной энергии эвтектоидной смеси. Однако при
T < 250 ¸ 300 o C скорость диффузии С в Fe очень мала и эвтектоидный распад аустенита невозможен, и единственным состоянием делается мартенситное состояние – которое рассматривается как метастабильную аллотропическую модификацию твёрдого раствора С в a - железе, которое начинается
при строго определённой T o .
С увеличением содержания С % в стали увеличивается разность внутренних энергий твёрдого раствора и эвтектоидных смесей. Однако, внутренняя энергия аустенитам мартенсита уменьшается.
11
cd < ab (рисунок 2.4)
т.о. чем выше содержания С % в стали тем ниже мартенсита точка.
Курдюмов и Закс установили, что мартенситное превращение в углеродистой стали характеризуется резко выраженной ориентированной кристаллической решётки вновь образовавшейся фазы по отношению к решётке
исходной фазы. Плоскость (110) решётки мартенсита параллельна плоскости
(111) аустенита; а направление [111] – мартенсита, параллельна направлению
[110] аустенита.
При такой взаимной ориентировке о.ц.к. и г.ц.к. решёток в момент
возникновения кристаллического зародыша удовлетворяется условие структурного и размерного соответствия. Этой ориентировке отвечают 24 разных
положения решётки мартенсита по отношению к решётке аустенита. (рисунок 2.5) Т.о. по Курдюмову – мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решётки, при которой атомы не обмениваются местами,
а лишь смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие
межатомные.
(110)
(211)
C
C
120
Fe
2.2A
Fe
2.3A
111o
o
2.56Ao
2.5A
[101]
o
[111]
Рисунок 2.5
Cu-Al
β
600
400
β1
Ι
β
200
Cu
10
где
12
Рисунок 2.6
14
%Al
- метостабильная фаза;
- упорядоченная фаза - латуни.
Аналогичные превращения в метастабильную фазу были получены и
для ряда других сплавов: Cu-Al, Cu-Zn и Cu-Sn (рисунок 2.7).
12
шлиф
закалка
Cu-Sn
нагрев
шлифовка
впадины
выступы
Рисунок 2.7
Как и мартенситное превращение в стали, каждое из этих превращений распространяется на область T o ( DT = 10 o ¸ n100 o ) ширины и приводит к
образованию игольчатых структур. Мартенситная структура при закалке b фаз образуется лишь в результате охлаждения с достаточно большой скоростью, превышающей критическую, которая зависит от химического состава
Al = 12% - J Крит ~охлаждению
сплава. Например: при
на воздухе;
Al = 14% - J Крит - необходима резкая закалка .
Мартенситное превращение [17, 18, 19] в b – фазу в медных сплавах
по терминологии Курдюмова «обратимо».
В работе Хандроса Л.Г. показано,что при охлаждении b - оловянистой
бронзы (AlSn) до T = Tжид.азота = -196 o C происходит частичное превращение в
b '' - фазу. На шлифе при этом появляется рельеф – выступы игольчатой формы (рисунок 2.6), т.к. превращение сопровождается увеличением объёма. После шлифовки, сплав нагревался до температуры обратного превращения
b '' ® b . Мартенситные иглы b '' превратились в фазу
b с уменьшением
объёма, и в местах полировки появлялись впадины.
В работах Курдюмова для сплава алюминиевой бронзы с 14.5 %Al и
1 %Ni установлено, что мартенситное превращение начинается при
T = M s = 10 o C . При T = 10 o C возникшие мартенситные иглы малы. При понижении T o иглы растут. При нагревании размер игл уменьшается, причём
размер игл при любой температуре оказывается одним и тем же, т.е. повторяется. При многократных циклах – охлаждения – нагрев, рост и уменьшение
игл сохраняется, причём одновременно происходит и циклическое изменение
размеров (рисунок 2.7).
Курдюмов и Максимова показали, что количество образующегося
мартенсита
dV = n ×Vкр (V0 -V )dt ,
(2.1)
где n - число зародышей мартенсита возникших в единице объёма за единицу времени t; Vкр – средний объём кристалла мартенсита; V0 - часть объёма
образца, которая может испытать изотермическое мартенситное превращение
при температуре T o .
Интегрируя (2.1) , получили:
1- q = e
- nVкр t
,
(2.2)
13
V
1
< – относительное количество (объемная доля) превратившеV0 2
гося аустенита, где t – интервал времени » периоду «полупревращения»
где q =
или
B
ln n = ln A - ,
T
или n = Ae
-
B
T
,
(2.3)
U
; U – энергия активации при образовании зародыша.
R
При мартенситном превращении, протекающего с большой скоростью
«упорядоченный» рост кристалла зародыша новой фазы возможен лишь до
тех пор, пока его решётка «когерентна» по отношению к решётке исходной
фазы – т.е. пока между новой фазой и исходной, нет поверхности раздела.
Т.о. по мере роста зародыша должна возникать межфазная граница, что приводит к увеличению напряжений в решётке. При достижении кристаллами
новой фазы определение размеров напряжения оказываются столь значительными, что вызывают пластическую деформацию в кристаллах исходной
фазы. В результате такой деформации нарушается когерентность решёток и
происходит «отрыв» нового кристалла от матрицы исходной фазы. Порядок
в расположении атомов нарушается, упорядоченная перестройка решётки делается невозможной, что обуславливает прекращение роста мартенситного
кристалла – пластинки.
Рост кристалла новой фазы замедляется благодаря тормозящему действию упругих напряжений в матрице. Прирост свободной энергии dF кр кристалла, обусловленный увеличением объёма кристалла на dV его граней округлиться:
где B =
dF кр = - DFdV + sdS +
¶E
× dV ,
¶V
(2.4)
где DF - разность свободной энергии решёток новой и старой модификаций;
s - поверхностное натяжение ( очень мало при когерентном росте); dS - при¶E
-скорость прироста энергии упругих напряжений.
¶V
Рост зародыша будет продолжаться до тех пор, пока dF кр < 0 . При ус-
рост поверхности;
ловии, когда dF кр = 0 , т.е.
¶E
= DF рост кристалла остановится, наступит рав¶V
новесие. Однако это равновесие нарушается если будет изменена температура. Действительно
DF = L
DT
Tкр
где L - скрытая теплота превращения; DT – переохлаждение; Tкр - температура начала мартенситного превращения.
Если температуру понизить, DF - увеличится и новое равновесие установится, лишь после некоторого увеличения мартенситного кристалла.
Причём процесс изменения размера кристалла, обуславливаемый изменением T o должен носить обратный характер.
14
Как указал Курдюмов, этот процесс аналогичен явлению, которое обнаружил Гарбер Р.И. – образование «упругого двойника», растущего при
увеличении и уменьшающегося при снижении деформирующей нагрузки.
Ту роль, которую при развитии «упругого двойника» играет изменение нагрузки при возникновении «упругой мартенситной иглы» играет изменение переохлаждения.
Диаграмма обратимых мартенситных превращений в сплавах Cu-Al
показана на рисунке 2.8 [17].
o
t, c
ι
β
0
Af
As
400
200
βι
ι
β
βι
ι
β
βι
Ms
Mf
-200
γι
βι
βι
γι
γ
12
14
Рисунок 2.8.1
10
%Al
%β
80
β
β
60
β β
40
20 охлаждение
200
300
нагрев
400
Рисунок 2.8.2
M s - начало мартенситного превращения; M f - конец мартенситного превращения; As - начало обратного мартенситного превращения; A f - конец
обратного мартенситного превращения
15
2.3 Эффект механической «памяти» формы
Эффект памяти формы при деформации в температурном интервале
As-Ms обусловлен образованием преимущественно ориентированных кристаллов мартенсита и последующим их исчезновением при нагреве в процессе обратного превращения. Этот вид памяти присущ всем сплавам, в которых
происходят обратные мартенситные превращения[7, 9, 10].
Максимальная обратимая деформация может быть получена в случае
когда одновременно с воздействием напряжений образец охлаждается в температурном интервале превращений.
Образование мартенсита в этом температурном интервале происходит
при воздействии небольших деформаций. Деформация за счёт мартенситного
превращения ограничена несколькими процессами. С увеличением напряжений, когда возможность деформации по этому механизму исчерпана, происходит смена механизма деформации. Дальнейшее изменение формы может
происходить путём скольжения или двойникования. Степень восстановления
формы в различных материалах существенно зависит от разности величины
напряжений при смене механизма деформации.
В этом же температурном интервале эффект памяти может быть обусловлен исчезновением кристаллов мартенсита с неблагоприятной ориентировкой, образованием в тех же местах кристаллов с преимущественной ориентировкой и последующим их исчезновением при обратном мартенситном
превращении.
Этот эффект ЭПФ наблюдается в сплавах Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn, Cu-ZnAl-Ni, Mn-Cu и Ti-Ni(нитинол) после деформации при температуре выше A f
и нацикловки.
В сплавах Fe-Ni, Fe-Mn происходит лишь частичное восстановление
формы, т.к. мартенситные фазы в них обладают высокой симметрией, так что
при обратном превращении наряду с восстановлением исходного варианта
ориентировки могут осуществляться и другие варианты.
На рисунке 2.9 показана упругообратная деформация сплава Cu-Al-Ni
( 28 % ат. Al и 5 % ат. Ni). Исходная фаза b - фаза с о.ц.к.-решёткой, упорядоченной по типу Fe3 Al , способна превращаться по мартенситному механизму как при охлаждении ниже Ms, так и при деформации в интервале температур выше M s
16
%ε
Mf Ms
As
Af
o
Tc
Рисунок 2.9
где e - относительная деформация образца, выраженная в процентах (изгиб
поперечный цилиндрического образца); M s , M f - температуры начала и конца мартенситного превращения; As , A f - температура начала и конца обратного мартенситного превращения.
При T < As мартенситная фаза неустойчива, поэтому после снятия нагрузки деформация исчезает, т.е. происходит восстановление исходной формы.
Псевдоупругая деформация, вызванная фазовым переходом, может
достигать нескольких процентов и может на порядок превышать величину
упругой деформации в обычных сплавах.
Описание установки
Функциональная блок-схема измерительной установки для исследования прямого и обратного мартенситного превращений в сплавах, обладающих эффектом механической памяти формы приведена на рисунке 3.1.
17
ЛАТР
16
17
220
15
1
ТР.1
2
14
A
13
v
12
10
1
11
2
4
1
9
3
5
8
6
7
Рисунок 3.1 - Блок-схема измерительной установки – ЭМПФ : 1кронштейн; 2- образец; 3- цанговый зажим; 4- неподвижный шкив; 5- стальной тросик; 6- платформа; 7- грузы; 8- указатель; 9- измерительная линейка
перемещений; 10- термопара; 11- клемма; 12 – мультиметр; 13 –вольтметр; 14
– амперметр; 15 – трансформатор; 16 – ЛАТР; 17 – кнопка.
В измерительной установке в качестве исследуемого образца используется спиральная пружина, изготовленная из сплава Ti-Ni, стехиометрического состава, обладающего эффектом механической памяти формы. Диаметр проволоки пружины d = 1,65 мм, наружный диаметр спирали пружины
составляет D = 20 мм, длина пружины в сжатом состоянии L = 35 - 40 мм.
Основными элементами установки является исследуемый образец 2,
который одним концом закрепляется с помощью болтового соединяется к
неподвижному кронштейну 1, другой конец образца с помощью цангового
зажима 3 закрепляется к горизонтально расположенному тонкому стальному
тросу 5, который через неподвижный блок 4 прикреплён к платформе 6 с грузами 7. Контроль температуры осуществляется с помощью хромелькопелевой термопары 10, которая непосредственно закрепляется на поверхности исследуемого образца в центральной части. Свободные концы термо-
18
пары подключается к мультиметру 12, типа ДТ-838, который позволяет проводить измерения температуры в градусах Цельсия с точностью до ±0,5 °C .
Изменение длины исследуемого образца регистрируется по шкале измерительной линейки 9, с помощью указателя 8. Нагрев исследуемого образца
осуществляется с помощью стабилизируемого источника постоянного тока
13. Контроль параметров тока через исследуемый образец осуществляется с
помощью амперметра 14 и вольтметра 15, расположенные на передней панели источника тока 13. Время обратного мартенситного превращения измеряется в ручном режиме с помощью электронного цифрового секундомера.
Оценка погрешности экспериментальных измерений
Относительная погрешность температуры исследуемого образца определяется по формуле:
Dt o
et = o ,
t
где Dt = 1o C - абсолютная погрешность измерения температуры с помощью
мультиметра .
Величина относительной погрешности механического напряжения на
исследуемый образец
mg
s=
,
s
pd 2
где s =
,определяется по формуле:
4
2
2
æ Dm ö æ 2Dd ö
es = ç
÷ +ç
÷ .
èm ø è d ø
Величина относительной погрешности деформации исследуемого образца определяется из выражения:
Dl
el =
,
l
где l - абсолютная деформация образца (при прямом и обратном мартенситном превращениях); Dl - абсолютная погрешность измерения деформации
образца.
Порядок проведения измерений
1. Исследуемый образец в виде спиральной пружины одним концом закрепляется по средствам болтового соединяется к неподвижному кронштейну
3, другой конец образца с помощью цангового зажима закрепляется к горизонтально расположенному стальному тросику.
19
2. К средней части исследуемого образца закрепляется рабочий конец измерительной термопары (датчика температуры), подключённого к мультиметру ( измерителя температуры).
3. На платформу 6 помещается груз (например, массой 1 кг) и фиксируется
по указателю 8 положение величины растяжения исследуемого образца.
4. Клеммы стабилизированного напряжения (тока) источника постоянного
тока (ИПТ) 13 с помощью соединительных проводников зажимами, типа
«крокодил» подключаются к концам исследуемого образца-спиральной
пружины 2.
5. Источник тока подключается к сети переменного тока 220 В. Ручки регулятора тока и напряжения источника тока при этом должны находиться на
нулевом положении.
6. Плавным поворачиванием ручек тока и напряжения ИПТ осуществляется
нагрев исследуемого образца путём прямого пропускания через него постоянного тока со скоростью нагрева не превышающей 2 град/мин.
7. По мере нагрева исследуемого образца фиксируется одновременно температура образца и изменение длины спиральной пружины.
8. При достижении температуры, равной температуре конца обратного мартенситного превращения Ак, изменение размеров и формы образца прекращается. Источник тока выключается.
9. По мере самопроизвольного охлаждения исследуемого образца вновь
фиксируется температура и изменение длинны образца при неизменной
механической нагрузке.
10.Повторить пункты п.3, п.6 – п.9 для различной величины грузов: m = 2, 3,
4, 5 кг, соответственно снять нагрузочные характеристики исследуемого
образца в режиме прямого и обратного мартенситного превращения.
11.Время обратного мартенситного превращения исследуемого сплава в зависимости от механической нагрузки осуществляется в состоянии теплоизолированного нагрева исследуемого образца, для исключения тепловых
потерь в окружающую среду.
12.По полученным данным, построить график зависимости длины l исследуемого образца от температуры в прямом (режим охлаждения) и обратном (режим нагревания) мартенситном превращении при постоянной механической нагрузке.
13.По построенному графику температурной зависимости длины образца определить температуры: М Н , М К , АН , АК – начала и конца прямого и обратного мартенситного превращения.
14.Также, из графических зависимостей длины l исследуемого образца от
температуры образца определить интервалы температур прямого и обратного мартенситного превращения и абсолютную деформацию образца при
различной механической нагрузке.
15.Построить сводный график зависимости температур начала и конца прямого и обратного мартенситных превращений от механической нагрузки
на образец.
20
16.Построить графики зависимостей разности температур начала и конца обратного и прямого мартенситного превращения от механической нагрузки.
17.Построить график зависимости величины абсолютной деформации исследуемого образца от механической нагрузки при обратном мартенситном
превращении.
18.Оценить, приближенно, коэффициент полезного действия для обратного
мартенситного превращения исследуемого сплава.
19.Оценить погрешность экспериментальных измерений.
Контрольные вопросы
1. Какие превращения называются мартенситными?
2. В каких сплавах наблюдаются мартенситные превращения?
3. Какие внешние факторы влияют на протекание мартенситных превращений? Скорость мартенситных превращений.
4. Обратные мартенситные превращения. В чем состоит проявление эффекта механической памяти формы?
5. Технология получения сплавов, обладающих эффектом памяти формы.
6. КПД обратных мартенситных превращений в сплавах с эффектом памяти формы.
7. Области применения сплавов с эффектом памяти формы.
Литература
1. Физика твердого тела. Лабораторный практикум. Том 2. Физические свойства твердых тел. Под ред. А.Ф. Хохлова. Б. Г. Учебное пособие для вузов.
Изд. 2-е., «Высш. школа», М., 2001, 485 с.
2. Металлы, Электроны, Решетка. Труды института металлофизики АН
УССР. – Издат. «Наукова думка», Киев, 1975.
3. Юсупов Т.М., Царева Н.Н., Рудин А.В. Влияние термообработки на механические свойства сплавов Си-Al-Ni, обладающих эффектом памяти формы.
// Труды института металлофизики АН УССР.- Киев, 1980.
4. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977.
5. Металлофизика. Изд. «Наукова думка» , 1973.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа