Диссертация (Термобиметаллы с эффектом памяти формы)

Санкт-Петербургский Государственный УниверситетНа правах рукописиЛомакин Иван ВладимировичТЕРМОБИМЕТАЛЛЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИФОРМЫСпециальность 01.02.04 – механика деформируемого твердого телаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель: д.ф.-м.н. Беляев С.П.Санкт-Петербург – 2015 г.2СодержаниеВведение .....................................................................................................................4Глава 1. Аналитический обзор................................................................................141.1.

Термоприводы с эффектом памяти формы ................................................ 141.2. Технологии соединения разнородных металлов ....................................... 271.3. Металлические слоистые композиты на основе сплавов с памятью формы.......................................................................................................................................... 361.4. Методы теоретического описания напряженно-деформированногосостояния слоистых композитов .................................................................................

49Глава 2. Цель работа, объекты и методики исследования ...................................552.1. Постановка задачи ........................................................................................ 552.2. Объекты исследования ................................................................................. 582.3. Методы исследования .................................................................................. 61Глава 3.

Результаты исследований .........................................................................673.1. Результаты экспериментальных исследований ......................................... 673.1.1. Исследование структуры сварного соединения биметаллическихкомпозитов ..................................................................................................................673.1.2. Влияние режимов термообработки на мартенситные превращения вбиметаллических композитах ...................................................................................723.1.3.

Влияния сварки взрывом и режимов последующей термообработкина микротвердость биметаллических композитов..................................................783.1.4. Обратимая деформация биметаллических образцов .........................843.2. Расчетные результаты .................................................................................. 9533.2.1. Модель функционально-механического поведения биметаллическихкомпозитов с эффектом памяти формы ...................................................................953.2.2.Моделированиемеханическогоповедениябиметаллическихкомпозитов ................................................................................................................1033.2.3.

Расчёт напряженно-деформированного состояния биметаллов спамятью формы ........................................................................................................1053.2.4. Моделирование функциональных свойств биметаллов с памятиформы ........................................................................................................................112Заключение .............................................................................................................116Список литературы ................................................................................................1184ВведениеСплавы с памятью формы представляют интерес в связи с их необычнойспособностью восстанавливать значительные неупругие деформации при нагревании.Этот эффект носит название “эффект памяти формы”. Самым ярким представителемданного класса материалов является сплав никелида титана.

Кроме наличия эффектапамяти формы, обратимой памяти формы и псевдоупругости, сплавы никелида титанаобладают рядом примечательных свойств, таких как высокая прочность икоррозионная стойкость. Кроме того, его биологическая инертность позволилашироко применять его в медицине в качестве имплантов и материала длямедицинских инструментов. Одним из неоспоримых преимуществ никелида титанаявляется то, что изменяя его состав и режим предварительной термообработки, можнонаправлено изменять кинетику мартенситных переходов проходящих в нём.Разработка«умных»материаловподразумеваетсозданиекомпозитов,состоящих из различных металлических и неметаллических компонентов, имеющихразличное функциональное назначение.

Одним из компонентов таких композитовявляются сплавы с эффектом памяти формы и, в частности, никелид титана. В связи сэтим перед исследователями сплавов с памятью формы встали задачи, связанные с ихсоединением как с другими металлами и сплавами, так и между собой. Длядостижения соединения различных сплавов друг с другом существует много методов.Самыми известными из них являются электродуговая сварка, сварка трением илазерная сварка. Тем не менее, все вышеперечисленные виды сварок не пригодны длясоединения никелида титана, так как в них присутствует один существенныйнедостаток, а именно, высокая температура процесса, которая приводит к локальномуплавлению свариваемых материалов в зоне соединения, что может привести крекристаллизации или выпадению частиц вторичных фаз.

Оба этих фактораоказывают негативное воздействие на качество соединения. В связи с этимисследователи обратились к другим, ”нетрадиционным”, видам сварки. Одним изхорошо зарекомендовавших себя способов является сварка взрывом. Этот метод5относится к твердофазным, бездиффузионным способам сварки давлением, и под нимпринято понимать явление прочного соединения соударяющихся под некоторымуглом поверхностей металлических тел, по крайней мере, одно из которыхразгоняется до больших скоростей продуктами детонации взрывчатого вещества.Одним из преимуществ данного метода является то, что им можно соединять друг сдругом металлы, которые не могут быть сварены другими способами, даже если онине имеют взаимной растворимости или образуют твердые растворы. Метод сваркивзрывом давно используется в промышленности для соединения различных металлови сплавов друг с другом.

Помимо возможности получения слоистых металлическихкомпозитов, которые не всегда удается соединить другими методами сварки, этатехнология, кроме всего прочего, позволяет соединять между собой поверхностидостаточно больших площадей для последующего изготовления крупногабаритныхизделий промышленного назначения. Так, биметаллические пластины, полученныесваркой взрывом, успешно применяются при изготовлении сосудов для храненияхимически активных газов и жидкостей. Внутренний слой такого сосудаизготавливается из сплава, способного противостоять эрозии, происходящей поддействием продуктов, хранящихся в нем, а внешний - обладает достаточнойпрочностью, чтобы выдержать долгое хранение содержимого под высокимдавлением.Методом сварки взрывом уже было получено прочное соединения пластин изсплава TiNi с другими металлами без каких-либо видимых металлургическихдефектов в сварном шве.

Подобные композиты могут быть использованы в качествемеханического термопривода работающего в режиме изгиба. Принцип действиятакого привода заключался бы в следующем: биметаллический композит,предварительно деформированный при низкой температуре, при которой сплав TiNiнаходится в мартенситном состоянии, подвергался нагреву. При повышениитемпературы в сплаве TiNi будет реализовываться обратное мартенситноепревращение сопровождающееся реализацией эффекта памяти формы, что приведет6к восстановлению композитом своей первоначальной формы и накоплениюнапряжений в упругом слое.

При последующем охлаждении накопленныенапряжения будут причиной реализации эффекта пластичности превращения, чтоприведет к накоплению композитом деформации и релаксации напряжений. Припоследующих теплосменах все описанные выше действия будут повторяться, чтообеспечит многократное срабатывание термопривода. Существуют единичныепримеры создания биметалличеких объектов с использованием наклеивания илинапыления чистых металлов на тонкие ленты сплава TiNiCu. Такие объектыприменяются для манипулирования микро- и нанообъектами и их применение в этомсмысле ограничено. Новые перспективы открываются в связи с разработанной впоследние годы технологией соединения сплава TiNi с металлами методом сваркивзрывом.Как правило, в термомеханических приводах функциональное и упругое телоявляютсяразличнымиэлементами,соединеннымимеждусобой.Наиболеераспространенной и хорошо изученной формой элементов привода являютсяпружины.

Предпочтение этой форме отдается, потому что при ее использованииможно обеспечить значительное перемещение рабочих частей системы, подвергая ихпри этом малым значениям деформации. Не смотря на это, выбор такой геометриинесколько ограничивает область применения термоприводов на основе сплава TiNiтак как она может обеспечить линейные перемещения вдоль одной оси. Так же стоитотметить, что пружинные приводы облагают значительными габаритами, чтоисключает возможность их применения в микромеханических системах. Надусовершенствованиемрабочихпринциповигеометрическихпараметровтермоприводов на основе сплавов с памятью формы работают многие ученые, как вРоссии, так и за рубежом.Описанные выше термобиметаллические приводы позволили бы расширитьсуществующие границы области возможного применения сплавов на основе TiNi дообласти микромеханических систем многократного действия.

В связи с этим можно7сделать вывод о том, что исследование данных объектов является актуальной научнотехнической задачей. Ранние труды отечественных и зарубежных ученых,посвященные биметаллическим композитам на основе сплавов с эффектом памятиформы полученных сваркой взрывом, посвящены лишь проблемам соединенияматериалов и влиянию процесса сварки на кинетику мартенсиных превращений испособов её изменения. К сожалению функционально-механические свойства,основанные на эффектах восстановления и накопления деформации, ранее изучены небыли.