Effect of isothermal "loading-unloading" cycles at bending deformation on inelastic properties of titanium nickelide-b.pdf Введение Интерес исследователей к сплавам на основе никелида титана вызван проявлением в этих сплавах неупругих свойств, включающих в себя эффекты памяти формы (ЭПФ) (однократный или обратимый) и сверхэластичности, обусловленные реализацией мартенситных превращений (МП) В2↔R, В2↔В19′ и В2↔R↔В19′ [1, 2], где В2 - высокотемпературная фаза, упорядоченная по типу CsCl, R и В19′ - мартенситные фазы с ромбоэдрической и моноклинной структурами соответственно. В [3, 4] было обнаружено, что при термоциклировании образцов сплавов на основе никелида титана через температурные интервалы мартенситных превращений без приложения к ним внешнего напряжения сначала наблюдается довольно интенсивное понижение температур начала и конца прямого (Mн и Mк) и обратного (Aн и Aк) МП, и только после 5-10 циклов достигается стабилизация этих температур. При этом температура превращения в R-фазу (ТR) повышается. В работах [5, 6] исследовано влияние термомеханического циклирования через интервалы температур прямого и обратного МП на неупругие свойства образцов сплавов на основе никелида титана, к которым приложено внешнее напряжение. В этих работах показано, что в процессе такого термоциклирования величина обратимой неупругой деформации образцов при реализации ЭПФ повышается на 2-3 % и затем стабилизируется. При этом температуры начала и завершения формовосстановления образцов сперва понижаются и затем тоже стабилизируются. В [7-10] исследовано влияние механоциклирования образцов сплавов на основе никелида титана при постоянной температуре в B2-фазе под действием внешнего напряжения в условиях реализации эффекта сверхэластичности, т.е. при T > Aк. Результаты этих работ показали, что при увеличении количества механоциклов величина эффекта сверхэластичности и напряжение мартенситного сдвига уменьшаются и только после 10-15 циклов стабилизируются и остаются практически постоянными при дальнейшем увеличении количества циклов. Понижение величины эффекта сверхэластичности связывают с развитием в процессе механоциклирования пластической деформации, величина которой достигает насыщения также после первых 10-15 циклов и далее почти не изменяется. Большинство подобных исследований выполнено при деформировании образцов методом приложения к ним внешнего напряжения растяжением. В [11, 12] исследовали закономерности изменения величины ЭПФ пружинных элементов из сплавов на основе никелида титана при термоциклировании через интервалы температур МП. Вместе с тем особый интерес представляют закономерности и особенности изменения температур МП и неупругих свойств образцов сплавов на основе никелида титана под действием приложения внешнего напряжения изгибом. Именно в таких условиях часто используются элементы конструкций из этих сплавов в медицине и технике. И только в [13, 14] представлены результаты исследования закономерностей накопления неупругой и пластической деформаций при квазистатическом и циклическом изгибе с малыми заданными деформациями (< 1.4 %) образцов сплава Ti49.4Ni50.6 (ат. %). Цель данной работы - представить результаты исследований закономерностей и особенностей развития обратимой неупругой и пластической деформаций при реализации эффектов сверхэластичности и памяти формы в двойном сплаве на основе никелида титана в процессе изотермического (295 К) механоциклирования при деформировании образцов изгибом. Материалы и методы исследования Двойной сплав с 50.7 ат. % Ni произведен Промышленным центром «МАТЕК-СПФ» (г. Москва) в виде стержней диаметром 30 мм. Образцы для изгиба в виде пластин (ширина 2 мм, толщина ~1 мм, длина 45 мм) вырезали параллельно оси стержня. Сплав имел крупнозернистую структуру, в которой преобладали квазиравноосные зерна с размерами 20-30 мкм. Изотермические циклы нагружение - разгрузка образцов проводили при T = 295 К, т.е. выше T = Aк, в оснастке с V-образным каналом (угол между стенками канала - 90) при нагружении образцов цилиндрами заданного радиуса. Возврат деформации при разгрузке образцов после их нагружения до заданной деформации εt принимали равным величине эффекта сверхэластичности, εсв (включает малую упругую деформацию, выделить которую не удается). При последующем нагреве разгруженных образцов до 493 К определяли величину возврата деформации, связанной с реализацией ЭПФ (εЭПФ), обусловленной обратным превращением доли деформационного мартенсита В19, стабилизированного развитием в образцах пластической деформации, в В2-фазу. Остаточная деформация после завершения формовосстановления образцов соответствует заданной пластической деформации (εпл), развивающейся в процессе деформирования образцов до εt (εпл фиксировали при 493 К). Таким образом, в цикле нагружение - разгрузка с последующим нагревом разгруженных образцов выявляются все составляющие деформации, заданной при нагружении образцов (εt = εсв + εЭПФ + εпл). При каждом значении заданной образцам деформации εt (от 4.0 до 23.0 %) проводили 11 механоциклов нагружения и разгрузки образцов при T = 295 К. После каждого цикла нагружение - разгрузка образца определяли величину эффекта сверхэластичности εсв, затем образец нагревали до T = 493 К и определяли величину возвращенной деформации в виде ЭПФ εЭПФ. Оставшаяся после этих действий деформация образца являлась пластической деформацией εпл, ее величину тоже измеряли. Во всем интервале максимально заданных деформаций от 4.0 до 23.0 % ошибка измерения определяемых величин не превышала 0.1 %. Температуры МП при охлаждении и нагреве образцов в исходном состоянии определяли из температурных зависимостей электросопротивления. Экспериментальные результаты Рис. 1. Температурная зависимость электросопротивления в интервалах мартенситных превращений при охлаждении и нагреве образцов сплава Ti49.3Ni50.7 (ат. %) На рис. 1 приведены температурные зависимости электросопротивления при охлаждении и нагреве образцов сплава с 50.7 ат. % Ni через температурный интервал МП. Видно, что в образцах реализуются МП В2↔B19, а повышение электросопротивления при Т > Ак обусловлено предпереходными состояниями В2-фазы [5]. МП в мартенситную фазу В19 начинается при Мн = 252 К и завершается при Мк = 223 К. Обратное МП В19→B2 происходит в интервале температур от Ан = 258 К до Ак = 273 К. Таким образом, при 295 К, которая выше Aк, образцы имели структуру В2-фазы. Под действием приложенного внешнего напряжения изгибом к образцам при 295 К в них генерируется мартенситная фаза В19, которая затем в процессе разгрузки в значительной степени или частично (в зависимости от величины заданной деформации) превращается в В2-фазу, обусловливая проявление эффекта сверхэластичности εсв. Другая часть мартенситной фазы В19 сохраняется после разгрузки, что связано с ее стабилизацией дефектами кристаллической структуры (в основном, дислокациями) в результате развития пластической составляющей деформации в образцах при их нагружении разными по диаметру цилиндрами, и превращается в В2-фазу при последующем нагреве разгруженных образцов до T = 493 К, обусловливая проявление ЭПФ (εЭПФ). Оставшаяся часть деформации образцов после их нагрева до T = 493 К является пластической деформацией εпл. Закономерности изменения εсв, εЭПФ, суммарной неупругой деформации (εСНД = εсв + εЭПФ) и развития пластической деформации εпл в процессе механоциклирования образцов с разной величиной заданной деформации εt приведены на рис. 2. Рис. 2. Влияние механоциклирования (N - количество циклов) при изгибе образцов на εСНД (кр. 1), равную εсв + εЭПФ, εсв (кр. 2), εпл (кр. 3) и εЭПФ (кр. 4): а - при εt = = 4.5 %; б - при εt = 6.0 %; в - при εt = 9.3 %; г - при εt = 20.2 % Из рис. 2 видно, что зависимости εСНД, εсв и εЭПФ от количества механоциклов имеют качественно подобный вид: εСНД и εЭПФ уменьшаются при увеличении N, а εпл возрастает. Видно также, что влияние механоциклирования на величину обратимой неупругой деформации при реализации эффекта сверхэластичности в интервалах, заданных образцам деформаций при εt менее 9.3 %, заметно отличается от влияния при более высоких значениях εt. При εt < 9.3 % наиболее значимые изменения этих параметров происходят на первых шести циклах, затем темп изменений уменьшается. При εt примерно до 9.3 % механоциклирование при изгибе образцов сплава Ti49.3Ni50.7 (ат. %) приводит к постепенному понижению величины εсв (рис. 2, а-в). При увеличении εt более 12 % наблюдается немонотонное изменение величины эффекта сверхупругости: после первого цикла εсв увеличивается и только затем наблюдается ее уменьшение (рис. 2, г). На рис. 2, г также видно, что при εt = 20.2 % на первом цикле εЭПФ высока и приближается примерно к 5 %, однако уже во втором цикле происходит ее резкое уменьшение. После 8-го цикла значения всех указанных выше параметров неупругих свойств стабилизируются. Такое немонотонное изменение величины эффекта сверхэластичности не является разовым и регулярно воспроизводится на всех образцах, механоциклирование которых проводилось при нагружении изгибом до деформаций примерно от 12 % и выше. Приращение величины эффекта сверхупругости на втором механоцикле относительно εсв в первом механоцикле (Δεсв(2-1)) во всем диапазоне максимальных заданных деформаций εt приведено на рис. 3. Рис. 3. Приращение обратимой деформации при реализации эффекта сверхэластичности во втором цикле нагружение - разгрузка, Δεсв(2-1) = εсв(2) - εсв(1), в зависимости от εt Из рис. 3 следует, что величина изменения обратимой неупругой деформации во втором механоцикле относительно первого цикла деформации и разгрузки, Δεсв(2-1) = εсв(2) - εсв(1), закономерно зависит от εt. При εt менее 12 % Δεсв(2-1), в целом, остается отрицательной (снижение эффекта сверхэластичности), достигая максимума (по абсолютной величине) вблизи εt ~ 6 %, начинает уменьшаться и становится равной нулю вблизи εt = 12 %. Обнаружено, что в процессе механоциклирования с εt = 12.3 % εсв при возрастании числа циклов от 3 до 11 остается неизменной. Увеличение εt более 12 % приводит к почти линейному повышению величины прироста сверхэластичности во втором цикле (рис. 3). Стадийность прироста неупругой обратимой деформации εсв в зависимости от εt во втором механоцикле (рис. 3) и ее последующее уменьшение при увеличении числа циклов до 11 практически не отражается на зависимостях величины пластической деформации εпл и суммарной обратимой неупругой деформации εСНД от εt (рис. 4 и 5). Рис. 4. Пластическая деформация εпл в первом цикле нагружение - разгрузка и после 11 циклов в зависимости от εt Рис. 5. Зависимость суммарной обратимой неупругой деформации εСНД = εсв + εЭПФ и эффекта памяти формы ЭПФ в первом цикле нагружение - разгрузка, εСНД(1) и εЭПФ(1), и после 11 циклов, εСНД(11) и εСНД(11), в зависимости от εt Обсуждение На рис. 2, а, б видно, что при небольших максимальных заданных деформациях, примерно до 6 %, зависимость величины эффекта сверхэластичности от количества циклов, εсв(N), практически полностью повторяет зависимость εСНД(N), и эти зависимости близки по величине. Необходимо отметить, что уже при заданной образцам деформации изгибом εt = 4.5 % после первого же цикла нагружение - разгрузка в них наблюдается появление пластической составляющей деформации. Однако в процессе нагружения образцов внешним напряжением изгибом с εt от 4 до 6 % накапливаемая в первом механоцикле пластическая деформация еще не так велика (0.2-0.3 %) и не приводит к стабилизации мартенситной фазы В19 после разгрузки образцов. В результате ЭПФ не наблюдается и возврат неупругой деформации происходит преимущественно за счет эффекта сверхэластичности. При увеличении максимальной заданной деформации примерно от 9 до 23 % на первых циклах накапливается от 2 до 8.5 % пластической деформации. Это приводит к тому, что в данных диапазонах εt после первого цикла нагружение - разгрузка существенный вклад в суммарную неупругую деформацию вносит ЭПФ (от 1.5 до 4.5 %) (рис. 2, в, г и 5). Однако после 4-5 циклов нагружения - разгрузки вклад ЭПФ в суммарную неупругую деформацию становится менее 1 % и сохраняется на этом уровне вплоть до 11 механоцикла. Развитие пластической деформации при нагружении образцов обусловливает закономерности и особенности проявления ЭПФ на первом и одиннадцатом циклах (зависимости εЭПФ(1) и εЭПФ(11) на рис. 5). Увеличение εt от 6 до 12 % приводит к заметному повышению пластической деформации (~ 3 % при εt ~ 12 %, рис. 4) и соответственно наблюдается интенсивное увеличение εЭПФ(1). Но при дальнейшем повышении εt прирост εЭПФ существенно уменьшается. При εt = 22.8 % величина εЭПФ(1) становится сравнимой по величине с εсв(1). При этом в первом цикле нагружение образца до εt = 22.8 % и его разгрузка суммарная обратимая неупругая деформация составляет εСНД(1) = 11 % (рис. 5) и соответствует максимально возможному кристаллографическому ресурсу мартенситной деформации в сплаве Ti49.3Ni50.7 (ат. %), который определяется деформацией кристаллической решетки В2-фазы при МП B2→B19 [13]. По нашему мнению, это может быть обусловлено заметным приростом пластической деформации в процессе дальнейшего механоциклирования (циклы 2-11) и развитием ее локализации, особенно в мезообъемах полос локализованной деформации, что приводит к значительному упрочнению сплава. Такое упрочнение образцов ведет к понижению температуры Мн в этих мезообъемах вплоть до полной стабилизации в них В2-фазы, как это происходит, например, при холодной прокатке образцов сплавов на основе никелида титана [15, 16]. Увеличение пластической составляющей заданной образцам деформации приводит к существенному понижению величины ЭПФ (εЭПФ(11)) в процессе механоциклирования при 295 К и соответственно к уменьшению εСНД(11) (рис. 5). Таким образом, основным механизмом накопления неупругой деформации при механоциклировании по-прежнему остается реализация эффекта сверхэластичности. По этой же причине проявляются особенности на зависимостях εсв(N) на втором механоцикле при увеличении εt свыше 12 %. Как показано на рис. 2, г, уже на первом цикле нагружения изгибом до εt = 20.2 % εпл достигает ~ 9.5 %, в результате чего стабилизируется значительный объем деформационного мартенсита В19, что позволяет при последующем нагреве реализовать ЭПФ примерно до 4.5 %, составляющий чуть меньше половины от суммарной неупругой деформации, накапливаемой в первом механоцикле. При этом дефекты, сохранившиеся в структуре образца после нагрева до 493 К, во втором механоцикле препятствуют формированию стабилизированного деформацией мартенсита В19. Таким образом, во втором механоцикле основной вклад в накоплении εСНД дает эффект сверхэластичности. Можно предположить, что локализация пластической деформации и упрочнение сплава при максимально заданной деформации образцам εt до 12 % не достаточны для стабилизации деформационного мартенсита В19 после снятия нагрузки. Деформация изгибом более 12 % стабилизирует некоторый объем мартенситной фазы В19, что позволяет деформированным образцам проявлять ЭПФ на уровне 2.5-4.5 % в первом механоцикле. Однако даже накопление 13 % пластической деформации после одиннадцатого механоцикла при изгибе образца до 20.2 % недостаточно для полного предотвращения движения межфазных границ и реализации обратимого В2↔В19 МП в циклах нагружение - разгрузка с сохранением при этом эффекта сверхэластичности на уровне 6 %. Заключение Установлено, что даже сравнительно небольшая заданная образцам сплава Ti49.3Ni50.7 (ат. %) деформация изгибом, равная 4.5 %, в B2-фазе при T  295 К, которая выше Aк на 22 К, приводит не только к накоплению неупругой деформации за счет реализации МП B2→B19 под действием приложенного внешнего напряжения изгибом, но и к появлению пластической составляющей деформации. Увеличение количества циклов деформирования образцов приводит к постепенному увеличению пластической составляющей деформации и понижению величины неупругой деформации в виде эффекта сверхэластичности. Однако на протяжении всех одиннадцати циклов нагружения и разгрузки образцов основная часть накопленной суммарной неупругой деформации возвращается сразу после снятия внешнего напряжения на образцы, т.е. в виде эффекта сверхэластичности. Эти результаты необходимо учитывать при практическом использовании сплава данного состава в качестве медицинских имплантатов, которые испытывают напряжения на изгиб. Для выявления факторов, обеспечивающих стабилизацию (и даже повышение) обратимой неупругой деформации при реализации эффекта сверхэластичности при заданных деформациях более 12 % и деградацию ЭПФ во всем диапазоне заданных деформаций до 23 % необходимо проведение специальных исследований структуры образцов и особенностей развития пластической деформации в процессе механоциклирования при изгибе образцов.

Скачать электронную версию публикации