Когда аустенит деформируют при температуре выше Мsσ (т.е. при Т2 на рис.11), он начинает пластически деформироваться при напряжении аа и деформационно упрочняется до σb. После этого начинается мартенситное превращение. Напряжение σb значительно меньше σc , получаемое экстраполяцией линий, критическое напряжение – температура между Мs и Мsσ. Такое уменьшение (т.е. σc – σb) критического прикладываемого напряжения образования мартенсита обусловлено пластической деформацией аустенита.
В отличии от температуры Мs, при которой мартенситное превращение будет начинаться из-за действия химической движущей силы, часто рассматривают температуру Мd. Это температура, выше которой химическая движущая сила становится настолько маленькой, что зарождение мартенсита не может быть вызвано механическим путем даже в режиме пластической деформации.
Механические эффекты в термоупругих мартенситных превращениях. Эффект памяти формы
Общее изменение свободной энергии сплава при образовании кристалла мартенсита можно записать в виде:
ΔF = – ΔFv + Eпов + Eупр , (9)
где ΔFv определяется изменением кристаллической решетки при превращении и пропорционально объему; Eпов – поверхностная энергия; Eупр – упругая энергия, обусловленная напряжениями, возникающими в результате изменения главным образом формы превращенной области. При когерентном росте упругая энергия в определенных условиях растет быстрее изменения величины ΔFv. Если когерентность будет сохраняться, то при достижении некоторых размеров кристалла упругая энергия скомпенсирует выигрыш свободной энергии ΔFv, обусловленной изменением решетки. Рост при этом прекратится и кристалл будет находиться в упругом равновесии с исходной фазой. Повышение температуры должно приводить к уменьшению кристалла, а понижение – к увеличению, пока не нарушится когерентность. Такое термоупругое равновесие и «упругие» кристаллы мартенсита были обнаружены впервые в сплавах Cu – Al с добавками Ni и Mn при мартенситном превращении β1 ↔ γ'.
Движущая сила роста кристалла при охлаждении определяется увеличением ΔFv. Движущая сила уменьшения кристалла при нагреве – напряжения, возникшие при его образовании. Увеличение и уменьшение «упругого» кристалла происходит обратимо при изменении температуры, если не нарушается когерентность в результате релаксации напряжений. Релаксация напряжений, вызывающая частичное нарушение когерентности, приводит к появлению температурного гистерезиса: уменьшение размеров упругого кристалла начинается не сразу при повышении температуры. Величина гистерезиса зависит от степени релаксации напряжений.
Напряжения, возникающие при образовании первых кристаллов мартенсита, определяют ориентировку и порядок появления новых кристаллов при дальнейшем охлаждении. Прямое превращение начинается при температуре Мн, распространяется на область температур и заканчивается при температуре Мк. При медленном нагреве кристаллы мартенсита уменьшаются и исчезают в порядке, обратном их появлению при охлаждении. Обратное превращение начинается с некоторым гистерезисом при температуре Ан (ниже Мн) и заканчивается при температуре Ак (выше Мн). Разница между температурами Мн и Ак зависит от степени релаксации напряжений.
Увеличение или уменьшение размеров упругих кристаллов мартенсита может происходить не только при изменении температуры, но и под действием внешней нагрузки при постоянной температуре. Кристаллы мартенсита при этом могут возникать и расти при температурах выше Мн. При удалении нагрузки происходит обратное превращение мартенсита в исходную фазу.
Деформация за счет образования мартенсита под нагрузкой в области температур ниже Мн не исчезает после удаления нагрузки. В этом случае восстановление исходных размеров и формы образца происходит при последующем нагреве до температур выше Ак за счет обратного мартенситного превращения. Это явление называется эффектом памяти формы.
При нагружении образца в области температур мартенситного превращения деформация может происходить не только за счет образования новых кристаллов, но и за счет переориентировки уже возникших, а также за счет изменения их внутренней доменной структуры.
Неполное восстановление формы при нагреве может быть связано с тем, что в процессе мартенситного превращения генерируются дислокации и деформация частично происходит за счет скольжения, обусловливающего необратимую часть деформации.
Хотя материалы с памятью формы в общем деформируются в мартенситном состоянии при сравнительно низких напряжениях, при нагреве деформированного мартенсита до температур от Ан до Ак генерируются неожиданно большие напряжения. Обнаружено, что если мартенсит закреплен и нагрет до Af, то в нем возникает «напряжение термомеханического возврата» порядка 700 МН/м2. Другими словами тепло можно использовать для создания механической силы, которая может производить работу. Это является основой многочисленных тепловых двигателей, использующих сплавы с памятью формы, находящиеся в настоящее время на стадии экспериментальной разработки.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.