Диссертация (1150440)
Текст из файла
1Санкт-Петербургский Государственный УниверситетНа правах рукописиМоторин Александр СергеевичФУНКЦИОНАЛЬНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАНИКЕЛИДА ТИТАНАПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ РАСТЯЖЕНИИСпециальность 01.02.04 – механика деформируемого твердого телаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель: д.т.н., с.н.с., проф. Разов А.И.Санкт-Петербург20162СодержаниеВведение ………………………………………………………………..…...……3Глава 1. Аналитический обзор…………………………………………………16Глава 2. Механические свойства никелида титана при высокоскоростноми квазистатическом растяжении………..…………….……..……….60Глава 3. Компьютерное моделирование механического поведенияникелида титана при высокоскоростном и квазистатическомрастяжении ……………………………………………...…….………75Глава 4.
Функциональные свойства никелида титана послевысокоскоростного и квазистатического растяжения…………...…89Глава 5. Эффект реверсивной обратимой памяти формы…………………...106Заключение……………………………………………….……………….…….121Литература……………………………………………….…………….……….1233ВведениеАктуальность темыИзменениясвойствразличныхматериаловподвоздействиемвысокоскоростного нагружения давно привлекают интерес ученых и инженеров,что связано с большой практической значимостью таких исследований длягражданской и специальной техники. Этот интерес не обошел стороной и сплавыс эффектом памяти формы (ЭПФ), особенно на основе композиции TiNi. Сплавына основе TiNi обладают уникальными свойствами – высокой коррозионнойстойкостью и прочностью, хорошими показателями восстановления деформации,высокими реактивными напряжениями, прекрасной биосовместимостью, высокойдемпфирующей способностью, ввиду чего к настоящему времени уже успешноприменяются во многих областях техники и медицины [1-9].
Функциональныесвойства этих сплавов используются при строительстве трубопроводов [3],морских судов и других транспортных средств [4], при создании элементовсамолетов, ракет, космических конструкций различного назначения [5,6].Способность сплавов с ЭПФ на основе никелида титана при определенныхтемпературах выдерживать большие нагрузки и изменения формы за счетсверхупругости без приобретения значительной остаточной деформации, в томчисле и при динамических воздействиях, дает возможность использовать этисплавы для решения проблем сейсмической защиты различных строительныхконструкций [10-16].Актуальность данной работы обусловлена еще и тем, что во многихобластях современной техники и медицины стремятся уменьшить размерырабочих элементов и снизить время отклика устройств, используемых вбыстропротекающих процессах [17].
Кроме того, сплавы с ЭПФ могутподвергатьсявысокоскоростномунагружениювпроцессевыполнениятехнологических операций, например, при создании биметаллических материаловс памятью формы [18, 19].4В связи с этим большое значение имеет исследование термомеханическихсвойствсплавовсЭПФпривысокоскоростномнагружении,когдадеформирование осуществляют со скоростями около 102 -103с-1 и выше. И еслимеханическиесвойстваникелидатитана,включаясверхупругость,привысокоскоростном нагружении были частично исследованы ранее несколькимидругими авторами, в основном, при сжатии, то систематические исследованияфункциональных свойств, таких как однократная и обратимая память формы, прирастяжении, и их сравнение с квазистатическим случаем, практически,отсутствуют.
Все вышесказанное говорит об актуальности исследованиямеханических свойств никелида титана при высокоскоростном растяжении и егофункциональных свойств, инициированных этим нагружением, что в дальнейшемможет дать дополнительные возможности при применении этих сплавов.Степень ее разработанностиВ проведенных ранее известных работах авторы, в основном, привысокоскоростном нагружении исследовали механические свойства сплавов TiNi[20-23]. К исследованию механических свойств можно отнести и некотороеколичество работ, посвященное сверхупругому поведению никелида титана [2426], хотя, конечно, это свойство можно отнести и к функциональным свойствам,связаннымсобратимымимартенситнымипревращениями.Исследованиемеханических свойств наиболее полно проводилось при деформировании сплавовсжатием [20, 21, 23-30].
В режиме растяжения исследования влияния скоростидеформирования и температуры испытания на механическое поведение сплаваTiNi частично проводились в работах [31-33] и не носили систематическийхарактер.Исследования функциональных свойств никелида титана - эффектаоднократной памяти формы и эффекта обратимой памяти формы (ОПФ) послевысокоскоростного деформирования носили несистематический характер и, восновном, проводились в режиме сжатия, так как это наиболее распространеннаяметодика с использованием разрезных стержней Гопкинсона. Систематические5работы по исследованию однократной и обратимой памяти формы были начатыработами [34-36], в которых изучение ЭПФ и ОПФ проводили только послевысокоскоростного предварительного сжатия при комнатной температуре (вмартенситном состоянии). При этом было показано, что существуют областипредварительныхвысокоскоростныхдеформаций,которыеприводиликповышению эффектов памяти формы по сравнению с квазистатическимнагружением.
Систематические работы, описывающие поведение сплавов с ЭПФпосле высокоскоростного нагружения в режиме растяжения отсутствовали.Учитывая все вышесказанное, исследования, проведенные в данной работе,являются абсолютно новыми и актуальными.Целью работы являлось исследование механических и функциональных свойствникелида титана эквиатомного состава при высокоскоростном и квазистатическомрастяжении в температурном интервале, охватывающем диапазон мартенситногопревращения, изучение зависимости этих свойств от температуры, при которойосуществляли нагружение, и компьютерное моделирование механическогоповедения сплава в указанном интервале температур.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:1. Провести высокоскоростное и квазистатическое растяжение образцов изэквиатомного сплава TiNi при различных температурах в интервале 20-300оC,охватывающем диапазон температур мартенситного превращения.2.
Осуществить сравнительный анализ механических свойств эквиатомногосплава TiNi при высокоскоростном и квазистатическом растяжении.3. Выполнитькомпьютерноемоделированиемеханическогоповеденияэквиатомного сплава TiNi при квазистатическом и высокоскоростномрастяжениивинтервалетемператур20-300оCсиспользованиеммикроструктурного подхода.4. Исследовать особенности проявления эффектов однократной и обратимойпамяти формы в эквиатомном сплаве TiNi после высокоскоростного иквазистатического растяжения.65. Изучить влияние температуры, при которой осуществляли деформирование,на механические и функциональные свойства эквиатомного сплава TiNi.Научная новизнаВ результате проведенного исследования установлено, что фазовый идислокационный пределы текучести сплава TiNi эквиатомного состава приквазистатическом и высокоскоростном растяжении ведут себя различнымобразом.
Это означает, что ответственные за такое поведение процессыдвойникования,раздвойникованияипереориентациимартенситнойфазычувствительны к скорости нагружения. Обнаружено, что при высокоскоростномрастяжении значения фазового предела текучести всегда выше, чем приквазистатическом. Показано, что компьютерное моделирование механическогоповедения эквиатомного никелида титана в широком интервале температур,проведенное с использованием микроструктурного подхода, дает достаточнохорошее совпадение с экспериментальными данными, как в квазистатическомслучае, так и при высокоскоростном нагружении.Установлено, что эффект памяти формы после высокоскоростногодеформирования растяжением при различных температурах до остаточныхдеформаций 10-25% всегда меньше, чем после квазистатического нагружения.Эффект памяти формы и обратимая память формы мартенситного типа,инициированные высокоскоростным нагружением, уменьшаются с повышениемтемпературы испытаний быстрее, чем инициированные квазистатическимнагружением.
Обратимая память формы мартенситного типа с повышениемтемпературы предварительного нагружения переходит в обратимую памятьформы аустенитного типа. Обнаружен температурный интервал, где оба типаобратимой памяти формы сосуществуют и приводят к появлению реверсивнойОПФ. Таким образом, был найден простой способ формирования реверсивнойобратимой памяти формы, заключающийся в деформировании никелида титанапри определенных температурах в аустенитном состоянии.7Установлено, что деформирование сплава TiNi, содержащего в своемсоставе аустенит, приводит к повышению его функциональных свойств –однократной и обратимой памяти формы.Теоретическая и практическая значимостьРезультаты работы имеют большую теоретическую значимость, так какполученные экспериментальные данные о механических и функциональныхсвойствах сплава TiNi при высокоскоростном растяжении и их сравнение сквазистатическим случаем позволит развивать имеющиеся теории, описывающиемеханическое поведение сплавов с ЭПФ, в том числе, и при динамическихвоздействиях.Показано,чтомикроструктурныйподходкописаниюмеханического поведения никелида титана может быть использован не только вслучае квазистатического нагружения, но и высокоскоростного.Практическая значимость результатов исследования заключается в том, чтона основе полученных данных разработчикам испытывающих динамическиенагрузки устройств на основе никелида титана могут быть сформулированыпрактическиерекомендацииповыборудеформационно-силовыхитемпературных режимов функционирования рабочих элементов этих устройств,обеспечивающих наиболее эффективное использование термомеханических ифункциональных свойств эквиатомного сплава TiNi и оптимизацию рабочиххарактеристик устройства.Методология и методы исследованияВысокоскоростное растяжение осуществляли на установке, реализующейметод Кольского для разрезных стержней Гопкинсона, со скоростью около 10 3 с-1.Квазистатическое растяжение проводили на испытательной машине Lloyd LR30KPlus со скоростью 10-3с-1.
Для высокоскоростного и квазистатического растяженияцилиндрические образцы с диаметром 5 мм и длиной рабочей части 10 ммизготавливали из горячекатаных прутков двойного сплава NiTi, который послеотжига при 500°C в течение 1ч и последующего охлаждения с печью8характеризовался следующими температурами мартенситного превращения: M s =74°C, Mf = 32°C, As = 74°C, Af = 98°C. Характеристические температуры прямогои обратного мартенситных превращений определяли в дифференциальномсканирующем калориметре (ДСК) Mettler Toledo 822e. Скорость охлаждения инагрева образцов в калориметре составляла 10 град/мин. Характеристическиетемпературыпревращенийопределялиметодомкасательных.Послевысокоскоростного и квазистатического деформирования образцы с цельюисследования однократной и обратимой памяти формы термоциклировали соскоростью2К/минвспециальнойустановкедлядилатометрическихисследований.
Температуру образцов измеряли термопарой хромель-копель,изменение длины образца (удлинение или сжатие) фиксировали линейнымизмерителем расстояний ЛИР 15, имевшем чувствительность 0,001 мм. Сигнал оттермопары и ЛИРа после усиления и преобразования в цифровой форматпоступал в компьютер.Основные положения и результаты, выносимые на защиту1. Закономерности изменения фазового и дислокационного пределов текучестиэквиатомногосплаваTiNiоттемпературыквазистатическогоивысокоскоростного растяжения.2. Результатыкомпьютерногомоделированиямеханическогоповеденияэквиатомного сплава TiNi при квазистатическом и высокоскоростномрастяжении в широком интервале температур, охватывающем диапазонмартенситного превращения.3.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
