научная статья по теме СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СПЛАВА NITI Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СПЛАВА NITI»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 4, с. 408-415

^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.24'205:539.89

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СПЛАВА NiTi

© 2015 г. А. М. Брагов**, А. Н. Данилов*, А. Ю. Константинов**, А. К. Ломунов**,

А. С. Моторин*, А. И. Разов*

*Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Университетский пр. 28 **Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603163 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 корп. 6 e-mail: razov@smel.math.spbu.ru Поступила в редакцию 21.02.2014 г.; в окончательном варианте — 25.08.2014 г.

Рассмотрено механическое поведение двойного поликристаллического сплава NiTi с квазиравновесной структурой при высокоскоростном растяжении в диапазоне температур 20—300°C. Квазиравновесная структура, призванная обеспечить длительную стабильность специальных свойств исследованного сплава, достигалась старением, после которого прямое и обратное мартенситные превращения демонстрировали многостадийный характер, а фазовый состав при комнатной температуре характеризовался присутствием R- и В19'-мартенситов. Для разделения вкладов, вносимых равновесной структурой и высокой скоростью растяжения в механическое поведение сплава, проведен сравнительный анализ диаграмм высокоскоростного и квазистатического растяжения. Показано, что особенностями равновесной структуры определяется действие нескольких механизмов обратимой деформации, а скорость растяжения определяет их интенсивность и уровень напряжений, при которых они развиваются. Приведены результаты рентгенографического изучения фазового состава образцов исследованного сплава после высокоскоростного растяжения, позволяющие сделать вывод о том, что механическое поведение мартенсита и аустенита исследованного сплава при динамическом растяжении определялось развитием протекающих под напряжением превращений R ^ В19', B2 ^ R и B2 ^ В19', а также процессами раздвойникования и переориентации кристаллов В19'-мартенсита.

Ключевые слова: сплавы NiTi, мартенсит, аустенит, высокоскоростное растяжение, зоны локализованной деформации, раздвойникование, превращение под напряжением.

DOI: 10.7868/S0015323015040038

ВВЕДЕНИЕ

Способность сплавов с эффектом памяти формы на основе двойных композиций N111 в некотором температурном интервале выдерживать большие нагрузки без постоянной остаточной деформации привлекает внимание исследователей и инженеров, работающих над проблемой сейсмической защиты строительных конструкций [1—6]. Накопление деформации под действием нагрузки и ее возврат после прекращения действия нагрузки осуществляются за счет эффектов памяти формы или сверхупругости, в основе которых лежат обратимые структурные превращения. Состоянием структуры определяется накапливаемая деформация и степень ее восстановления. Стабильность структуры определяет способность сплава длительное время сохранять свойства памяти. Поиск состояния структуры, при котором достигается оптимальное сочетание высоких характеристик механической памяти и их стабильно -

сти, является одним из ключевых вопросов при исследовании возможности применения этих сплавов для сейсмической защиты строительных конструкций.

В реальных условиях динамические нагрузки могут подвергать элементы сейсмической защиты в зависимости от их расположения в строительной конструкции разным видам деформации, от которых зависит проявление эффекта памяти формы и сверхупругости. Знание механического поведения при разных видах динамической деформации необходимо при проектировании элементов защиты. Анализ литературы показывает, что основное внимание исследователей до сих пор было сосредоточено на изучении механического поведения сплавов N111 при динамическом сжатии [7—9], что связано с относительной простотой методики таких испытаний. Однако представления о закономерностях и структурных механизмах высокоскоростной деформации этих материалов без

изучения их механического отклика на высокоскоростное растяжение остаются неполными. Успехи последних лет в модификации оборудования для проведения динамических испытаний на растяжение позволили провести, пока немногочисленные, исследования механического поведения этих сплавов в условиях высокоскоростного растяжения [10—13]. Интерес к динамическому растяжению, прежде всего, связан с неустойчивостью развития деформации, проявляющейся в образовании и распространении зон (полос) локализованной деформации, которая наблюдается при растяжении с малыми скоростями поликристаллических сплавов N111 как в аустенитном, так и мартенситном состояниях [14—20]. Сохраняется ли эта особенность деформации поликристаллических сплавов N111 при динамическом растяжении с большими скоростями, и как она отражается на их механическом поведении остается неясным. К сказанному следует добавить, что высокоскоростные нагрузки сплавов с эффектом памяти формы могут инициировать не только обратимые механизмы деформации. Процессы зарождения и скольжения дислокаций, как следствие импульсного механического воздействия, сопровождаются накоплением остаточных пластических деформаций и оказывают влияние на последующее проявление эффекта памяти формы и сверхупругости. Степень развития этих процессов при разных видах высокоскоростной деформации может оказать влияние не только на эффективность использования этих сплавов для сейсмической защиты в условиях одноразового воздействия, но и принципиальную возможность их применения при повторных высокоскоростных нагрузках.

Целью представленной работы было изучение особенностей деформационного поведения поликристаллического сплава N111 с квазиравновесной структурой при высокоскоростном растяжении.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Цилиндрические образцы для высокоскоростного растяжения с диаметром и длиной рабочей части 5 мм и 10 мм соответственно изготавливали из горячекатаных прутков двойного сплава NiTi. Для снятия остаточных напряжений и создания равновесной структуры образцы отжигали при температуре 500°C в течение 1 ч и охлаждали с печью. Температуры прямого и обратного мартен-ситных превращений определяли в дифференциальном сканирующем калориметре (ДСК) Mettler Toledo 822e. Скорость охлаждения и нагрева образцов в калориметре составляла 10 град/мин. Температуры превращений определяли методом касательных.

Высокоскоростное растяжение образцов со скоростью 103 с-1 в диапазоне температур 20—300°C осуществляли с использованием модифицированного метода Кольского [21] для разрезных стержней Гопкинсона. Квазистатическое растяжение образцов со скоростью 10—3 с-1 при тех же температурах проводили в универсальной машине для механических испытаний Lloyd 30K Plus, оснащенной термокамерой. Остаточная деформация составляла 12— 25%. Температуры испытаний, лежащие вблизи температур мартенситных переходов, достигались двумя путями. В первом — образцы нагревали до выбранной температуры от комнатной температуры. Во втором — образцы предварительно нагревали до 180°C, переводя их в аустенитное состояние, а затем охлаждали до температуры испытаний. Это позволяло изменять фазовый состав при одной и той же температуре внутри интервала обратимых мартенситных превращений и проводить сравнение механического отклика сплава на высокоскоростное и квазистатическое растяжение в зависимости от его фазового состояния.

Контроль фазового состава образцов в исходном состоянии и после высокоскоростного растяжения осуществляли методом рентгенографии на дифрактометре ДРОН-2 в фильтрованном Си^а-излучении. Для минимизации влияния кривизны поверхности образцов на достоверность получаемой информации использовали минимальный размер проекции входного пучка рентгеновских лучей (диаметр 0.5 мм), позволявший получать пригодные для последующего анализа интенсивности отражений.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Мартенситные превращения и фазовый состав после старения. Результаты определения температур мартенситных превращений методом ДСК представлены на рис. 1, из которого следует, что после старения при 500°С в течение 1 ч и последующего охлаждения с печью исследованный сплав характеризовался следующими температурами обратимого мартенситного превращения: Ms = 74°С, Mf = 32°С, As = 74°С, Af = 98°С.

Очевидная асимметрия пиков на кривых ДСК свидетельствует о наличии нескольких стадий как прямого, так и обратного мартенситных превращений, а совпадение температур начала прямого и обратного превращений указывает на развитие независимого B2 ^ ^-превращения. Узкий гистерезис последнего в сочетании с невысокой точностью определения температур превращений графическим методом объясняет полученное совпадение температур начала прямого и обратного мартенсит-ных превращений. Присутствие на рентгенограммах от образцов после старения сдвоенного пика (112) и (030) ^-мартенсита подтверждает этот вы-

Т, °С

Рис. 1. Температурная зависимость тепловыделения и

теплопоглощения сплава №И после старения при

500°С 1 ч и охлаждения с печью.

вод. Интенсивные отражения В19'-мартенсита свидетельствуют о его достаточно большой объемной доле в образцах после проведенного старения, что может быть следствием В2 ^ Я ^ В19' и/или В2 ^ В19'-превращений. Наличие трех неразрешенных максимумов I, II и III, составляющих экзотермический пик, и асимметрия эндотермического пика на рис. 1 указывают на возможность последовательного развития обоих превращений. Наличие трех стадий прямого мартенситного превращения наряду с температурно-времен-ным режимом старения дают основание заключить, что кроме двух типов мартенсита фазовый состав образцов исследованного сплава также включал выделения №4Т13. Неоднородность распределения этих выделений в структуре, согласно [22—25], является причиной многостадийных мартенситных превращений в состаренных сплавах N111. Ориентируясь на результаты ранее проведенных исследований [22, 26, 27] и использованный в нашей работе режим старения, можно предположить, что объемная доля этих выделений в образцах исследованного сплава составляла около 2%, а их размер и расстояние между ними варьировались в диапазоне 100—200 нм. Небол

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком