Диссертация (Термобиметаллы с эффектом памяти формы), страница 12

Штатная термокамера испытательнойРисунок 29. Термокамера для проведения экспериментов по методике трехточечного изгиба притеплосменах: схема (а) и внешний вид (б). 1 – корпус термокамеры, 2 – теплоизолирующийматериал, 3 – нагревательные элементы, 4 – трубки охлаждения, 5 – база, 6 – индентор, 7 –распределительный штуцер системы охлаждения, 8 – образец.машины предназначена для изотермических испытаний и оказалась мало пригоднадляэкспериментовспеременнойтемпературой.Этосвязаносдвумяобстоятельствами.

Во-первых, большой рабочий объем термокамеры значительноувеличивает время проведения экспериментов, а также не позволяет охладить образецдо температуры ниже +10оС. Во-вторых, температурное расширение внутреннихчастей машины, находящихся в термокамере (захваты, база, шток индентора), имеетвеличину одинакового порядка с измеряемыми величинами деформации, чтосущественно снижает на точность измерения деформации. В связи с этим быласпроектирована и сконструирована новая термокамера, имеющая малый рабочийобъем. Термокамера имеет возможность изменения температуры образца в широкомдиапазоне температур. Принципиальная схема устройства термокамеры и её внешний64вид представлены на Рисунке 29. Термокамера состоит из корпуса (1), покрытоготеплоизолирующим материалом (2), систем нагрева (3) и охлаждения (4, 7), базы (5)и индентора (6), закрепленного на траверсе испытательной машины.

Образец 8,опертый на базу 5, деформировали методом трехточечного изгиба до заданнойвеличины предварительной деформации путем приложения силы F к индентору 6.Величина усилия определялась датчиком силы испытательной машины. Образец могбыть нагрет с помощью нагревательных элементов 3, представляющих из себяспирали из нихромовой проволоки диаметром 0,25 мм, помещенные в кварцевыетрубки диаметром 5 мм. Нагрев спирали осуществляли путем пропусканияэлектрического тока. Охлаждение образца осуществлялипутем подачи пароввыкипающего жидкого азота в распределительный штуцер 7, который направлял ихдалее к образцу через отверстия в охлаждающих трубках 4.

Диаметр отверстийсоставлял 1 мм, а диаметр трубок 6 мм с толщиной стенок 1мм. Пары выкипающегоазота попадали в распределительный штуцер через соединительный шланг,сообщающийся с сосудом Дьюара, в который помещали электронагревательныйэлемент. Таким образом, изменяя силу тока в системах охлаждения и нагрева можнобыло изменять как максимальную температуру рабочего объема термокамеры, так искорость изменения температуры в ходе эксперимента. Измерение температурыобразцаосуществлялиспомощьюхромель-копелевойтермопары.Нижепредставлены основные технические характеристики:Габаритные размер термокамеры (ДхШхВ), мм – 125 х 85 х 65Размер рабочей части термокамеры (ДхШхВ), мм – 100 х 60 х 55Рабочий объем термокамеры, см3 – 330Минимальная температура рабочего объема термокамеры, оС – -55Максимальная температура рабочего объема термокамеры, , оС – +200Максимальная мощность нагревательного элемента, Вт – 700Устройство термокамеры предполагало также возможность охлажденияобразца до температуры -197оС путем наполнения её жидким азотом.65Использованиеданной методики позволило регистрировать изменениедеформации образцов при многократных теплосменах в широком интервалетемператур.

Во время эксперимента фиксировали показания силы F, действующей наобразец, и перемещение траверсы испытательной машины f (величины прогиба),которые в дальнейшем пересчитывали в значение изгибающего момента M идеформации ε в наружном волокне изгибаемого образца:= ∙ 4где LS – ширина базы при изгибе,ℎ100%2где h – толщина образца, R – радиус кривизны изгиба, вычисленный как=2= +2 8Важно отметить, что расчет деформации ε по приведенной выше формулепредполагает, что нейтральная линия при изгибе проходит в точности по серединетолщины изгибаемой пластины. Очевидно, что если биметалл состоит из двухразличных материалов с разными модулями Юнга, то нейтральная линия не будетпроходить посередине пластины и необходимо применять формулы для биметалла,составленного из разных материалов.

Однако, такая оценка деформации оказываетсяневозможной и не будет соответствовать реальной ситуации, поскольку приизменении температуры свойства сплавов с памятью формы существенноизменяются. Для никелида титана, например, модуль Юнга при изменениитемпературы может изменяться в 2 – 4 раза. В связи со сказанным, положениенейтральной линии, а, следовательно, и величина деформации в наружном волокнебиметалла в каждый момент времени оказывается различной. По этой причине дляоценки деформации использовали приведенную выше формулу.66Описанная методика позволила исследовать функционально-механическиесвойства при многократных теплосменах различных биметаллических образцов,подвергнутых различным предварительным термообработкам67Глава 3.

Результаты исследований3.1. Результаты экспериментальных исследованийПри сварке взрывом материалы соединяемых деталей подвергаются ударноволновому нагружению и интенсивному деформированию в области поверхностиразделадвухматериалов.Этоприводиткизменениюмеханическихифункциональных свойств, изменению химического и фазового состава свариваемыхматериалов. В связи с этим в работе предприняты исследования структуры, фазовыхпереходов и механических свойств в исследуемых биметаллах после сварки взрывом.3.1.1. Исследование структуры сварного соединения биметаллическихкомпозитовСтруктуру сварного соединения биметаллических композитов изучали методомсветовой и электронной сканирующей микроскопии.

Это позволило изучитьморфологию поверхности соединения, влияние процесса сварки на структурусвариваемых материалов, а также определить наличие дефектов сварного соединения.На Рисунке 30 представлены изображения области сварного соединения биметалла“сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7” (Рисунок 30а) и биметалла “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50”(Рисунок 30б). Видно, что сварка взрывом не привела к образованию видимыхдефектов или трещин. В композите “сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7” также как и вкомпозите “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50” поверхность соединения является волнистой. Награнице сварного соединения двух сплавов TiNi на Рисунке 30б можно наблюдатьособенности, которые могут быть связанны с локальным расплавлением металла впроцессе соединения.На Рисунке 31 представлены изображения области сварного соединения,полученные в колонне электронного микроскопа.

Из Рисунка 31а видно, что вбиметаллическом композите “сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7” граница соединения имеетволнообразный характер с длиной волны около 800 мкм и амплитудой порядка 150мкм. На немногочисленных участках границы соединения материалов вблизи краев68соединяемых пластин были обнаружены микротрещины. Никаких других видимыхметаллургических дефектов в виде пор или зон локального плавления свариваемыхматериалов в композите “сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7” обнаружено не было.(а)(б)Рисунок 30.

Оптическая микроскопия зоны сварного соединения биметаллических композитов“сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7” (а) и “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50” (б). Стрелками указаны областилокального плавления(а)(б)Рисунок 31. СЭМ изображения области сварного соединения биметаллического композита “стальХ18Н10Т – Ti49,3Ni50,7” (а) и “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50” (б). Пунктиром выделена область композита“Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50” с измельченной зеренной структурой.69Изучение поверхности соединения биметаллического композита “Ti49,3Ni50,7 –Ti50Ni50” выявило наличие области с заметно измельченной зеренной структурой(Рисунок 31б). Большие пластические деформации, возникшие на границе соединенияв момент соударения пластин, могли привести к уменьшению размера зерен в этойобласти. Это позволило предположить, что зона сварного соединения проходитвнутри данной области.

Это утверждение подтверждается тем фактом, что внекоторых участках этой области были обнаружены микроскопические участки сзернами, обладающими столбчатой структурой (Рисунок 32). Согласно [41], награнице соединения свариваемых пластин может происходить локальное плавлениематериалов под действием энергии, выделившейся в процессе сварки. Припоследующем остывании материал в этих областях будет кристаллизоваться, и иметьпреимущественно столбчатую структуру. Таким образом, по положению областей сданной структурой можно судить о морфологии поверхности границы соединения вбиметалле “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50”.

Никаких других видимых макроскопическихдефектов обнаружено не было.Известно, что во многих случаяхпроцесссваркивзрывомсопровождатьсяможетвзаимнымперемешиваниемхимическихэлементов,свходящихсоставсвариваемых материалов. Это можетбытьвызванокаквзаимныммассопереносом вещества из одногослоя в другой под действием энергииРисунок 32. СЭМ Изображение зерен со столбчатой взрыва, так и образованием твердыхкристаллической структурой, обнаруженных в растворовобласти сварного шва композита “Ti49,3Ni50,7 –Ti50Ni50”в результате локальногоплавления свариваемых пластин. Обаэтих механизма могут приводить к70образованию в области соединения интерметаллидов.

Для того чтобы исключить фактобразования подобных соединений в изучаемых биметаллах, а также для определенияширины зоны перемешивания, исследовали распределение химического состава вкомпозитах в направлении, перпендикулярном сварному шву. На Рисунке 33представлено распределение химических элементов в поперечном сечении биметалла“сталь Х18Н10Т – Ti49,3Ni50,7”. Перемешивание компонентов слоев наблюдается вочень узкой области вблизи сварного шва.

Область перемешивания со стороны слояTiNi составила 2 мкм, а со стороны стали Х18Н10Т – 4 мкм. Вне зоны перемешивания,суммарной шириной 6 мкм, химический состав слоев соответствует химическомусоставу материалов, использованных для производства композита. В процессеанализа подобных зависимостей, полученных для различных сечений образца, какихлибо изменений химического состава, связанных с образованием интерметаллидовили выпадением частиц вторичных фаз, выявлено не было.В композите “Ti49,3Ni50,7 – Ti50Ni50” интерметаллиды, частицы вторичных фаз вобластисоединенияматериаловипереходнойзоныобнаружены.Этодвухпризнакитакженеобъясняетсяблизостью составов свариваемыхпластин TiNi.Анализрезультатовэлектроннойсканирующеймикроскопииираспределенияисследованияхимическихэлементов в слоях полученныхбиметаллическихРисунок 33. Распределение химических элементов вбиметаллическом композите “сталь Х18Н10Т – показал,Ti49,4Ni50,7” вблизи области соединения материалов.могуткомпозитахчто сваркой взрывомбытьполучены71качественные соединения сплава TiNi.