Диссертация (Термобиметаллы с эффектом памяти формы), страница 11

Не выяснено, как функциональномеханическое поведение термобиметаллов с памятью формы зависит от состава слоёвв пластине и толщин этих слоёв; какие предварительные воздействия на биметаллявляются оптимальными для достижения максимально возможной обратимойдеформации. Не развиты способы описания и прогнозирования функциональныхсвойств термобиметаллов с памятью формы. Всё это препятствует разработкеслоистых термочувствительных композитов с памятью формы с заданнымисвойствами и их эффективному использованию в различных техническихприложениях.Такимобразом,цельюработыявилосьсистематическоеизучениефункционально-механических свойств биметаллических композитов с памятьюформы, определение оптимальных термических и деформационных воздействий набиметаллы для достижения максимальной обратимой деформации и развитие методовописания и прогнозирования термомеханического поведения термобиметаллов спамятью формы.Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:1.

Исследовать строение сварного соединения, структуру слоев и кинетикумартенситных превращений биметаллических композитов на основе сплаваTiNi с эффектом памяти формы, полученных методом сварки взрывом.572. Изучить влияние режимов предварительной термообработки на структуру слоевикинетику мартенситныхпревращенийполученныхбиметаллическихкомпозитов.3. Разработать методику испытания в режиме изгиба плоских образцовпозволяющую производить деформирование при постоянной температуре споследующим термоциклированием в интервале температур мартенситныхпревращений сплавов с эффектом памяти формы, входящих в составбиметаллических композитов.4. Изучить влияние различных факторов, таких как функциональные свойстваслоя TiNi, состав материала упругого слоя, соотношение толщин слоев,величинапредварительнойдеформации,режимпредварительнойтермообработки и количества теплосмен на функциональные свойствабиметаллических композитов.5.

Проанализировать возможность численного моделирования механическогоповедения биметаллических композитов на основе сплавов с эффектом памятиформысиспользованиемсуществующихтеоретическихмоделей,описывающих термомеханическое поведение сплавов с эффектом памятиформы, путем сравнения полученных экспериментальных и расчетных данных.582.2. Объекты исследованияНа структуру и функциональные свойства биметаллических композитовоказывает влияние, прежде всего, химический состав слоев, составляющихкомпозитный материал. Для того, чтобы исследовать влияние этого фактора вкачестве объектов исследования выбраны биметаллы двух составов “сталь Х18Н10Т– Ti49,3Ni50,7” и “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50”, полученные методом сварки взрывом.В композите “сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7” роль упругого компонента биметаллавыполняет слой стали.

Роль функционального компонента выполняет сплавTi49,3Ni50,7. В качестве сплава с эффектом памяти формы был выбран сплав TiNiблагодаря тому, что именно сплавы на основе никелида титана способнывосстанавливать самые большие деформации при нагревании (до 11% деформации), атемпературный интервал мартенситных превращений лежит между -100 оС до +100оС, что делает его удобным для различных применений в технике. Еще однимнеоспоримым преимуществом сплава TiNi является то, что, изменяя его состав ирежим предварительной термообработки, можно направленно изменять кинетикупроисходящих в нём мартенситных превращений [77–79].

Так, в выбранном дляисследования сплаве Ti49,3Ni50,7 после отжига при температуре 600оС происходитпревращение из кубической B2 в моноклинную B19’ структуры при охлаждении.Однако, если сплав будет подвергнут термообработке при температуре от 400оС до500оС, то это приведёт к образованию дисперсных частиц Ti3Ni4, которыестимулируют возникновение при превращении промежуточной R-фазы, имеющейромбоэдрическуюкристаллическуюрешетку[79].Врезультате,послевышеуказанной термообработки сплав Ti49,3Ni50,7 претерпевает мультистадийноеB2→R→B19’ превращение при охлаждении, и B19’→B2 превращение принагревании.

Таким образом, подвергая биметалл “сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7”,различным термообработкам, можно изучить влияние последовательности и кинетикимартенситных превращений на способность биметалла к формоизменению примногократных теплосменах.59Длясозданиявторогокомпозита, были использованы двасплава TiNi с различными составами.СплавTi50Ni50исполнялрольфункционального слоя.

Эквиатомныйсостав был выбран для обеспечениярабочего интервала температур винтервале от 0 оС до +150оС. СплавTi49.3Ni50.7 играет роль упругого слоя,посколькутакаякомпозиция Рисунок 27. Схематичное изображение эффектапроявляет эффект псевдоупругости псевдоупругости.[80], обеспечивая возврат больших неупругих деформаций при разгрузке (Рисунок31). Таким образом, после предварительного деформирования сплава притемпературе, немного превышающей температуру Ак, он может вернуть до 8 %неупругой деформации при разгрузке (Рисунок 27).

Можно предположить, чтоиспользование сплава TiNi, демонстрирующего эффект псевдоупругости, в качествеупругого слоя позволит добиться больших значений обратимой деформации образцапри многократных теплосменах.Такой выбор образцов позволил исследовать влияние состава материалаупругого слоя (сталь Х18Н10Т или сплав TiNi, обладающий псевдоупругостью) ирежим предварительной термообработки на структуру и функциональные свойствабиметаллических композитов. Для термообработки были выбраны два режима: отжигпри температуре 600оС в течение 1 часа с последующей закалкой в воде и отжиг притемпературе 450оС в течение 2 часов с последующей закалкой в воде. Передуказаннымитермообработкамипроводилигомогенизирующийтемпературе 800оС в течение 20 минут с последующей закалкой в воде.отжигпри60Для получения биметаллических образцов использовали пластины, имеющиеследующие размеры:Сталь X18Н10Т – 50 х 100 х 0,8 ммСплав Ti50Ni50 – 50 х 100 х 0,9 ммСплав Ti49.3Ni50.7 – 50 х 100 х 1,7 ммСостав сплавов Ti50Ni50 и Ti49.3Ni50.7 определяли по зависимости температурмартенситных превращений от содержания никеля в композиции TiNi [7] с точностью±0,1 ат.% Ni.Сварку взрывом осуществляли по режиму, описанному в [81]1.

Приизготовлении образцов использовали взрывчатое вещество аммонит с содержанием30% NaCl в качестве пламегасителя. Угол налета пластин при сварке составлял 12о, аскорость налетающей пластины составляла 450 м/с. После сварки взрывом толщинабиметаллических пластин составляла 2,33 мм для композита “сталь Х18Н10Т –Ti49,3Ni50,7” и 2,06 мм для композита “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50”. Из полученных пластин наэлектроэрозионном станке вырезали образцы для структурных и механическихиспытаний.1Образцы предоставлены профессором Рубаником В.В.612.3. Методы исследованияДля достижения поставленной в работе цели использовали различные методикиисследования материалов, описанные ниже.МикроскопияДля анализа структуры биметаллов в области сварного соединения на предметналичия дефектов (несплошностей, пор, трещин, зон локального оплавления)использовали световой микроскоп и сканирующий электронный микроскоп ZeissMerlin с полевым эмиссионным катодом колонной электронной оптики GEMINI-II2.Перед исследованием образцы подвергали шлифовке и полировке с помощьюаппарата Buehler Beta.Дифференциальная сканирующая калориметрияМартенситные превращения изучалиметодомдифференциальнойсканирующей калориметрии (ДСК).Методика ДСК позволяет измерятьразность тепловых потоков междуисследуемым образцом и эталоннымобразцомРисунок28.калориметрическихСхематичноекривыхприодновременномизменениитемпературыпостояннойскоростью.изображение дифференциальнойдляматериалов, калориметриииспытывающих фазовые превращения I рода.претерпевающихобоихсРезультатысканирующейматериалов,фазовыепревращения, схематично представлены на Рисунке 28.

Анализ данных позволяетопределить как температуры начала (Ан и Мн) и окончания (Ак и Мк) прямого иобратного мартенситных превращений, так и энергию превращения, выделившуюся2Электронно-микроскопические исследования были выполнены в Междисциплинарном Ресурсном Центре понаправлению “Нанотехнологии” Санкт-Петербургского государственного университета.62(A) или поглотившуюся (Б) при переходе из одного фазового состояния в другое.Величина энергии определяется как площадь под калориметрическим пиком (см.Рисунок 28). Для проведения калориметрических исследований использовалидифференциальный сканирующий калориметр Mettler Toledo 822e, в котором образцымассой 5мг нагревали и охлаждали в интервале температур -100оС ÷ 150оС соскоростью 10оС/мин.Испытания на микротвердостьДля исследования механических свойств биметаллов после сварки взрывом ипослеразличныхтермообработокпроизводилиизмерениямикротвердости.Определяли распределение микротвердости в поперечном сечении образцов внаправлении, перпендикулярном сварному шву.

Испытания проводили по методуВиккерса с использованием микротвердомера Buehler Micromet 5103.Методика трехточечного изгибаПолученныебиметаллическиеобъектыпредполагаютвозможноеиспользование их в качестве термопривода многократного действия, работающего врежиме изгиба, поэтому для исследования функционально-механических свойств визотермических условиях и при многократных теплосменах использовали методикутрехточечного изгиба.Изгибали образцы длиной 40 мм и шириной 5 мм.Биметаллические пластины деформировали при некоторой постоянной температуреметодом трехточечного изгиба до различных значений предварительной деформациипр и разгружали, измеряя остаточную деформацию ост .

Далее образцы нагревали дотемпературы, превышающей температуру окончания обратного мартенситногопревращения, при этом наблюдали возврат деформации ПФ за счет эффекта памятиформы. После этого образцы подвергали термоциклированию и измерялисамопроизвольную обратимую деформацию при теплосменах обр . Таким образом,испытания данной методикой можно условно разделить на два этапа. Первый этапсоответствовализотермическомуактивномудеформированиюобразцаспоследующей разгрузкой, при этом получали диаграмму деформирования в63координатах − . Второй этап описывал деформационное поведение изучаемогообразца в неизотермических условиях. Результатом являлось получение зависимости − , позволяющей производить качественную и количественную оценку явленийформоизменения, связанных с мартенситными превращениями.Эксперименты выполняли с помощью универсальной испытательной машиныLloyd LR30K Plus, оснащенной термокамерой.