Деформационное упрочнение и реономные свойства сплавов с памятью формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Тант Зин Аунг

• Тант Зин Аунг
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тант Зин Аунг

Введение.

Глава 1 Термомеханические свойства сплавов с памятью формы.

1.1. Водные замечания.

1.2. Причины уникальных механических свойств СПФ.

1.3. Фазовые состояния сплава с памятью формы.

1.4. Фазовые превращения в СПФ.

1.5. Диаграмма фазового перехода.

1.6. Влияние на диаграмму фазового перехода действующих механических напряжений.

1.7. Структурные превращения в СПФ.

1.8. Изменение упругих модулей СПФ и коэффициента температурного расширения при прямом и обратном превращении.

1.9. Изменение электрического сопротивления СПФ при фазовых переходах.

1.10. Изменение плотности СПФ при термоупругих мартенситных превращениях.

1.11. Накопление деформации прямого превращения.

1.12. Явления мартенситной неупругости.

1.13. Явление монотонной памяти формы.

1.14. Понятие о реактивных напряжениях.

1.15. Явление сверхупругости.

1.16. Явление ориентированного превращения.

1.17. Явление обратимой памяти формы.

1.18. Явление реверсивной памяти формы.

1.19. Явление реверсивного деформирования при обратном превращении под действием напряжений из состояния хаотического мартенсита.

Глава 2 Экспериментальное исследование процессов деформирования сплавов с памятью формы.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Подготовка образцов для испытаний.

2.3. Экспериментальное оборудование.

2.4. Опыты на мартенситную неупругость.

2.5. Кривые однократного нагружения и разгрузки.

2.6. Аппроксимации кривых мартенситной неупругости.

2.7. Деформация, не возвращаемая при нагреве и переходе в аустенитное состояние.

2.8. Многократное испытание на мартенситную неупругость одного и того же образца.

2.9. Повторное нагружение. Явление деформационного упрочнения.

2.10. Реономные явления при изотермическом нагружении и разгрузке образцов из СПФ в мартенситном состоянии.

2.11. Реономные свойства СПФ, проявляемые в режиме сверхупруго сти.

2.12. Накопление деформаций прямого превращения.

2.13. Перекрестное упрочнение.

Глава 3 Решение задач изгиба балок из сплавов с памятью формы в рамках модели нелинейного деформирования этих материалов при фазовых и структурных превращениях.

3.1. Вводные замечания.

3.2. Определяющие соотношения.

3.3. Изгиб балок из СПФ.

3.4. Определение смещений консольной балки из СПФ.

Глава 4 Анализ работы пружин из сплава с памятью формы в рамках модели нелинейного деформирования этих материалов.

4.1. Вводные замечания.

4.2. Задача о кручении стержня кругового поперечного сечения из СПФ.

4.3. Деформации цилиндрической пружины смещения.

4.4. Деформация конической пружины смещения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Деформационное упрочнение и реономные свойства сплавов с памятью формы»

Сплавы с памятью формы являются перспективными материалами для использования в аэрокосмической промышленности, энергетике, транспорте, медицинской промышленности и т.д. Экспериментальному исследованию уникальных термомеханических свойств сплавов с памятью формы посвящены работы В.А. Лихачева, С. Абдрахманова, Е.З. Винтайкина, В.Н. Хачина, В.Г. Пушина, О.И. Крахина, И.Н. Андронова, С.П. Беляева, С.Д. Прокошкина, JI.M. Капуткиной, Н.Ю. Хмелевской, К. Otsuka, F. Nishimura, N. Watanabe Y. Liu, Q.P. Sun, W.M. Huang, J.A. Shaw, S. Kyriakides и др.

Модели термомеханического поведения СПФ предложены в работах В.А. Лихачева, В.Г. Малинина, С. Абдрахманова, А.Е. Волкова, С.А. Лурье, К. Tanaka, С. Liang, С.А. Rogers, С. Lexcellent, D. Lagoudas, С. Brinson. F. Auricchio и др. Проектированию и расчету различных устройств, использующих свойства сплавов с памятью формы, посвящены работы О.И. Крахина, М. А. Хусаинова, А.И. Разова, В.Н. Семенова, Д.Б. Чернова и др. Задачи о нагружении элементов из СПФ в мартенситном состоянии изгибающими и крутящими моментами решались О.И. Крахиным.

Данная работа связана с экспериментальной идентификацией модели нелинейного деформирования СПФ при фазовых и структурных превращениях [33,34], и ее применением к решению задач изгиба и кручения.

Ниже приведен перечень свойств, явлений и эффектов, характерных для СПФ, и изученных к настоящему времени недостаточно.

1. Реономные свойства СПФ, связанные с развитием деформаций в этих материалах со временем.

2. Общие нелинейные свойства и различия диаграмм мартенситной неупругости и диаграмм прямого превращения для СПФ.

3. Деформационное упрочнение СПФ, связанное не только с деформированием этих материалов в мартенситном состоянии, но и с прямым мартенситным превращением, происходящим под действием напряжений.

4. Возможность описания явлений мартенситной неупругости и накопления деформаций прямого превращения с использованием различных функций распределения микронапряжений.

5. Вопрос о допустимых значениях изгибающих и крутящих моментов в элементах конструкций из СПФ

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании процессов нелинейного деформирования образцов из никелида титана при их изотермическом монотонном нагружении, разгрузке и повторных нагружениях в мартенситном или первоначально аустенитном состояниях или прямом мартенситном превращении, идентификации на основании этих экспериментальных данных модели нелинейного деформирования СПФ при фазовых и структурных превращениях, решение в рамках идентифицированной таким образом модели задач изгиба и кручения для элементов из СПФ.

Особое внимание следовало уделить исследованию реономных свойств СПФ, развитию деформаций в этих материалах со временем.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Первая глава носит обзорный характер. В ней описаны термомеханические свойства, эффекты и явления, характерные для СПФ.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Тант Зин Аунг

Выводы из результатов работы:

1. Определены характерные черты диаграммы мартенситной неупругости для никелида титана - нелинейное поведение с самого начала нагружения (степенная асимптотика для малых напряжений), наличие двух точек перегиба, слабо нелинейная разгрузка, деформационное упрочнение, обнаруживаемое при повторном нагружении. Предложена аппроксимация диаграммы монотонного нагружения, использующая функцию распределения Вейбулла.

2. Установлено, что промежуточные нагрев и охлаждение образцов, переводящие их в аустенитное состояние и обратно частично снимает деформационное упрочнение, полученное при предшествующем нагружении в мартенситном состоянии.

3. Показано, что добиться упрочнения никелида титана можно^не, только путем его неупругого нагружения в мартенситном состоянии, но и с помощью прямого мартенситного превращения под действием механических напряжений.

4. Обнаружено, что никелид титана обладает реономными свойствами, заключающимися в том, что при мягком ступенчатом нагружении в мартенситном состоянии в областях с небольшими значениями касательного модуля на каждой ступени нагружения происходит интенсивное развитие деформаций со временем при постоянной нагрузке. В режиме сверхупругости развитие деформаций со временем наблюдается на этапе ступенчатого нагружения, а на этапе ступенчатой разгрузки наблюдается интенсивное уменьшение деформаций со временем при постоянной нагрузке. Сразу после скачка нагрузки скорость деформации чрезвычайно велика, однако со временем она убывает в пределе до нуля при временах порядка 30 мин.-бО мин. Форма диаграммы мартенситной неупругости при жестком нагружении зависит от скорости деформаций. С уменьшением скорости движения активного захвата деформации, соответствующие одинаковым значениям напряжений несколько возрастают. Для зависимости деформации от времени при ступенчатом нагружении предложена аппроксимация, основанная на функции распределения Вейбулла.

5. В рамках модели нелинейного деформирования СПФ при фазовых и структурных превращениях решена задача о термомеханическом поведении балки в активных процессах прямого превращения и (или) структурного перехода. Полученное решение позволяет естественным образом ввести понятие предельного изгибающего момента, превышение которого ведет к существенным ухудшениям функциональных свойств материала. Для предельного момента получено аналитическое выражение в виде несобственного интеграла.

6. В рамках модели нелинейного деформирования СПФ при фазовых и структурных превращениях решена задача о механическом поведении стержня круглого поперечного сечения, претерпевающего прямое превращение или структурный переход под действием неубывающего крутящего момента. Естественным образом введено понятие предельного значения крутящего момента, превышение которого ведет к существенному ухудшению функциональных свойств СПФ. Получено аналитическое выражения для этого предельного значения в виде несобственного интеграла.

7. Решены задачи о термомеханическом поведении цилиндрической и конической витых пружин смещения из СПФ в активных процессах прямого превращения и (или) структурного перехода. Найдены зависимости смещения пружин от действующей осевой силы. Показано, что эти смещения пропорциональны величине объемной доли мартенситной фазы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тант Зин Аунг, 2010 год

1. Абдрахманов С. Деформации материалов с памятью формы при термосиловом воздействии. Бишкек. Илим. 1991. 116 с.

2. Абдрахманов С.А., Дюшкеев К.Д. О закономерностях поведения сплавов с памятью формы при термосиловом воздействии. Бишкек.: Илим. 1992. 50 с.

3. Арутюнян Н.Х., Абрамян Б.Л. Кручение упругих тел. М.: Физматгиз, 1963. 686 с.

4. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Гос. изд.-во технико-теоретической литературы. 1953. 856 с.

5. Дюпин А.П., Куранова Н.Н., Пушин В.Г., Валиев Р.З. Влияние интенсивной пластической деформации кручением на структуру и свойства сплавов на основе никелида титана с эффектом памяти формы// Известия РАН. Серия Физическая. 2008: Т. 72. №4. С. 583-585.

6. Корнилов И.И., Белоусов O.K., Качур Е.В. Никелид титана и другие сплавы с эффектом "памяти" // М.: Наука, 1977. 179 с.

7. Ю.Крахин О.И., Глезерман Е.Г., Белотелов Ю.А. Некоторые вопросы проектирования и расчета приводов одноразового действия// Современные проблемы динамики машин и их синтез. М. МАИ, 1985.

8. П.Крахин О.И. Основы расчета приводов из материалов с эффектом памяти формы. Сб. "Прочность и жесткость машиностроительных конструкций". -М., 1986, с. 150-159.

9. Крахин О.И., Хайков П.Г., Аверьянов М.П. Расчет термомеханических двигателей // Вестник МАИ. 1994. Т.1. № 2. С. 25-29.

10. Н.Крахин О.И., Новиков Д.К. Термореле на основе сплавов с памятью// Тезисы докладов III Международного симпозиума "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред". М. "ЛАТМЭС". МГАТУ. 1997. С. 66-67.

11. Крахин О.И., Резников Д.И. Применение МКЭ для пластичных элементов из сплавов с памятью// Тезисы докладов III Международного симпозиума "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред". М. "ЛАТМЭС". МГАТУ. 1997. С. 68-69.

12. Курдюмов Г.В., Хандрос Л.Г. О термоупругом равновесии при мартенситном превращении. ДАН СССР. 1949. Т. 66. Вып. 2. С. 211215.

13. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. 216 с.

14. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. СПб.: Наука, 1993. 471 с.

15. Материалы с эффектом памяти формы (Справочное издание) / Под ред. Лихачева В.А. Т.2. СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ. 1998. 374 С.

16. Материалы с эффектом памяти формы. Справочное издание / Под ред. Лихачева В.А. Т. 4. СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ. 1998. 268 с.

17. Медицинские материалы и имплантанты с памятью формы / Гюнтер

18. B.Э., Дамбаев Г.Ц., Сысолятин П.Г. и др. Томск.: Изд.-во Томского университета. 1998. 487 с.t.

19. Мовчан А.А. Выбор аппроксимации диаграммы перехода и модели исчезновения кристаллов мартенсита для сплавов с памятью формы. Журнал прикладной механики и технической физики. 1995. Т. 36. № 2.1. C. 173-181.

20. Мовчан А.А. Исследование эффектов связности в задачах изгиба балок из сплава с памятью формы. Журнал прикладной механики и технической физики. 1998. Т. 39, №1. С. 87 97.

21. Мовчан А.А. Кручение призматических стержней из сплавов с памятью формы. Известия РАН. Механика твердого тела.- 2000.- №6.-С. 143 154.

22. Мовчан А.А. Микромеханические определяющие уравнения для сплавов с памятью формы. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1994. № 6. С. 47-53.

23. Мовчан А.А. Микромеханический подход к описанию деформации мартенситных превращений в сплавах с памятью формы. Изв. РАН. Механика твердого тела. 1995. № 1. С. 197-205.

24. Мовчан А.А. Учет переменности упругих модулей и влияния напряжений на фазовый состав в сплавах с памятью формы. Известия АН. Механика твердого тела. 1998. №1. С. 79-90.

25. Мовчан А.А., Казарина С.А. Исследование двухступенчатого фазового превращения в витых пружинах смещения из никелида титана // Проблемы машиностроения и надежности машин.- 2001.- №1.- с. 52 -60.

26. Мовчан А. А., Мишустин И.В. Термодинамическое описание нелинейного деформирования сплавов с памятью формы // Журнал функциональных материалов. 2007. Т. 1. №6. С. 221-226.

27. Мовчан А.А., Мовчан И.А. Модель нелинейного деформирования сплавов с памятью формы в активных процессах прямого превращения и структурного перехода. Механика композиционных материалов и конструкций. 2008. Т. 14. № 1. С. 75-87.

28. Мовчан А.А., Мовчан И.А. Одномерная микромеханическая модель нелинейного деформирования сплавов с памятью формы при прямом иобратном термоупругих превращениях // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. Т. 13 №3. С. 297-322.

29. Мовчан А.А., Тант Зин Аунг. Анализ работы пружин из сплава с памятью формы в рамках модели нелинейного деформирования этих материалов. Механика композиционных материалов и конструкций. 2009. Т. 15. №4. С.

30. Мовчан А.А., Мозафари А., Казарина С.А. Анализ работы активатора с пружиной из сплава с памятью формы // Известия Вузов. Авиационная техника. 1999. № 4. С. 20-23.

31. Мовчан А.А., Ньюнт Со. Термодинамическое описание поведения сплавов с памятью формы с помощью аддитивного потенциала Гиббса // Журнал прикладной механики и технической физики. 2006. Т.47. № 4. С. 98-103.

32. Мовчан А.А., Казарина С.А., Тант Зин Аунг Аналог теории пластичности для описания деформирования сплавов с памятью формы при фазовых и структурных превращениях // Деформации и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 2-6.

33. Мовчан А.А., Казарина С.А., Мишустин И.В., Мовчан И.А. Термодинамическое обоснование модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы при фазовых иструктурных превращениях // Деформации и разрушение материалов. 2009. №8. С. 2-9.

34. Петровский И.Г. Лекции по теории обыкновенных дифференциальных уравнений // Гос. изд.-во технико-теоретической литературы. Издание 4. 1952.232 с.

35. Попов Н.Н., Каганова И.И., Поляков Л.В., Врагов A.M., Ломунов А.К. Влияние скорости деформации и температуры испытаний на механические свойства сплава с памятью формы системы Ti-Ni-Fe// Металлы. 2008. №1. С. 76-81.

36. Прокошкин С.Д., Капуткина Л.М., Морозова Т.В., Хмелевская Н.Ю. Дилатометрические аномалии и эффект памяти формы в сплаве титанникель, подвергнутом низкотемпературной термомеханической обработке // ФММ. 1995. Т. 8. Вып. 3. С. 70-77.

37. Сильченко Л.Г., Мовчан А.А. Устойчивость вала из сплава с памятью формы, находящегося под воздействием кручения и растяжения-сжатия при термоупругих фазовых превращениях // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. № 2. С. 52-59.

38. Сильченко Л.Г., Мовчан И.А. Устойчивость цилиндрической пластины из сплава с памятью формы при термоупругих мартенситных превращениях в условиях сжатия и сдвига // Механика композиционных материалов и конструкций. 2009. Т. 15. №2. С. 221— 241.

39. Сильченко Л.Г., Мовчан И.А. Устойчивость цилиндрической оболочки из сплава с памятью формы при сжатии и кручении // Механика композиционных материалов и конструкций. 2009. Т. 15. № 4. С.

40. Хачин В.Н.Гюнтер В.Э., Монасевич Л.А., Паскаль Ю.И. Обратимые изменения формы при мартенситных превращениях. Изв. Вузов. Физика 1977. № 5 С. 95-101.

41. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана. Структура и свойства//М.: "Наука", 1992.- 161 с.

42. Чернов Д.Б. Конструкционное применение сплавов с памятью формы. М.: НИИСУ. 1999. 232 с.

43. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчет и проектирование силовых конструкций из сплавов с эффектом памяти формы // М.-Ижевск: Ниц «Регулярная и хаотическая динамика» 2007. 412 с.

44. Airoldi G., Ranucci Т., Riva G., Sciacca A. The two way memory effect by the pre-strain training method in a 50Ti40Nil0Cu (%at) alloy. Scripta materialia 1996, V. 34. No 2. P. 287-292.

45. Boyd J.G., Lagoudas D.C. A thermodynamic constitutive model for shape memory materials. Part 1. The monolithic shape memory alloy // Intern. J. of Plasticity. 1996. V. 12. No 6. P. 805 842.

46. Chen W.W., Wu Q.P., Kang J.H., Winfree N.A. Compressive superelastic behavior of TiNi shape memory alloy at strain rates 0.001750 s"1. Int. J. Solids and Structure. 2001. V. 38. No. 50-51. P. 89898998.

47. Crone W.C., Leo P.H., Shield T.W. Comparison between load controlled and displacement controlled extension of TiNi // Scripta Materialia. 1998. V. 38. No. 12. P. 1825-1828.

48. Flores Zuniga H., Rios Jara D, ,Belkahla S., NikaV. and Guenin G. The Training and Re-Training Procedures for the Two Way Memory Effect and Its Degradation in a Cu-Al-Be Alloy. Scripta Materialia.-Vol. 34. No.12. pp.1899-1904, 1996.

49. Garby В., Lexcellent C., No V.N., Miuazaki S. Thermodynamic modeling of the recovery strains of sputter-deposited shape memory alloys Ti-Ni and Ti-Ni-Cu thin film. Thin Solids Films. 2000. No. 372. P. 118-133.

50. Kusagava M., Nakamura Т., Asada Y. Fundamental deformation and recovery behaviors of Ni-Ti-Nb shape memory alloys. JSME Int. J. Ser. A. 2001. V. 44. No 1. P. 57-63.

51. Leclercq S. Lexcellent C. A general macroscopic description of the thermomechanical behavior of shape memory alloys // J. Mech. Phys. Solids. 1996. V. 44. No. 6. P. 953-980.

52. Liu Y., Van Humbeeck J., Stalmans R., Delaey L. Some aspects of the properties of TiNi shape memory alloy, Journals of Alloys and Compounds 247-1997, 115-121.

53. Liu У., Xie Z., Van Humbeeck J., and Delaey L. Some Results on the Detwinning Process in NiTi Shape Memory Alloys, Scripta Materialia 1999. V.41. No 12. P. 1273-1281.

54. Liu Y., Xie Z., Van Humbeeck J., Delaey L. Asymmetry of stress-strains curves under tension and compression for NiTi shape memory alloys. Acta Mater. 1998. V. 46. No 12. P. 4325-4338.

55. Liu Y., Xie Z., Van Humbeeck J., Delaey L. Effect of texture orientation on the martensite deformation of NiTi shape memory alloy sheet. Acta materialia. 1999. V. 47. No. 2. P. 645-660.

56. Liu Y. Favier D. Stabilisation of martensite due to shear deformation via variant reorientation in polycrystalline TiNi, Acta mater 48-2000. 34893499.

57. Liu Y., Van Humbeeck J. Luders-Like Deformation Associated With Martensite Reorientation In NiTi, Scripta Materialia, Vol.39, No.8, pp. 1047-1055, 1998.

58. Nemat-Nasser Sia, Choi Jeom Yong. Strain rate dependence of deformation mechanisms in a Ni-Ti-Cr shape memory alloy // Acta mater.-2005.-53, № 2.- C. 449-454.

59. Suzuki Y, Xu Ya ,Morito S ,Otsuka K, Mitose K. Effects of boron addition on microstructure and mechanical properties of Ti-Td-Ni high-temperature shape memory alloys, Materials Letters 36-1998, 85-94.

60. Tan S.M. No V.N., Miyazaki S. Ti-content and annealing temperature dependence of deformation characteristics of TixNi(92x)Cu& shapememory alloys. Acta Materialia. 1998. V. 46. No. 8. P. 2729-2740.

61. Uch.il J. Mohanchandra K.P., Kumura K.J., Manesh K.K., Murali T.P. Thermal expansion in various phases of Nitinol using TMA // Physica B. 1999. V. 270. P. 289-297.

62. Uchil J., Mohanchandra K.P., Mahesh K.K., Ganesh Kumara K. Thermal and electrical characterization of R-phase dependence on heat-treat temperature in Nitinol, Physica В 253-1998. P. 83-89.

63. Uhil J., Mahesh K.K., Ganesh Kumura K. Electrical resistivity and strain recovery studies on the effect of thermal cycling under constant stress on R-phase in NiTi shape memory alloy. Physica В 324 (2002). P. 419-428

64. Winitzki S. Uniform approximations for transcendental functions // Proc.ICCSA. 2003, LNCS 2667/2003. P. 962.

65. Wu X.D, Sun G.J, Wu J.S. The nonlinear relationship between transformation strain and applied stress for nitinol, Materials Letters 572003, 1334-1338.

66. Xu Ya, Otsuka K, Furubayashi E, Ueki T, Mitose K. Recovery and recrystallization in the Ti^Pd^Q martensite, Materials Letters 30-1997,189.197.