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

σ_В – 1300-1500 МПа HRC = 35-45 σ_-1 = 500-650 МПа (изгиб

σ_т – 800-1000 МПа НВ = 365-475 МПа σ_-1 = 300 МПа (кручение).

δ = 5-7 %

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

Таблица 2.2 - Режим термической обработки пружин и рессор

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 σ_0,002 = 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

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 σ_0,002 до 800 МПа.

3 Термомеханическая обработка, в результате применения которой σ_0,002 достигает 1100 МПа.

Дополнительное легирование молибденом в количестве 8 % (36НХТЮМ8) после термической обработки позволяет получить предел упругости σ_0,002=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 М_н 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 β_2, а при упорядочении по типу Fe₃Al (рисунок 3.11) с соотношением - 75:25 – β_1.

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

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

Поиск по сайту: