Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Конспект лекционных занятий



Лекция 1. Предмет, цели и задачи дисциплины. Роль материаловедения в научно-техническом прогрессе машиностроения и приборостроения. Общая характеристика и классификация материалов со специальными (особыми) свойствами.

Современное машиностроение в связи с интенсивным развитием новых отраслей науки и техники выдвигает все более жесткие требования к конструкционным и прибо-ростроительным материалам, что обусловлено расширением условий их эксплуатации вплоть до экстремальных. – высокие и сверхнизкие температуры, агрессивные среды, сверхмощные излучения, высокочастотные магнитные и электромагнитные поля, вакуум и сверхвысокие давления. Говоря словами крупнейшего металлурга и материаловеда А.А. Байкова, «Именно материал, удовлет-воряющий необходимым требованиям, определяет оптимальные возможности всех крупнейших и важнейших физико-технических и инженерных разработок».

Выдающиеся успехи в области физики, химии, металлургии, металловедения, материаловедения и технологии позволили разработать материалы со специальными (особыми) свойствами, способными противостоять разрушающему действию неблаго-приятных условий эксплуатации. На примере требований к материалам для космических и реактивных аппаратов можно показать, насколько разнообразными свойствами должен обладать материал, чтобы обеспечить их безаварийную и бесперебойную работу: термоциклическя стойкость к перепаду температур от абсолютного нуля до десятков тысяч градусов, вакуумная стойкость в условиях открытого космоса (10-16 атм), устойчивость против вибраций, больших ускорений (десятки тысяч g), метеоритной бомбардировки, длительного воздействия плазмы, излучений, невесомости и т.п. При этом сохраняются обычные для конструкционных материалов требования по прочности, надежности, долговечности., технологичности и приемлемым ценам.

Выбор материала для той или иной цели обусловливается условиями работы и комплексом его физико-химических, механических, технологических и эксплуатационных свойств, что для ряда важнейших отраслей машиностроения предполагает наличие специфических качеств и свойств, таких как жаростойкость, жаропрочность, радиационная стойкость, жесткость, звукопоглощение, сильная и слабая намагниченность, кислото-упорность, сверхпластичность, высокая жидкотекучесть и целый ряд других.

Основное содержание дисциплины заключается в изучении зависимости физико-химических, механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов от их состава, строения, структуры и действия внешних факторов. При этом в рамках решения материаловедческих задач рассматривается причинно-следственная связь между ними и формируются основные принципы создания материалов с заданным комплексом свойств.

Для понимания содержания дисциплины "Особые свойства материалов" необходимо определить ее основые понятия – материал, специальные (особые), свойство, Базовой предпосылкой для формирования специальных свойств являются физические свойства материалов.

Физика – (от греч. природа) наука о природе и наиболее общих законах и свойствах материального мира в их взаимосвязи и развитии. Физика составляет фундамент всей современной науки и техники, без чего невозможно существование человеческой цивили-зации на уровне развитых общественных формаций.

Специальные, особые, специфические – качественно отличительные признаки объекта. характеризующие его принципиальное отличие от других объектов одного класса.

«Свойство – (от рус. корня свой) философская категория, выражающая такую сторону предмета, которая обусловливает его различие или общность с другими предметами и обнаруживается в его отношении к ним». Еще одно определение - «Свойство есть сторона предмета, объективно обусловливающая его различие или сходство с другими предметами, присущая ему самому».

Свойства проявляются во взаимодействии данного предмета с другими или в его реакции на внешние воздействия прямого (деформация) или косвенного характера (температура, излучение, химическая среда). По этой причине всякие свойства относительны, и для их конкретизации необходимо использование эталонов. Так, эталоном плотности является масса 1см3 воды при 0 °С и нормальном давлении (1 атм), эталоном температуры – 1/100 часть разницы между точками плавления и кипения воды при давлении 760 мм ртутного столба (1 атм.). Отношение характеристики предмета к выбранному эталону является численным выражением свойств.

«Материал – (от лат. основа, субстрат) основа всех реально существующих в мире объектов, свойств, связей и форм движения материи». Виды материи – вещество и поле. Форма существования – пространство и время. Способ существования – движение.

В инженерно-техническом аспекте под материалом понимается твердое тело, предназначенное для изготовления деталей, машин, инженерных сооружений, подвергающееся механическим нагрузкам и обладающее определенным запасом констру-кционной прочности. Такое твердое тело называется конструкционным материалом, который характеризуется элементным составом, имеет свою структуру, строение, технологию изготовления, находится в определенном состоянии и др.

Под конструкционной прочностью понимается комплексная характеристика механических свойств, включающая в себя сочетание критериев прочности, надежности и долговечности. Материалы со специальными свойствами дополнительно должны обладать определенным уровнем физико-химических свойств и их стабильностью в заданны х условиях эксплуатации

Классификация физических свойств.Понятие физических свойств достаточно условно, так как все свойства вещества в большей или меньшей степени являются физическими, в том числе к ним относятся и механические свойства. Однако, есть признак, который чисто внешне позволяет их разделить. Он связан с особенностями их измерения, а именно: при измерении механических свойств объекты подвергаются разрушению или необратимой пластической деформации (кроме твердости). При измерении физических свойств объекты, как правило, сохраняют свою форму и размер, за исключением термического расширения. Кроме того, теория механических свойств металлов и сплавов преимущественно основана на взаимодействии дефектов кристаллического строения с внешними усилиями или напряжениями, а теория физических свойств – представляет собой теорию динамики кристаллической решетки и взаимодействия ее поля с электронами и электронов между собой.

К физическим свойствам относятся: упругие (модули упругости и коэффициент Пуассона), тепловые (теплоемкость, теплопроводность), электрические (удельные электросопротивление и проводимость), магнитные (коэрцитивная сила, намагниченность, парамагнитная и диамагнитная проницаемость, индукция насыщения и др.), сечения ядерных реакций (захвата, поглощения, рассеяния), а также плотность и термическое расширение.

Все физические свойства условно делятся на структурно-чувствительные и структурно-нечувствительные. Под структурой материала понимается тип кристаллической решетки, форма и размер зерна (фаз), дефекты кристаллического строения. К элементам структуры поликристаллических тел, которые могут влиять на физические свойства, относятся границы зерен и внутренние напряжения, вызванные теми или иными причинами (например, деформационный и фазовый наклеп), а также кристаллическая текстура. Степень ее совершенства или отсутствие особенно сильно сказываются на физических свойствах, чувствительных к анизотропии кристалла. Структурно-нечувствительные свойства в большей степени изменяются при изменении химического состава и в меньшей - при изменении их структуры. Структурно-чувствительные – наоборот. Однако, и те и другие зависят от фазового состава сплава.

Выбор определяющего физического свойства зависит от эксплуатационных требований к материалу и содержания материаловедческой задачи с учетом физической природы конкретного свойства и его зависимости от состава, строения и структуры, а также влияния на него внешних факторов - силовых, скоростных, температурно-временных, воздействия окружающей среды и др.

Кроме физических к категории специальных относятся химические свойства материалов. В материаловедении – это жаростойкость (окалиностойкость), коррозионная стойкость и кислотоупорность.

Химия – наука, изучающая превращения веществ, основанных на взаимодействии атомов, которые сопровождаются перестройкой их электронных оболочек с образованием новых веществ измененного состава и (или) строения.

К машиностроительным материалам со специальными свойствами относятся:

- пружинные (обладающие высокой способностью к упругой деформации),

- с эффектом памяти формы (восстанавливающие первоначальную форму за счет термоупругого мартенситного превращения),

- демпфирующие (способные к рассеиванию механической энергии),

- жаропрочные (сопротивляющиеся термическому разупрочнению),

- инварные (стойкие к термическому расширению),

- жаростойкие (сопротивляющиеся химическому разрушению),

- кислотоупорные (стойкие к действию кислот),

- радиационно-стойкие (сопротивляющиеся радиационному излучению)

- магнитнотвердые и магнитномягкие (с высокими магнитными характеристиками),

- сверхпроводящие (имеющие свехнизкое сопротивление электрическому току) и др.

Развитие науки и техники, возникновение новых видов производств инициирует новые направления регулирования свойств материалов, которые ранее считались недостижимыми. В этой связи содержание металловедения и материаловедения становится более емким и разнообразным и имеет своей целью не только разработку конструкционных материалов, а расширение возможностей реализации специальных свойств в направлении создания функциональных материалов.

Рекомендуемая литература

Осн. 1 [201-202, 278-280, 284-285, 299, 301-302, 326-327]

Контрольные вопросы

1 Какое свойство называется особым?

2 В чем проявляется относительность свойств?

3 Какие свойства материалов относятся к физическим?

4 Какие свойства материалов относятся к химическим?

5 В чем состоит основное содержание дисциплины "Специальные свойства материалов"?

 

Лекция 2. Упругие свойства материалов и их характеристики. Физический смысл модулей упругости. Применение модулей упругости для решения материаловедческих задач. Пружинные материалы машиностроения и приборостроения. Способы повышения упругих свойств, роль легирующих элементов

Упругостью называется свойство материалов восстанавливать свою форму и объем (твердые тела)или только объем (жидкие и газообразные) после прекращения действия внешних сил. В качестве основного расчетного параметра при конструировании машин, агрегатов и сооружений используются константы упругости материала, так как они позволяют судить о силе межатомной связи компонентов и способности выдерживать нагрузку или деформацию, что является основой разработки материалов для несущих конструкций, пружин и рессор.

Физический смысл модулей упругости.Модуль упругости Е при комнатной температуре зависит от положения элемента в Периодической системе и является периодической функцией его атомного номера, т.е. представляет собой физическую константу механических свойств.Модули упругости, связывающие напряжения и деформацию по закону Гука S=E·ε, характеризуют силы взаимодействия между соседними атомами в кристаллической решетке, чем они сильнее, тем на меньшие расстояния смещаются атомы под действием одного и того же напряжения, тем большей жесткостью обладает материал и ниже его способность к упругой деформации и наоборот.

Применение модулей упругости для решения материаловедческих задачсводится к следующему:

1) К расчету несущей способности материала и его способности к развитию упругой деформации. Величина модулей упругости материалов определяет их применение для изготовления пружин и рессор – низкие значения или для изготовления несущих конструкций и опор – высокие значения. Материалы характеризуются, соответственно, способностью к развитию больших упругих деформаций или повышенной жесткостью. Оба эти качества обеспечиваются физической природой металлов и сплавов.

2) Структурная чувствительности модулей упругости определяется силами межатомной связи, зависит от типа кристаллической решетки и ее периода, числа валентных электронов, поэтому модули упругости могут быть использованы для изучения структурных и фазовых превращений как в чистых металлах, так и сплавах на их основе.

Для решения конкретных задач с использованием упругих характеристик, необходимо знать влияние на них разных факторов. Они сводятся к следующему:

1 В температурно-концентрационных интервалах протекания структурных и фазовых превращений монотонная зависимость модулей упругости нарушается. На соответствующих кривых появляются экстремумы и перегибы из-за изменения основных параметров процесса (типа кристаллической решетки, удельного объема, пара-ферромагнитного перехода, развития рекристаллизации, упорядочения, старения и т.п.).

2 При наклепе у металлов с ОЦК и ГЦК решетками модули упругости падают примерно на 1 %, что связано с деформационным упрочнением материала, в результате чего затрудняется развитие пластической деформации и расширяются возможности для реализации упругой деформации.

3 В низко концентрированных твердых растворах модули упругости изменяются незначительно, поскольку связи между атомами основного компонента А-А доминируют над связями А-В – атомами основного компонента с легирующими.

4 При образовании непрерывных твердых растворов (однотипные кристаллические решетки растворенного элемента и растворителя, близкие валентности и размеры атомного радиуса) модули упругости меняются линейно или практически линейно в зависимости от атомной концентрации компонентов (системы медь-никель, медь-платина, медь-золото, серебро-золото).

5 При упорядочении атомно-кристаллической структуры увеличиваются силы межатомной связи и при конкретной температуре модули упругости резкое повышаются. При нагревании имеет место обратная картина – модули упругости резко падают. Аналогичная ситуация наблюдается при распаде пересыщенного твердого раствора и выделении из него новых фаз.

6 В сплавах, компоненты которых образуют механические смеси, зависимость модулей упругости от концентрации второго элемента линейная, а их величина складывается из величин модулей упругости компонентов, аналогично изменениям других свойств.

Принципы создания материалов с высокими упругими свойствами.Требования к таким материалам состоят в следующем:

1) Низкий модуль упругости, что обеспечивает большие степени упругой деформации;

2) Высокий предел упругости (текучести), т.е. высокое сопротивление развитию пластической деформации;

3) Высокий предел выносливости (наибольшее значение максимального напряжения цикла, при котором материал не разрушается после неограниченного числа циклов нагружения), поскольку материал подвергается действию знакопеременных нагрузок;

4) Достаточная пластичность и вязкость;

5) Большая суммарная величина упругой деформации (определяется конструкцией изделия, в частности, числом и диаметром витков пружины).

Высокий предел упругости повышает сопротивление материала пластической деформации, т.е. в нем реализуются условия, препятствующие движению дислокаций. С этой целью необходимо следующее:

- создать стабильную дислокационную структуру, в которой прочно заблокированы почти все дислокации;

- максимально снизить исходный уровень микронапряжений, чтобы они, суммируясь с рабочим, не превысили предел текучести и не облегчили движение дислокаций.

Выполнение этих требований достигается путем:

- легирования (легирующий атом создает поля упругих искажений при твердо-растворном легировании или образует новую фазу – при упрочнении дисперсными части-цами);

- наклепа – в результате чего сильно повышается плотность дислокаций, что затрудняет их перемещение и, соответственно, пластическую деформацию, инициируя деформацию упругую;

- отпуска и старения, в результате чего происходит выделение избыточных дисперсных фаз, являющихся барьерами для движения дислокаций.

Рессорно-пружинные стали и сплавы. Влияние легирующих элементов. Материалы с высокими упругими свойствами широко применяются в качестве рессор, амортизаторов, пружин различного назначения - в машиностроении, мембран, реле, растяжек, подвесок, сильфонов – в приборостроении. В приборостроении требования к упругим материалам более жесткие, поскольку не допускается даже минимальное отклонение от линейной зависимости между приложенным напряжением и вызванной им деформацией.

Рессорой (от фр. ressort – упругость) называется упругий элемент подвески транспортных машин, смягчающий удары и выдерживающий рабочую нагрузку без остаточной деформации.

Пружиной называется деталь машины или механизма, служащая для поглощения, накопления и отдачи механической энергии при своем деформировании. Пружинная форма упругого элемента обеспечивает повышение его длины и, соответственно, способствует увеличению величины абсолютной упругой деформации.

Для обеспечения высоких пределов упругости и текучести сталь должна содержать углерода в количестве 0,5-0,7 % и легирующих элементов (таблица 2.1). Легирующие элементы (за исключением кремния и марганца) слабо влияют на предел упругости. В основном они повышают прокаливаемость (W и Ni), релаксационную стойкость, предел выносливости и используются главным образом в сталях, предназначенных для изготовления больших по размеру упругих элементов с более длительным периодом эксплуатации и более высокой надежностью. В особо ответственных случаях добавляются хром (около 1%) и ванадий (около 0,15%).

Важным легирующим элементом является кремний (1-3%), который сильно упрочняет феррит и задерживает распад мартенсита. Отрицательное влияние кремния состоит в том, что он из-за большей растворимости в α – железе (до 4 %) вытесняет из него углерод, что приводит к обезуглероживанию, графитизации и снижению выносливости. При содержании более 2,5 % он усиливает склонность к образованию поверхностных дефектов при горячей обработке давлением. Добавка марганца, который непрерывно растворяется в аустените, блокирует вредное влияние кремния, снижая его растворимость в железе.

Повышение эксплуатационных (упругих) свойств достигается термообработкой по следующему режиму:

1) Закалка с температур 850-870 °С в масло или воду;

2) Отпуск при температурах 350-520 °С с получением троостита отпуска, высокая дисперсность которого тормозит пластическую деформацию и способствует развитию упругой.

Температура отпуска определяется опытным путем на основании данных о влиянии режимов отпуска на свойства сталей (рисунок 2.1). В соответствии с полученными результатами, при 300-400 °С предел упругости достигаем максимальной величины при некотором снижении ударной вязкости. После термообработки сталь приобретает следующие свойства:

Рисунок 2.1 – Изменение механических свойств пружинных сталей от температуры отпуска Рисунок 2.2 – Диаграмма состояния Cu – Be

 

σВ – 1300-1500 МПа HRC = 35-45 σ-1 = 500-650 МПа (изгиб

σт – 800-1000 МПа НВ = 365-475 МПа σ-1 = 300 МПа (кручение).

δ = 5-7 %

Таблица 2.1 - Состав пружинных сталей, % (ГОСТ 14959-69)

№ пп Марка стали C Mn Si Cr V
0,62 – 0,70 0,67 – 0,75 0,72 – 0,80 0,50 – 0,80 0,50 – 0,80 0,50 – 0,80 0,17 – 0,37 0,17 – 0,37 0,17 – 0,37 — — — — — —
65Г 0,62 – 0,70 0,90 – 1,20 0,17 – 0,37
50С2 55С2 60С2 70С3А 0,47 – 0,55 0,52 – 0,60 0,57 – 0,65 0,66 – 0,74 0,60 – 0,90 0,60 – 0,90 0,60 – 0,90 0,60 – 0,90 1,50 – 2,00 1,50 – 2,00 1,50 – 2,00 2,40 – 2,80 — — — — — — — —
55СГ 60СГ 0,50 – 0,60 0,55 – 0,65 0,80 – 1,00 0,80 – 1,00 1,30 – 1,80 1,30 – 1,80 — — — —
50ХФА 50ХГФА 60С2ХА 0,46 – 0,54 0,48 – 0,55 0,56 – 0,64 0,50 – 0,80 0,80 – 1,00 0,40 – 0,70 0,17 – 0,37 0,17 – 0,37 1,40 – 1,80 0,80 – 1,10 0,95 – 1,20 0,70 – 1,00 0,10 – 0,20 0,15 – 0,25 —

 

Таблица 2.2 - Режим термической обработки пружин и рессор

Марка стали Закалка Отпуск, °С Твердость НВ
t, °C среда
50С2 60С2 50ХФА 60С2ХА Масло или вода Масло » » 365 – 410 390 – 480 390 – 480 420 – 475

Часто пружины изготавливают из шлифованной холоднотянутой проволоки (так называемой серебрянки). Наклеп (нагартовка) от холодной протяжки создает высокую твердость и упругость. После навивки или другого способа изготовления пружину следует отпустить при 250-350 °С для снятия внутренних напряжений, что повышает предел упругости. Для изготовления серебрянки применяют обычные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10.

Значительно улучшить стойкость пружинных материалов, испытывающих знакопеременные нагрузки, можно также в результате поверхностного наклепа при обдувке дробью. Возникающие в поверхностном наклепанном слое напряжения сжатия повышают предел выносливости (усталости) и уменьшают вредное действие возможных дефектов поверхности, что способствует улучшению качества и повышению работоспособности пружин и рессор при эксплуатации. При наличии трещин, плен и других поверхностных дефектов пружины оказываются нестойкими в работе и разрушаются вследствие развития усталостных явлений в местах концентрации напряжений вокруг этих дефектов.

Пружинные материалы для приборостроения. Бериллиевые бронзы. Бериллиевые бронзы используют для изготовления упругих элементов ответ­ственного назначения. Представляют собой сплавы на медной основе, легированные бериллием в количестве 2,0-2,5 мас.% (ГОСТ 18175-78). Характеризуются высоким пределом упругости и низ­ким модулем упругости, что обес­печивает малые неупругие эффекты при больших упругих деформациях. Кроме этого, сплавы обладают высокой корро­зионной стойкостью, электропроводи­мостью, немагнитностью, хорошей технологичностью, а также способностью упрочняться термической обработкой. Бериллиевую бронзу применяют как безыскровой инструмент, поскольку при ударе о металл или камень не получается искры, как у стали. По этой причине инструмент из бериллиевой бронзы применяется при взрывоопасных горных работах.

Сплав БрБ2, в котором со­держание бериллия составляет около 2 %, относится к дисперсионно-твердеющим из-за изменения растворимости бериллия в меди от 1,5 % при 605 °С до 0,2 % – при комнатной температуре (рисунок 2.2). После закалки с 800 °С в воду и искусственного старения при 300-350 °С он имеет предел упругости σ0,002 = 600 МПа (таблица 2.3) за счет выделения упрочняющей γ, представляющей собой химическое соединение CuBe (рисунок 2.3). Увеличение содержания бериллия до 2,5 % повышает предел упругости. Одна­ко, высокая стоимость бериллия ограни­чивает применение такого сплава. Ши­роко используется сплав БрБНТ1,9, ле­гированный титаном и никелем. По упругим свойствам он мало уступает сплаву БрБ2,5 (таблица 2.3).

а – литое состояние, х150; б – закаленное с 800 °С и отпущенное при 350 °С, х250 Рисунок 2.3 – Микроструктура бериллиевой бронзы БрБ2,5

Дальнейшее повышение предела упру­гости достигается микролегированием бериллиевых бронз бором (0,01 %) или магнием (0,1 %). Введение этих поверх­ностно-активных элементов способствует при старениии увеличе­нию объемной доли упрочняющих ча­стиц, повышение степени их дисперсности, плотности и равномерности их распре­деления. Микролегирование заметно по­вышает предел упругости и снижает не­упругие эффекты (таблица 2.3, сплав БрБНТ1,9Мг).

 

Таблица 2.3 - Свойства термически упрочненных сплавов для упругих элементов приборов

Сплав Массовая доля элементов*, % Механические свойства
            σ0,002 Е .10–5
Ве Ni Ti А1 Cr Mg МПа
БрБ2 1,8-2,1 0,2-0,5 1,28
БрБНТl,9 1,85-2,1 0,2-0,4 0,1-0,25 1,25
БрБНТl,9Мг 1,85-2,1 0,2-0,4 0,1-0,25 0,1 1,25
36НХТЮ 35-37 2,7 - 3,2 0,9-1,2 11,5-13 2,2
* По ГОСТ 18175-78.

Железоникелевые пружинные материалы.Сплавы железа с никелем (ГОСТ10994-74) менее дефицитны и дешевле бериллиевых бронз. Они имеют примерно такой же предел упругости, но более высокий модуль упругости, что снижает допустимые упругие деформации элемента. Основным железоникелевым пружинным сплавом является сплав 36НХТЮ, в котором высокое содержание никеля и хрома обеспечивает получение аустенитной структуры и способствует достижению высокой коррозионной стойкости. Аустенитная структура придает сплаву хорошие технологические свойства при обработке давлением и свариваемость.

В качестве легирующих элементов используют титан и алюминий, которые образуют с никелем фазы переменной растворимости, что позволяет применять к нему упрочняющую термическую обработку по следующему режиму:

1 Закалка от 925-950 °С, в результате которой образуется пересыщенный твердый раствор аустенита;

2 Искусственное старение при 700 °С в течение 2 ч, в процессе которого из аустенита выделяется промежуточная метастабильная γ΄- фаза, повышающая предел упругости σ0,002 до 800 МПа.

3 Термомеханическая обработка, в результате применения которой σ0,002 достигает 1100 МПа.

Дополнительное легирование молибденом в количестве 8 % (36НХТЮМ8) после термической обработки позволяет получить предел упругости σ0,002=950 МПа.

Рекомендуемая литература

Осн. 1 [201-206], 2 [403-406, 616-617]

Дополнительная 1 [9-270]

Контрольные вопросы

1 Что называется рессорой и пружиной?

2 Какой способ упрочнения реализуется в бериллиевых бронзах?

3 Какие материаловедческие задачи можно решать с использованием модулей упругости металлов и сплавов?

4 Какие предъявляются требования к пружинным материалам?

5 В чем заключается механизм повышения упругих свойств?

Лекция 3. Эффект памяти формы. Общие сведения. Виды мартенситных превращений. Термодинамика и кристаллография мартенситного превращения. Мартенситное превращение и изменение формы. Термоупругость и псевдоупругость. .

Впервые явление запоминания или восстановления первоначальной формы образцами было обнаружено в 1948 г. акад. Г.В. Курдюмовым и докт.физ.-мат. наук Л.Г Хандросом в материалах, испытывающих мартенситное превращение. Позднее оно официально было названо эффектом Курдюмова и за ним закрепилось название эффект памяти формы (ЭПФ).

Рисунок 3.1 – Спонтанное изменение формы (круговой эффект памяти формы) в сплавах Ti – 51 % (ат.) Ni, состаренных при 400 °С в течение 100 ч

Эффектом памяти формы называется свойство металлов и сплавов, пластически деформированных в мартенсит­ном состоянии или в интервале тем­ператур термоупругого мартенситного превраще­ния, восстанавливать исходную фор­му при последующем нагреве (рисунок 3.1). Особенность термоупругого мартенситного превращениисостоит в том, что изменение структуры его продуктов (рост или сжатие пластин) управляется только скоростью изменения температуры. Кристаллы первоначально образованного мартенсита при изменении температуры растут или сокращаются со скоростью, соответствующей скорости охлаждения и нагрева (рисунок 3.2).

Другие типы мартенситных превращений – атермическое и изотермическое к ЭПФ не приводят.Они характеризуются очень высокой скоростью протекания, которая не зависит ни от понижения температуры, ни от времени и большими объемными изменениями. Такой механизм превращения называется нетермоупругим. При атермическом превращении количество продуктов превращения увеличивается только при понижении температуры ниже точки мартенситного превращения Мн не путем роста первоначально образовавшихся кристаллов мартенсита, а путем образования новых в исходной фазе. При изотермическом превращении увеличение количества продуктов превращения происходит с течением времени при постоянной температуре.

При термоупругом мартенситном превращении внешние напряже­ния, приложенные к материалу (образцу), приводят к образованию преимущественно ориентированных кристаллов мартенсита (или к их пе­реориентации). При нагреве в процессе обратного мартенсит­ного превращения исходные кристаллы высокотемпературной фазы вос­станавливаются, что при­водит к снятию пластической деформации. При этом обратное мартенситное превращение развивается за счет упругой энергии, запасенной в результате прямого мартенситного превращения.

Основным условием обратимости мартенситного превращения является когерентность межфазной границы между мартенситом и матрицей. Причем эта когерентность должна сохраняться в течение прямого и обратного мартенситных превращений, т.е. всего цикла роста и уменьшения пластин мартенсита (рисунок 3.3). Для соблюдения когерентности на поверхности раздела мартенситного кристалла и матрицы, объемные изменения, связанные с превращением, должны быть малыми, примерно на порядок меньше, чем, например, в сплавах на основе железа и в сталях, где они достигают 4 %.

Рисунок 3.2 – Рост (а) и уменьшение (б) кристаллов термоупругого мартенсита в сплавах Cu – Al – Ni при охлаждении и нагреве
 
а, б –граница раздела; в – схема Рисунок 3.3 – Сканограммы термоупругой поверхности раздела между матрицей β'1 и матренситом γ1 и ее схемати-ческое представление Рисунок 3.4 – Зависимость напряжение – деформация для монокристалла сплава системы Cu – Zn – Sn при 24 °С (на 76 °С выше МН)  
           

В зависимости от степе­ни восстановления исходной формы память бывает неполной (частичной) и полной. Неполное восстановление формы связано с образованием необратимых дефек­тов структуры и чрезмерно большими объемными изменениями. Обратимая деформа­ция может достигать 5-10 %, так называемое явление псевдоупругости (упругая деформация лучших пружинных материалов не превы­шает 1 %), при большей деформации происходит час­тичное восстановление.

На рисунке 3.4 приведена типичная зависимость развития сверхупругого эффекта при восстанавливающей деформации более 7 %. Участок кривой до точки А описывает упругую деформацию матрицы. При напряжениях, соответствующих точке А, начинает образовываться мартенсит напряжения, и это превращение интенсивно развивается при деформации до точки В. За точкой В образовавшийся мартенсит упруго деформируется до определенной для каждого материала степени деформации. При разгрузке происходит упругое восстановление мартенсита напряжения до точки С, и интенсивное обратное превращение мартенсита в исходную фазу (участок СD) с последующим упругим ее восстановлением.

Мартенситное превращение. Наиболее точно и просто мартенситное превращение можно определить как бездиффузионное структурно-фазовое превращение кристаллической решетки путем деформации сдвига на основе кооперативного движения атомов с образованием поверхностного рельефа и сохранением однозначного соответствия между узлами решетки исходной фазы и решеткой мартенсита (рисунок 3.5). Скорость образования и роста кристаллов мартенсита составляет около 1/3 скорости распространения упругой волны в твердой фазе.

Превращение характеризуется деформацией формы (или поверхностным рельефом) постоянной величины (рисунок 3.6), которая соответствует кристаллографической ориентировке исходной фазы, что обусловливает механизм деформации, проявляющийся в эффекте памяти формы. Кристаллы мартенсита имеют определенную плоскость габитуса - поверхность раздела между исходной и мартенситной фазами, т.е. плоскость сдвига, которая в течение всего процесса превращения не деформируется и не вращается (рисунок 3.7).

Рисунок 3.6 – Возникновение поверхност-ного рельефа (а) и преломление нацарапан-ных линий (б) при мартенситном превраще-нии: 1 – поверхность; 2 – нацарапанная линия
Рисунок 3.5 – Соответствие решеток при превращении в сплавах Cu – Al – Ni и кристаллографические соотношения между исходной и мартенситной фазами Рисунок 3.7 – Деформация формы при образовании одного кристалла мартенсита: 1 – исходная фаза; 2 – мартенсит; 3 – форма кристаллов до превращения; 4 – форма крис-талла после превращения
   
  Рисунок 3.8 – Деформация решетки и дополнительная деформация скольжением или двойникованием (штриховой линией показано действительное изменение формы)  
       

Однако, действием только сдвиговой деформации (рисунок 3.8 а,б) невозможно объяснить возникновение реальной решетки мартенситной фазы, поэтому наряду с деформацией сдвига при мартенситном превращении происходит деформация скольжением (рисунок 3.8в) или двойникованием (рисунок 3.8.г, 3.9). Эта дополнительная деформация является микропластической и называется деформацией с инвариантной (неизменной) решеткой. Следы ее протекания обнаруживаются по наличию дислокаций, двойниковых дефектов и упаковки.

Кристаллография мартенситного превращения.Все сплавы с эффектом памяти формы, в которых происходит термоупругое мартенситное превращение, являются сплавами с упорядоченной структурой на основе о.ц.к. решетки.

Рисунок 3.9 – Поверхность сплава системы Au–Cd, претерпевшего превращение β-фазы с несколькими (а) и единственной поверхностью раздела(б) ×150.

Эти сплавы называются сплавами с β-фазой. Сплавы, в которых термоупругое мартенситное превращение происходит без образования упорядоченной структуры (In-Tl, Fe-Pd, Mn-Cu), характеризуются тем, что исходная фаза этих сплавов имеет г.ц.к решетку. Во всех случаях β-фаза при упорядочении по типу CsCl (рисунок 3.10) c соотношением компонентов 50:50 обозначается β2, а при упорядочении по типу Fe3Al (рисунок 3.11) с соотношением - 75:25 – β1.

Рисунок 3.10 – Структура типа CsCl с наложением плоскостей (110) А2 и В2.
Рисунок 3.11 –Структура типа Fe3Al с чередованием плоскостей А1 и В1.
Рисунок 3.12 – Три типа плоскостей наиболее плотной упаковки в мартенсите, образованном из β2-фазы (типа CsCl). Стрелка - вектор смещения

 

Рисунок 3.13 – Шесть типов наиболее плотной упаковки в мартенсите с периодической слоистой структурой, образующейся из исходной β1-фазы типа Fe3Al.

Таким образом, обе кубические кристаллические структуры на рисунках 3.10а и 3.11а, представляют собой структуры с взаимным наложением атомных плоскостей и периоди-ческой слоистой укладкой с упорядоченным в разной последовательности чередованием плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов, три из которых показаны на рисунке 3.12, а шесть других – на рисунке 3.13.

Мартенситное превращение и изменение формы.Схема феноменологической модели деформации с инвариантной (неизменной) плоскостью при гцк → оцк превращении аустенита в мартенсит представлена на рисунке 3.14. Изменение формы должно быть аккомодировано (от лат приспособление) деформациями кристаллической решетки в непревращенной части кристалла. При больших объемных изменениях развивается не только упругая, но и значительная пластическая деформация в окружающей исходной фазе, поэтому превращение необратимо.

  Рисунок 3.14 – Сема феноменологической модели деформации с инвариантной решет-кой при г.ц.к. – о.ц.к. превращении. Индексы А и М у обозначений направлений соответствуют аустенитной и мартенситной фазам.

Для полного снятия результирующей деформации при нагреве необходимо, чтобы все деформации были обусловлены механически обратимыми механизмами. В противном случае форма образца может быть восстановлена лишь частично. Механически обратимыми деформационными процессами, которые могут развиваться в сплавах с эффектом запоминания формы, являются следующие:

- упругая и неупругая микропластическая деформации;

- обратимый рост мартенсита;

- образование двойников (превращения или деформационных);

- движение частичных дислокаций, ограничивающих дефекты упаковки;

- скольжение сверхструктурных дислокаций в кристаллах со сверхдальним порядком.

Единственным известным механизмом обратимой деформации, аккомодирующей изменение формы решетки при образовании мартенсита, является упругая деформация и двойникование.

Перечень сплавов, в которых к настоящему времени обнаружен эффект памяти формы, приведен в таблице 3.1. Некоторые из них применяются в машиностроении в качестве новых материалов с особыми свойствами, главным образом, сплавы на основе Ti-Ni и меди.

Таблица 3.1 - Состав и свойства сплавов с эффектом памяти формы

Сплав Состав Ms, °C Наличие или отсут-ствие упорядоченной структуры Объемные изменения
Ag–Cd 44–49 % (ат.) Cd –190 ~ –50 Упорядоченная – 0,16
Au–Cd 46,5–50 % (ат.) Cd 30 ~ 100 Упорядоченная – 0,41
Cu–Al–Ni 14–14,5 % (мас.) Al 3–4,5 % (мас.) Ni –140 ~ 100 Упорядоченная – 0,30
Cu–Al–Zn 23–28 % (ат.) Al 45–47 % (ат.) Zn –190 ~ 40 Упорядоченная – 0,25
Cu–Sn ~15 % (ат.) Sn –120 ~ 30 Упорядоченная
Cu–Zn 38,5–41,5 % (мас.) Zn –180 ~ –10 Упорядоченная – 0,5
Cu–Zn–X (X-Si, Sn, Al, Ga) Несколько процентов (мас.) X –180 ~ 100 Упорядоченная  
In–Tl 18–23 % (ат.) Tl 60 ~ 100 Неупорядоченная – 0,2
Ni–Al 36–38 % (ат.) Al –180 ~ 100 Упорядоченная – 0,42
Ti–Ni 49–51 % (ат.) Ni –50 ~ 100 Упорядоченная – 0,34
Fe–Pt ~25 % (ат.) Pt ~ –130 Упорядоченная 0,8 – 0,5
Fe–Pd ~30 % (ат.) Pd ~ –100 Неупорядоченная
Mn–Cu 5–35 % (ат.) Cu –250 ~ 180 Неупорядоченная

Из таблицы 3.1 следует, что эффект памяти формы наблюдается в полной форме только в тех сплавах, в которых, мартенситное превращение имеет термоупругий характер, а превращающаяся фаза - упорядоченную решетку. Исключение составляют сплавы систем In-Tl, Fe-Pd и Mn-Cu.

Рекомендуемая литература

Основная я 4 [9-24]

Дополнительная 2 [254-273]

Контрольные вопросы




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.