Механические эффекты в неупругих мартенситных превращениях. Механические эффекты в термоупругих мартенситных превращениях. Эффект памяти формы

Механические эффекты в неупругих мартенситных превращениях.

Общей закономерностью является то, что нетермоупругий мартенсит в большинстве сплавов железа и других металлов претерпевает большие изменения объема при превращении и больший термический гистерезис при охлаждении и нагреве (т.е. большую разницу между М_s и А_s) по сравнению с термоупругим мартенситом. Таким образом, в случае нетермоупругого мартенсита мартенсит напряжения и мартенсит деформации, образующиеся выше М_s, являются стабильным при температуре, когда действуют напряжения, и не переходят в аустенит при снятии нагрузки. Более того, поскольку аустенит и мартенсит несколько повреждаются при пластической деформации из-за большой деформации формы и изменении объема в течение превращения, обратимое кристаллографическое превращение типа исходная фаза ↔ мартенсит становится затрудненным. В сплавах железа мартенсит можно индуцировать при пластической деформации аустенита, потому что исходная фаза обычно проявляет хорошую пластичность.

Поскольку мартенситное превращение осуществляется кооперативным сдвиговым движение атомов, легко представить, что прикладываемые упругие напряжения способствуют превращению. Однако роль пластической деформации в мартенситном превращении весьма сложна. Считается, что мартенситное превращение, вызванное деформацией можно лучше понять, рассматривая влияние приложенного напряжения, а не влияние деформации.

Механическая движущая сила является функцией напряжения и ориентации превращающейся мартенситной пластины:

U = τγ₀ + σε_n                                                (4)

где τ – напряжение сдвига, действующее вдоль направления сдвига при превращении в габитусной плоскости мартенсита; γ₀ – сдвиговая деформация при превращении вдоль направления сдвига деформации формы в плоскости габитуса; σ – нормальная компонента напряжения, действующая перпендикулярно габитусной плоскости; ε – дилатационная компонента деформации формы при превращении. Когда к образцу прикладывается напряжение σ₁ для любой данной ориентации мартенситной пластины τ и σ можно выразить следующим образом:

τ = (1/2)σ₁(sin2θ)соsα,                                       (5)

σ = ±(1/2)σ₁(1+cos2θ),                                       (6)

где σ₁ – абсолютная величина прикладываемого напряжения (растягивающего или сжимающего); θ – угол между осью прикладываемого напряжения и нормалью к габитусной плоскости; α – угол между направлением сдвига при превращении и направлением максимального сдвига в габитусной плоскости, индуцированного прикладываемым напряжением. Знаки + и – в уравнении (6) относятся к растяжению и сжатию соответственно. Исходя из уравнений (4) – (6), механическую движущую силу, обусловленную прикладываемым напряжением σ₁, можно выразить в виде:

U = (1/2) σ₁ [γ₀ (sin2θ)соsα ± ε₀(1 + соs2θ)]                 (7)

Когда мартенситное превращение индуцируется прикладываемым к поликристаллическому аустениту напряжением, а ориентация зерен в аустените распределены хаотически, первой образуется та мартенситная пластина, ориентация которой обеспечивает максимальную величину U (уравнение 7). Максимальное значение U достигается при условиях α = 0 и dU/dθ = 0, из которых критическая механическая движущая сила (U') получается в виде:

U' = (1/2) σ₁' [γ₀ (sin2θ') ± ε₀(1 + соs2θ')],                       (8)

где σ₁' – критическое прикладываемое напряжение, необходимое для начала мартенситного превращения. В случае сплавов Fe – Ni угол θ', например рассчитанный на основе известной компоненты деформации формы при превращении (γ₀ = 0,20, ε_n = 0,04), равен 39,5° для растяжения и 50,5° для сжатия соответственно.

Если химическая движущая сила линейно уменьшается с превышением температуры над М_s, то ожидается, что критическое прикладываемое напряжение начала образования мартенсита линейно увеличивается с повышением температуры, при которой происходит нагружение. Наблюдалось, что критическое напряжение для образования мартенсита линейно увеличивается с повышением температуры в интервале между М_s и М_s^σ (рис. 11). Однако выше М_s^σ (например при Т₂) образование мартенсита начинается при напряжении σ_b , после прохождения пластической деформации аустенита.

Рисунок 11 - Схематическая диаграмма напряжение – температура, на которой показано критическое напряжение, вызывающее образование мартенсита в зависимости от температуры: 1 –превращение, индуцированное напряжением; 2 – условный предел текучести σ_0,2 аустенита; 3 –превращение, индуцированное деформацией.

В общем случае наблюдалось, что в случае приложения упругого напряжения индуцировался только один из возможных 24 вариантов мартенсита. Это вариант является таким, для которого возможно максимальное удлинение в направлении оси растяжения.