WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 8 05;12 Влияние реактивных напряжений на теплоту мартенситных превращений в никелиде титана © С.А. Егоров Научно-исследовательский институт математики и механики Санкт-Петербургского государственного университета, 198905 Санкт-Петербург, Россия e-mail: truhtin@mail.ru (Поступило в Редакцию 18 октября 2005 г. В окончательной редакции 10 января 2006 г.) Калориметрические исследования никелида титана показали, что предварительное термообратимое деформирование не оказывает влияния на скрытую теплоту мартенситных превращений B2 R, R B2.

В то же время оказалось, что возникающие в результате заневоливания реактивные напряжения уменьшают теплоту превращений B19 B2, R B19, B2 R, R B2 в 1.16-1.4 раза. Предложена формула, позволяющая описать обнаруженный эффект.

PACS: 81.30.Kf Введение работе [5] обнаружено, что после деформирования монокристаллов Cu-Zn-Al скрытая теплота обратного В работах [1,2] было установлено, что после деформи- мартенситного превращения увеличивается. Объясняетрования монокристаллов Cu-Zn-Al, обладающих свой- ся это трением возникших при деформировании дисством „памяти формы“, величина теплового эффекта во локаций о кристаллическую решетку. Однако следует время полиморфных превращений мартенситного типа обратить внимание на то, что если в результате такого уменьшается. В этих и других подобных исследованиях своеобразного трения дефекта выделится теплота, то такое явление объясняется через предположение, что она будет использована в эндотермической реакции, так деформирование вызывает в материале необратимые что наблюдаемая величина теплоты обратного перехода дефекты — дислокации или антифазные доменные градолжна не увеличиваться, а уменьшаться.

ницы, возникновение которых сопровождается эмиссией Таким образом, природу феномена по влиянию напрязвуковых волн, и существование которых препятствует жений и деформации на скрытую теплоту мартенситных протеканию мартенситных реакций в локальных микропревращений пока нельзя считать полностью раскрытой, объемах, вследствие чего общая масса материала с требуется проведение полной программы исследований превращениями уменьшается. Тогда, очевидно, уменьшадля ее выяснения. Настоящая работа посвящена изучеется и регистрируемая калориметрическими методами нию этой темы на примере сплава TiNi.

скрытая теплота перехода. Однако такое объяснение не может считаться полностью удовлетворительным, поскольку оно противоречит данным работ [3,4], где Экспериментальная часть было показано, что наложение механической нагрузки на Для опытов выбрали проволоку диаметром 0.41 mm материал с „эффектом памяти“ приводит к уменьшению из никелида титана Ti50Ni50.5Fe0.5 с превращениями тепловых эффектов, термоциклирование при постоянной нагрузке через интервалы прямой и обратной мартенсит- B2 R B19 при охлаждении и B19 B2 — при ных рекаций не сопровождается изменением в экзо- и нагревании. После отжига при температуре 773 K в эндометрических процессах, а разгрузка материала при течение 1 h (охлаждение с печью) из нее изготовили температурах, далеких от температур рекристаллиза- две партии образцов длиной 2.5 mm: первую без предции, приводит к восстановлению его тепловых свойств. варительной деформации, вторую — после растяжения Если бы вся сущность рассматриваемого эффекта за- отожженной проволоки напряжением = 250 MPa на ключалась в подавлении дислокациями мартенситных = 6.5% при 285 K. Важно, что во время деформипревращений, то нагружение материала привело бы к рования проволоки ее электросопротивление уменьшанеобратимому уменьшению величины тепловых эффек- лось — на 20% от исходной величины. Кроме того, тов. С другой стороны, если бы здесь существенную тестовое нагревание деформированного материала прироль играл эффект растраты энергии на акустическую водило к практически полному возврату деформации, эмиссию, то во время термоциклирования при посто- остаточная деформация не превышала 0.5%. Все это янной нагрузке наблюдалось бы постепенное усиление указывает на то, что формоизменение в нашем случае тепловых аномалий. осуществлялось преимущественно не за счет возникноСуществует и другой эффект влияния деформиро- вения и движения дислокаций или иных необратимых вания на величину скрытой теплоты превращения: в механизмов массопереноса, а за счет наведения на38 С.А. Егоров пряжениями низкотемпературной (мартенситной) фазы, судя по всему — структуры B19 (орторомбическая с моноклинным искажением), возникновение которой из ромбоэдрической фазы R сопровождается падением электроспротивления и превращение которой в высокотемпературную фазу B2 (объемно центрированная кубическая решетка) во время нагревания сопровождается деформационным возвратом [6]. Таким образом, деформированные образцы находились в двухфазном состоянии: фаза R дополнялась наведенной механическими напряжениями фазой B19.

Образцы из проволоки нарезали алмазным мелкозернистым абразивом в воде при температуре 285-287 K, Рис. 1. Калориметрические зависимости для недеформированпосле чего с них снимали окалину путем катания (подобных образцов без трубки (1, 2), внутри трубки (3) и рядом с но валикам) по плоскому абразивному мелкозернистому трубкой (4): 1, 3, 4 —второй, 2 — первый термоциклы.

камню, изготовленному на основе оксида алюминия, и производили юстировку по диаметру.

Образцы взвешивали на весах WAGA TORSYNA, WT с пиком при температуре 311.5 ± 0.9 K и величиной (тип PRLT), с точностью ±0.1 mg по 50 раз, так что теплового эффекта Q = 26.4 ± 1.5J/g (рис. 1, кривая 1).

погрешность определения их массы, которая в среднем Поскольку форма аномалии на калориметрической крибыла равна 2 mg, составляла 0.03 mg, или 1.5%. После вой зависимости теплового потока U от температуры T этого каждую партию образцов (деформированных и недеформированных) делили на три группы, по 3-5 об- не является строго симметричной, то можно думать о совмещении двух обратных фазовых превращений.

разцов в каждой группе.

Судя по литературным данным [6], основным здесь Образцы первой группы помещали внутрь стальных должен быть переход B19 B2. При охлаждении от трубок длиной 2.5 mm. Трубки в этом случае служили 403 до 233 K на калориметрической кривой наблюдасвоеобразным защемляющим устройством: во время нагревания через интервал обратных мартенситных пре- ются две тепловые аномалии с температурой пиков вращений растянутые образцы начинают укорачиваться 308.7 ± 0.2 и 261.8 ± 1.1. K, величиной тепловых эффек(эффект памяти формы) и увеличиваться в диаметре. тов q1 = -7.5 ± 0.9 и q2 = -14.8 ± 0.6 J/g соответственСтальная трубка будет мешать этому, в результате но. Видимо, эти аномалии соответствуют превращениям чего возникнут значительные реактивные напряжения. B2 R и R B19 [6].

Недеформированные образцы устанавливали в трубки Термоциклирование образцов без деформации в без натяга, а деформированные — с натягом, так что для неполном цикле (283-403 K) сопровождалось только их установки требовалось усилие 1-1.5N. Трубки были одним фазовым переходом при нагревании, и одним — изготовлены из медицинских иголок и имели внешний при охлаждении (рис. 1, кривая 2). Количество термодиаметр 0.61, внутренний — 0.40 mm. Тестирование циклов не влияло на характеристики калориметрических материала трубки показало, что его предел текучести аномалий. Видимо, здесь имело место превращение на кручение при комнатной температуре составлял R B2 с характерным для него малым гистерези420 MPa, а эндо- и экзотермические реакции в интервале температур 213-423 K отсутствовали. Помещение образцов обеих партий внутрь трубок преследовало цель установить влияние возникающих во время термоциклирования реактивных напряжений на величину скрытой теплоты мартенситных превращений.

Образцы второй группы брали вместе со стальными трубками, но внутрь их не устанавливали. Эта группа была нужна для определения роли трубок в калориметрических исследованиях. Третья группа образцов изучалась без трубок.

Эксперименты выполняли на дифференциальном калориметре DSC 822 METTLER TOLEDO с разрешением 0.04 µW, температура изменялась со скоростью 5 grad/min.

Рис. 2. Калориметрические зависимости для недеформироИзмерения недеформированных образцов без турбок ванных образцов без трубки (1, 2), рядом с трубкой (3) и показали, что при нагревании в интервале температур внутри трубки (4) для разных термоциклов: 1, 3 — первый, 233-403 K в материале реализуется фазовый переход 4 —второй, 2 — третий термоциклы.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Влияние реактивных напряжений на теплоту мартенситных превращений в никелиде титана образцов без деформации, в которых развивается лишь Внутренняя теплота мартенситных превращений переход R B2.

Образец Образец рядом Образец При охлаждении (после первого нагревания) дефорв трубке с трубкой без трубки мированного никелида титана для величины q1 проявa) 26.4 ± 1.4 a) 26.3 ± 1.2 a) 26.4 ± 1.ляется зависимость от способа сопряжения образцов Q b) со стальной трубкой (см. таблицу), хотя температура B19 Bc) 22.9 ± 1.пика везде одинаковая и равна 309.4 ± 0.3K. Важно, что величина q1 для образцов без трубки и рядом с a) 7.0 ± 1 a) 7.2 ± 1.2 a) 7.1 ± Qтрубкой практически, с учетом разброса данных, не b) 13.6 ± 1.2 b) 13.3 ± 1.8 b) 14.2 ± 2.R Bотличается от недеформированных образцов и равна 7.3, c) 5.1 ± 1.1 c) 7.1 ± 1.8 c) 7.2 ± 1.а для образцов внутри трубки она меньше в среднем a) -7.4 ± 1.1 a) -7.4 ± 0.9 a) -7.5 ± 0.в 1.25 раза — 6.1 J/g. Очевидно, здесь проявляется qb) -6.1 ± 0.8 b) -7.3 ± 1.3 b) -7.4 ± 0.действие реактивных напряжений.

B2 R c) -6.2 ± 0.9 c) -7.4 ± 1.1 c) -6.5 ± Продолжение охлаждения деформированных образцов, находящихся внутри трубки, ниже 283 K иницииa) 14.9 ± 0.8 a) 14.8 ± 0.9 a) 14.8 ± 0.qрует прямое фазовое превращение R B19 с темпераb) -11.7 ± 1.R Bтурой пика 267.9 ± 3K и q2 = -11.7 ± 1.8J/g (см. позиc) -13 ± 1.цию b в таблице). Это опять в среднемв 1.25 раза меньПримечание. a) первый термоцикл для образцов без деформации, ше по сравнению с недеформированным материалом.

b) первый термоцикл для деформированных образцов, c) второй термоцикл для деформированных образцов (J/g).

Превращение R B2 дополнялось превращением B19 B2.

сом в 3 K: температура пика во время нагревания была 311.7 ± 0.3, во время охлаждения 308.8 ± 0.2K.

При этом величина теплопоглощения Q1 составляла 7.1 ± 1J/g, а тепловыделения q1 = -7.9 ± 1.3J/g.

Сравнение данных для недеформированных образцов внутри стальной трубки, рядом с ней и без нее, представленных в таблице в позициях a, позволяет говорить об отсутствии влияния этой трубки на температуры пиков и на величину тепловых эффектов (рис. 1, 2). На рис. это видно для всех превращений в материале, на рис. более подробно — для превращения B2 R. ПолуРис. 3. Калориметрические зависимости во время нагревания ченные результаты свидетельствуют о корректности ис- деформированных (1-4) и недеформированных (5) образцов без трубки (1, 3) и внутри нее (2, 4, 5): 1, 2, 5 — первый; 3, 4 — пользования стальной трубки в качестве защемляющего второй термоциклы.

устройства для деформированных образцов.

Результаты калориметрических исследований деформированных образцов для первого термоцикла (неполного, в интервале 293-403 K) в режиме нагревание-охлаждение представлены в таблице величинами Q1 и qв позициях b, а некоторые калориметрические кривые, отражающие поведение материала при нагревании — кривыми 1, 2 на рис. 3, при охлаждении — 2 на рис. 4.

Из таблицы видно, что при нагревании теплота превращения Q1 для всех образцов практически (с учетом разброса данных) одинакова и составляет приблизительно 13.7 J/g, что больше, чем при = 0, как минимум в 1.6 раза. Такое сильное различие хорошо видно при сопоставлении на рис. 3 кривых 1, 2 (деформированные образцы) с 5 (образцы без деформации). Этот эффект объясняется, очевидно, тем, что при первом нагревании Рис. 4. Калориметрические зависимости во время охлаждепосле деформирования одновременно реализуются прения для деформированных (2, 3) и недеформированных (1, 4) вращения R B2 и B19 B2, так что общая величина образцов: 1 —без трубки, 2-4 —внутри трубки: 1 —второй;

теплопоглощения здесь оказывается большей, чем для 2 — первый; 3, 4 — третий термоциклы.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 40 С.А. Егоров и для второго и третьего термоциклов составляет 22.9 ± 1.4J/g (см. таблицу, позиция c).

Теоретический анализ Экспериментальные данные показывают, что заневоливание предварительно деформированных образцов приводит к уменьшению внутренней теплоты мартенситного преврещения при нагревании и охлаждении в 1.16-1.4 раза. Теперь попытаемся осмыслить полученный результат.

Первое, что здесь следует учитывать, это сам факт того, что рассматриваемые превращения являются переходами первого рода и сопровождаются значительными тепловыми эффектами. Второе — деформирование в нашем случае было связано с термообратимым механизмом неупрогости и, следовательно, оно может влиять Рис. 5. Зависимости величин Q (a), Q1 (b), q1 (c) и q2 (d) от числа термоциклов: a, d — 1 — = 6.5% (внутри трубки); не тепловые процессы в основном через те напряжения, 2 — 0 (внутри трубки). b, c — 1 — = 6.5 (без трубки);

которые возникают в процессе формоизменения. Следо2 —6.5%(внутри трубки); 3 —0 (среднее для всех образцов).

вательно, необходимо понять природу такого влияния.

Чтобы решить поставленную задачу, обратим внимание на то, что для переходов первого рода, происходящих в ненагруженном материале, справедливо Последующие нагревание и охлаждение (второй и следующее выражение:

третий разы) деформированных образцов внутри трубки в полном (от 233 до 403 K), а для остальных случаев — Q0 = S0T0, (1,a) в неполном (от 283 до 403 K) интервале температур где S0 — скачок энтропии, T0 и Q0 — температура и фазовых превращений приводит к изменению величин Q, теплота перехода в ненагруженном кристалле соответQ1, q1, q2 так, как это показано в таблице (позиция c) и ственно.

на рис. 5, a-d соответственно. На тех же рисунках для При действии механических напряжений это уравнесравнения даны и графики зависимости этих величин от ние следует изменить числа термоциклов для недеформированного материала.

Видно, что по мере термоциклирования величина qQ = ST, (1,b) практически не изменяется, а величина q2 увеличивается и приближается по своим значениям к = 0. При где Q, S, T — соответствующие величины в поле этом кинетика протекания фазовых переходов остается напряжений i j.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.