Диссертация (1149136), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Нагрев до 230оС. ⬦ – 1999 год, ⬛ – 2016 года) Скорость деформирования 10-3с-1 б) Скорость деформирования 103с-1.Точно так же в первом цикле после длительного хранения наблюдаетсяувеличение эффекта обратимой памяти формы на 12 и 25% в случаеквазистатическогоивысокоскоростногодеформирования,соответственно.Однако, последующее термоциклирование приводит к сильному уменьшениювеличины ОПФ.
С чем связано сильное уменьшение величины эффекта обратимойпамятиформы–ясно.Нагревдоболеевысокихтемпературпритермоциклировании приводит к релаксации внутренних напряжений, которыеинициируют рост ориентированных кристаллов мартенсита на этапе охлаждения.Чем меньше внутренние напряжения – тем меньшая доля ориентированныхкристаллов зарождается на этапе охлаждения, что приводит к менее выраженномуформовосстановлению при последующем нагреве.Единственное, что может происходить в материале с течением времени, еслив нем не происходит структурных изменений, связанных с превращением – эторелаксация внутренних напряжений.
В таком случае увеличение эффектаобратимой памяти формы со временем можно связать с релаксацией внутренних61напряжений, которые каким-то образом противодействовали возврату деформацииво время протекания обратного превращения. Эта гипотеза, объясняющая причинуувеличения эффекта обратимой памяти формы, будет проверена в главе,посвященной компьютерному моделированию процесса длительного хранения.2.5.Результаты испытанийРезюмируя, можно сказать, что экспериментально установлено следующее.Длядолговременнойнадежноститермомеханическихсоединенийсиспользованием сплава TiNiFe бòльшую роль играет ползучесть материаловсоединяемых элементов, и именно ее необходимо учитывать при проектировании.Релаксация реактивных напряжений в муфтах из сплава TiNiFe крайне мала исоставляет не более 8% за 30 лет.Реактивные напряжения в муфтах из низкотемпературного сплава CuZnAlрелаксируютестественнымобразом.Процессрелаксацииможетбытьтеоретически описан в рамках общепринятых гипотез И.А.
Одинга, значит никакихособенных релаксационных явлений, связанных с мартенситными превращениями,не наблюдается. Этот сплав надежен во времени и может быть использован длясоединений труб и конструкций как обычное соединения с натягом с той лишьразницей, что эффект памяти формы облегчает процесс сборки.
Необходимо толькопомнить, что сплав обладает высокой хрупкостью, что ограничивает величинупредварительной деформации дорнованием.Экспериментально подтверждена надежность рабочих элементов из сплаваTiNi эквиатомного состава, рассчитанных на реализацию эффекта памяти формы,находящихся длительное время во взведенном состоянии в ожидании рабочегоцикла. Установлено, что величина эффекта памяти формы 5% в сплаве TiNiэквиатомного состава с достаточной степенью точности не изменяется за времяхранения в деформированном мартенситном состоянии в течение 25-ти лет.Обнаружена особенность поведения обратимой памяти формы в разных сплавахна основе TiNi, заключающаяся в увеличении ОПФ после длительного (более 17лет) хранения в мартенситном состоянии. При этом увеличение обратимой памяти62формывэквиатомномсплавеTiNi,инициированнойпредварительнымвысокоскоростным деформированием, более существенно, чем инициированнойквазистатическим деформированием.
Этот факт говорит о гарантии надежностииспользования эффекта обратимой памяти формы в технике. Однако, еслитехнически необходима конкретная величина, то нагрев рабочего элемента доболее высоких температур цикла может вернуть значение ОПФ, тольконеобходимо правильно выбрать температуры нагрева. В таких случаях имеетсмыслпроводитьнесколькотермоцикловспостепеннымувеличениемтемпературы нагрева на несколько градусов в каждом цикле и отслеживатьвеличину ОПФ.63Глава 3. Компьютерное моделирование влияния временидлительного хранения на эффекты памяти в сплаве TiNiИсследовать на практике влияние длительного хранения по объективнымпричинам весьма затруднительно, а чаще всего просто невозможно. Нофункциональность устройства или рабочего элемента этого устройства напрямуюсвязан с его работоспособностью и надежностью на длительных промежуткахвремени.
Значит, необходим инструмент для прогнозирования возможногоизменения функциональных свойств сплавов с памятью формы.После получения экспериментальных зависимостей была предпринятапопытка теоретического моделирования процессов, происходящих в материале стечением времени и попытка описать процесс вылеживания в деформированноммартенситном состоянии его влияние на проявления эффектов однократной иобратимой памяти формы. Для теоретического моделирования была выбранамикроструктурная модель, основанная на структурно-аналитической теориипрочности.Структурно - аналитическая теория прочности была создана и развиваласьВ.
А. Лихачевым и В. Г. Малининым в конце ХХ-го века [58]. Впоследствии вусовершенствование теории микроструктурного моделирования сплавов спамятью формы был сделан вклад профессором А.Е. Волковым и доцентом М.Е.Евард с коллективом [59-67].Модификация модели, предложенная в настоящей работе, позволила учестьизменение плотностей дефектов с течением времени. Для учета влияния времени вуравнения плотностей дефектов были введены дополнительные слагаемые,которые устанавливают скорость изменения плотностей дефектов в зависимости отэнергии активации процесса, температуры и времени выдержки при этойтемпературе.
Вклад этих слагаемых варьируется посредством изменения входящихв них параметров: масштабирующих коэффициентов и энергии активации процессадля обоих типов дефектов. Варьируя введенные коэффициенты и подобрав64параметры модели, появилась возможность добиться такого изменения плотностейориентированных и рассеянных дефектов, что однократная память формы придлительной выдержке не изменяется, а обратимая память формы увеличивается.3.1.Формулировка модели, основные положенияМодельный материал представляет собой поликристалл, состоящий изнекоторогоколичествазерен,характеризующихсяориентациейкристаллографических осей ω. В каждом из зерен возможно сосуществованиеаустенитаинесколькихкристаллографическиэквивалентныхвариантовмартенсита.
Таким образом имеется три структурных уровня: 0-й уровень V0 – сампредставительный объем; 1-й уровень V1, занятый зерном с определеннойкристаллографической ориентацией ω; и 2-й уровень V2, занятый конкретнойфазой (аустенитом или одним из n вариантов мартенсита) (рисунок 4.1.).Рис.4.1. Представительный объем со структурными уровнями [59].Деформация представительного объема вычисляется в рамках гипотезы Райссапутем усреднения деформации всех зерен, составляющих представительныйобъем:ε = ε(0) = ∑ ε(1) (ω ) ,=1(1)65где – объемная доля зерен с кристаллографической ориентацией ω , –количество зерен, составляющих представительный объем.Благодаря гипотезе Райсса деформацию зерна εgr (объем первого уровня)можно представить как усреднение деформаций объемов 2-го уровня, занятыхаустенитом и n-м вариантом мартенсита, по правилу смеси:ε = ε(1)1= (1 − Ф )ε + ∑ Ф ε ,(2)=1где εА – деформация объема 2-го уровня, занятого аустенитом, ε – деформации(2)1объема 2-го уровня, занятого n-м вариантом мартенсита; Ф = Ф – доля объема12-го уровня, занятого n-м вариантом мартенсита; Ф = Ф(1) = ∑=1 Ф –объемная доля всего мартенсита в зерне [59, 65].Выражение (1) с учетом выражения (2) можно представить в виде:1= ∑ [(1 − Ф (ω ))ε(2) (ω ) + ∑ Ф (ω )ε(2) (ω )].=1(3)=1Объемная доля мартенсита в представительном объеме вычисляется поформуле:ФМ = Ф(0)1= ∑ [ ∑ Ф (ω )] ,=1(4)=1где – объемная доля зерен с ориентацией ω , – количество зерен,составляющих представительный объем.Структурно – аналитическая теория, а значит и микроструктурная модель,предполагает, что полная деформация представляется как сумма деформаций,инициированных различными механизмами.
На уровне зерна деформацию можнопредставить следующим образом:ε = ε(1) = ε(1) + ε(1) + ε(1)ℎ + ε(1) + ε(1) ,(5)66где ε(1) – упругая деформация; ε(1) – тепловое расширение. Упругая и тепловаядеформации определяются по закону Дюамеля – Неймана. ε(1)ℎ – фазоваядеформация, то есть деформация возникающая в результате изменения типа илипараметров кристаллической решетки, а также в результате переориентациимартенсита; ε(1) – микропластическая деформация, иначе говоря, пластическаядеформация, локализованная в местах роста кристаллов мартенсита, котораявозникает в результате несовместности деформации при превращении; ε(1) –пластическая деформация, то есть неупругая деформация, являющаяся результатомдвижения дислокаций. Предполагается, что в рассматриваемых материалахосновнымиканаламинеупругойдеформацииявляютсяфазовыйимикропластический, а пластическая деформация развивается при более высокомуровне напряжений, поэтому в настоящей работе этим слагаемым пренебрегали[59].Предполагается, что фазовая деформация для каждого варианта мартенситаесть бейновская деформация преобразования решетки с учетом доли данноговарианта.
Фазовая деформация зерна вычисляется как усредненная по всемвариантам мартенсита:ε(1)ℎ1= ∑ Ф D() ,(6)=1где D() – матрица бейновской деформации, деформации превращения n-говарианта мартенсита.Предпологали,чтомикропластическаядеформации,обусловленнаяпластической аккомодацией мартенсита, пропорциональна девиатору тензорафазовой деформации и определяется по формуле:ε(1)1= ∑ ε D() ,=1(7)67где ε – мера микропластической деформации, возникающий с ростом n-говарианта мартенсита, D() – девиаторная часть тензора деформации Бейна D() , – параметр материала [59].Для определения законов изменения величин Φ, ε необходимо рассмотретьсопряженные с этими величинами обобщенные термодинамические силы, длявычисления которых рассматривается потенциал Гиббса. Для двухфазной средыпотенциал Гиббса может быть записан в виде суммы: = + ,(8)где — собственный потенциал фаз (энергия аустенита и мартенсита, как еслибы они не взаимодействовали), — энергия их смешивания (энергиясмешивания фаз).Для собственного потенциала имеем: 1= (1 − Ф ) А + ∑ Ф ,(9)=1где А и – собственные потенциалы аустенитной фазы и n-го вариантамартенсита соответственно, которые представляются в виде[59]: =0−0 (0 ( − 0 )21 0() − − 0 ) −− ,202(10) = ; ,где 0 – температура равновесия фаз ( А = ), 0 значение потенциала притемпературе 0 и напряжении = 0, 0 – удельная энтропия при температуре 0 и0напряжении = 0, 0 – теплоемкость при постоянном напряжении = 0, –деформация материала за счет теплового расширения при напряжения = 0, – изотермические коэффициенты податливости при упругой деформации, = или .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
