|
Home
Dr. V. Prieb
Publikationen
Erfahrungen
Konsultationen
Forschungsprojekte
Entwicklung
Knowhow-Transfer
Materialmuster
Fachseminare
Fachrecherchen
Betreuung
Kooperationspartner
Auftrag
Rechtsvorbehalte
Kontakt
|
Thesis (Volltext auf Russisch)
Диссертация (на русском языке) PDF-файл
Термоупругое и гистерезисное поведение монокристаллов
сплавов с памятью формы на медной основе
Хельге Штекманн
Научный руководитель Др. Виктор Приб
"1st Memory Alloys GmbH"
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата физико-математических наук
Берлин/Киев-1996
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
Сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) принадлежат к классу новых конструкционных
материалов с особыми свойствами. Инновационный потенциал этих сплавов используется ещё далеко недостаточно. Это связано не только
с металловедческими проблемами производства этих прецезионных сплавов с требуемыми и стабильными эксплуатационными свойствами.
Всё ещё недостаточно фундаментальных и надёжных экспериментальных результатов направленных на выяснение природы гистерезиса и термоупругости,
а также базирующихся на этих результатах теоретических моделей, которые могли бы успешно описывать и предсказывать необходимые
для применения свойства и поведение сплавов с ЭПФ. Такая ситуация сохраняется до настоящего времени, несмотря на интенсивное
исследование в течение последней четверти века, как самих свойств памяти формы на самых различных системах сплавов,
так и лежащих в их основе структурных явлений.
Эффекты памяти формы в сплавах обусловлены атермическими мартенситными превращениями с так называемой термоупругой кинетикой.
Эти превращения определяют обратимое изменение свойств сплава в зависимости от фазовой доли мартенсита. Обратимость заключается в том,
что термодинамические параметры системы после полного замкнутого цикла возвращаются к своим исходным значениям.
В то же время весь процесс в целом является необратимым, поскольку термодинамические траектории системы при движении
её "туда" и "обратно" не совпадают и образуют петлю гистерезиса. Площадь петли гистерезиса характеризует
потери на трение - диссипированную в полном цикле энергию.
Термодинамические модели, описывающие термоупругость превращения связывают её с действием нехимической составляющей движущей силы превращения.
Она вознивает за счёт накопления в системе, по мере роста новой фазы, упругой энергии, препятствующей этому росту и приводящей к отклонению
системы от глобального равновесия. При этом траектория превращения соответствует последовательности локальных метастабильных равновесных состояний.
Такое описание в рамках равновесной термодинамики не включает в себя естественным образом гистерезисных явлений. Для описания полной петли гистерезиса
в баланс движущих сил превращения вводится диссипативная составляющая, также понижающая термодинамический стимул превращения.
Природа как нехимического, так и диссипативного вклада в деталях не исследована и обсуждается лишь в общих чертах. При этом, однако,
априори предполагается их независимость друг от друга.
С другой стороны, в некоторых, всё ещё немногих экспериментальных работах по исследованию
интерьера гистерезиса термоупругого превращения посредством неполного циклирования установлено, что как нехимическая, так и часть
диссипативной движущей силы превращения имеют линейную зависимость от фазовой доли мартенсита. Отсюда можно заключить,
что обе они имеют одинаковую природу и связаны, по-видимому, с перераспределением упругой энергии - её накоплением и диссипацией -
в процессе прямого и обратного мартенситных превращений.
Таким образом, вопрос о природе термоупругости и гистерезиса и их взаимосвязи, который является ключевым в плане как фундаментальных,
так и прикладных аспектов развития сплавов с ЭПФ, остаётся до сих пор не решённым, ни экспериментально ни теоретически.
Цель работы и задачи исследования.
Цель работы - выяснение вопроса о взаимосвязи термоупругости и гистерезиса или накопленной упругой и
диссипированной энергии путём исследования гистерезиса термоиндуцированного превращения и
ферроупругого гистерезиса, возникающего при циклической знакопеременной деформации образцов сплавов
с ЭПФ в полностью мартенситноы состоянии, и сопоставления полученных на одних и тех же монокристаллах результатов.
Для достижения этой цели были сформулированы следующие конкретные задачи:
-
Измерение термодинамических характеристик и характеристик гистерезиса
-
Исследование интерьера термического гистерезиса и положения линий
-
Исследование изменений формы и размеров петли гистерезиса и определение различных вкладов в неупругую деформацию
при переходе от сверхупругого к ферроупругому поведению.
-
Исследование интерьера петли ферроупругого гистерезиса путём неполного циклирования и определение линий
глобального механического равновесия смеси мартенситных доменов.
-
Определение зависимости диссипированной в замкнутых неполных циклах превращения или деформации энергии от фазовой доли мартенсита или от
величины неупругой деформации.
-
Исследование особенностей внутренних траекторий термического и ферроупругого гистерезиса.
В работе проведён также сравнительный анализ гистерезисного поведения сплавов с ЭПФ и ферромагнитных материалов, основанный на установленном
экспериментально подобии формы и интерьера петель ферроупругого и ферромагнитного гистерезиса.
Материалом исследования служили монокристаллы сплавов с ЭПФ на медной основе Сu-Al-X, где Х - Zn, Ni, Mn, с электронной концентрацией около е/а=1,48.
Научная новизна.
Исследован экспериментально методом неполного циклирования интерьер гистерезиса термоиндуцированного превращения и обнаружены две прямые
линии внутри петли гистерезиса, отвечающие глобальному двухфазному равновесию и разделённые латентным гистерезисом. Установлена
параболическая зависимость диссипированной энергии от фазовой доли мартенсита и показано, что отклонение траектории превращения,
отвечающей локальному метастабильному равновесию, от линии глобального равновесия обусловлено частичной или полной диссипацией
накапливаемой упругой энергии. На основании полученных данных предложено новое определение температуры двухфазного равновесия.
Впервые проведено детальное экспериментальное исследование ферроупругого поведения и показано наличие диагональной линии внутри
петли ферроупругого гистерезиса, совпадающей с осью деформации (ось нулевого напряжения) и отвечающей безразличному глобальному
равновесию смеси мартенстиных доменов с различной ориентацией. Исследовано влияние ориентировки на параметры ферроупругого
гистерезиса и обнаружено жидкоподобное поведение монокристаллов определённой ориентировки при их деформации в мартенситном состоянии.
Установлена экспериментально параболическая зависимость диссипированной в цикле ферроупругой деформации энергии от деформационной
амплитуды цикла и показано, что отклонение линий локального метастабильного равновесия, образующих главную петлю ферроупругого гистерезиса,
от линии глобального равновесия связано с полной диссипацией накапливаемой при переориентации доменов упругой энергии.
Показана экспериментально эквивалентность петель и интерьера ферроупругого и ферромагнитного гистерезиса и проведён анализ
полученных результатов на основе развитых в теории ферромагнетизма представлений.
На основании проведённых исследований сделан вывод, что термоупругость и гистерезис мартенситных превращений в сплавах с ЭПФ неотделимы
друг от друга в смысле неотделимости лежащих в их основе процессов накопления и диссипации упругой энергии превращения.
Научное и практическое значение:
1. Полученные в работе данные по интерьеру ферроупругого и термического гистерезиса и взаимосвязи термоупругости и гистерезиса
представляют собой основу для проверки существующих и разработки новых моделей термоупругих мартенситных превращений.
2. Результаты исследования особенностей внутренних траекторий и гистерезисного поведения такие как память на точки разворота,
вырождение петли гистерезиса, смещение температур обратного превращения после циклов ферроупругой деформации необходимы
для моделирования и прогнозирования неупругого, гистерезисного поведения и свойств сплавов с ЭПФ, используемых в реальных устройствах.
Предполагается использование полученных результатов для развития теории и моделирования термоупругих мартенситных превращений
и гистерезиса в Ст.-Петербургском Университете (Россия), Безансонском Университете (Франция), Леовенском Университете (Бельгия),
Берлинском Техуниверситете (Германия).
Защищаемые положения:
- температура двухфазного равновесия определяется линиями внутри петли термического гистерезиса, отвечающими глобальному двухфазному
равновесию при прямом и обратном превращении;
- интерьер ферроупругого гистерезиса определяется линиями внутренней упругости и внутренней текучести, а также диагональной линией,
совпадающей с координатной осью деформации нулевого напряжения, имеющей нулевой наклон и отвечающей глобальному безразличному
равновесию смеси мартенситных доменов;
- ферроупругий и ферромагнитный гистерезис являются эквивалентными в смысле подобия их интерьера и эквивалентности их свойств - ферроупругий
гистерезис, как и ферромагнитный, не имеет температурной зависимости; имеет ориентационную зависимость - монокристаллические образцы имеют
ось лёкой деформации и демонстрируют жидкоподобное ферроупругое поведение; диссипированная в замкнутом цикле ферроупругой деформации
энергия имеет параболическую зависимость от амплитуды деформации.
Апробация работы.
Результаты работы доложены на:
"Общем собрании немецкого общества металловедов" (Гёттинген, 1994),
международном симпозиуме "Актюатор-94" (Бремен, 1994), международной конференции "ICOMAT-95"
(Лозанна, 1995 - два доклада) и первом американо-российском семинаре "Новые физические и математические
подходы к компьютерному целевому дизайну сплавов с памятью формы" (Ст.-Петербург, 1995 - 4 доклада).
Публикации: Основное содержание работы отражено в 7 работах, список которых приводится в конце автореферата.
Объём и структура диссертации.
Диссертационная работа, общим объёмом в 155 страниц, состоит из пяти глав,
введения и заключения. Диссертация содержит три таблицы, 35 рисунков и список
цитируемой литературы из 204 названий.
Общее содержание работы
Первая глава "Особенности термоупругих мартенситных превращений и свойств памяти формы сплавов на медной основе"
является обзором литературных данных по термодинамике и кинетике термоупругих мартенситных превращений и связанных
с ними неупругих эффектов в сплавах с ЭПФ с основным акцентом на сплавы на основе меди.
Рассмотрены структуры аустенитной и мартенситной фаз.
Показано, что в сплавах на медной основе возможны несколько
модификаций высокотемпературной фазы, основными из которых являются упорядоченные В2- и DO3-структуры.
Мартенситная фаза имеет строение длиннопериодных 2Н-, 3R-, 6R-, 9R- и 18R- структур.
Показаны возможные типы мартенситных переходов между аустенитными и мартенситными структурами при изменении температуры и внешнего напряжения.
Рассматривается термодинамика термоупругих мартенситных превращений. Анализируется баланс движущих сил превращения, введённый Курдюмовым
для описания термоупругого равновесия мартенсита и аустенита. Подробно анализируется вопрос об определении температуры равновесия фаз,
который сводится к определению и анализу линий глобального фазового равновесия. Исследование линий глобального равновесия является одним
из основных аспектов диссертационной работе. Приводятся данные о кинетических особенностях термоупругих мартенситных превращений.
Показаны особенности неупругого и гистерезисного поведения сплавов на медной основе, связанные в основном с многообразием мартенситных
переходов в них.
Особое внимание в литературном обзоре уделено посвящённым анализу термоупругости и гистерезисного поведения
термодинамическим и другим теоретическим моделям и экспериментальным результатам, на которых они основаны.
Основной акцент делается при этом на противоречивых или спекулятивных положениях этих моделей.
Во второй главе "Задачи, объекты и методы исследования"
проводится анализ, с одной стороны, противоречивых положений теории, с другой стороны, взаимосвязи термоупругости и гистерезиса
на основе уже имеющихся в литературе? экспериментальных данных.
На основе такого анализа формулируются задачи исследования и обосновывается необходимый для их решения выбор
объектов и методик исследования.
Из анализа литературных экспериментальных данных следует, что наклон петли гистерезиса связан не только с накоплением
упругой энергии, как это трактуется в термоупругой модели, но и с её диссипацией. Накопление упругой энергии
определяет только линию глобального двухфазного равновесия, которая как ошибочно считается проходит параллельно
траекториям превращения, образующим главную петлю гистерезиса. В литературе отсутствуют данные, однозначно
устанавливающие такое положение линии глобального равновесия. В то же время имеется ряд работ,
в которых показано наличие двух линий глобального равновесия, образующих внутреннюю петлю
с наклоном отличным от наклона главной петли гистерезиса.
На основе проведённого анализа делается вывод о том, что природа термоупругости и гистерезиса,
их взаимосвязь, природа метастабильных состояний, внутренние траектории, характеризующие интерьер
петли гистерезиса, остаются до сих пор не выясненными. Показано, что для выяснения природы основных
вкладов в баланс движущих сил превращения необходимо проведение модельных экспериментов,
в которых направлено разделяются различные факторы, влияющие на форму и размеры петли гистерезиса.
К таким экспериментам относится прежде всего исследование ферроупругого гистерезиса на монокристаллических образцах.
В качестве объектов исследования выбраны сплавы с ЭПФ на медной основе (Табл. 1), в которых в зависимости от
термообработки и внешнего воздействия можно наблюдать различные цепочки превращений и, соответственно,
различные формы петель гистерезиса. Характеристические температуры превращения и ориентировка монокристаллов указаны в таблице.
Монокристаллы выращивались по модифицированному методу Бриджмена и термообрабатывались по схеме ступенчатой закалки.
Электронно-микроскопические исследования структуры проведены на микроскопе JEOL-200C.
Исследования термического гистерезиса и термодинамических параметров превращения проведено
на дифференциальном сканирующем калориметре "PERKINS ELMER". Механические испытания проведены
на "in-situ"- машине, позволяющей одновременно наблюдать поверхность образца на металлографическом
микроскопе, а также измерять электрическое сопротивление во время деформаци.
Третья глава "Гистерезис термоиндуцированного превращения"
посвящена исследованию общих закономерностей термического гистерезиса превращения.
Гетерогенное зарождение многих параллельных пластин мартенсита происходит в гомогенном
В 2-аустените.
Получены и обсуждаются общая форма петель термического гистерезиса и их интерьер,
исследованный в процессе неполного циклирования по различным схемам. Установлено наличие двух прямых
линий глобального двухфазного равновесия внутри главной петли гистерезиса. Эти линии отвечают температурам
начала прямого и обратного превращений в неполных циклах. Наклон этих линий может быть и положительным и отрицательным,
но очень мал. В случае широкого гистерезиса (около 20?C) эти линии параллельны друг другу и перпендикулярны оси температур.
В случае узких (около 4?C) асимметричных петель гистерезиса эти линии близки к вертикали также как диагональная линия,
соединяющая начало прямого и обратного превращения главной петли гистерезиса. Асимметрия петли гистерезиса приводит
к различному наклону линий глобального равновесия, тогда как их наклон по отношению к соответствующим ветвям
главной петли гистерезиса одинаков.
На основании исследования внутренних линий глобального равновесия предложен новый по сравнению с определением Тонга и Ваймана
способ определения температуры двухфазного равновесия. Она вычисляется как среднее значение температур начала прямого
и обратного превращений в неполных циклах, экстраполированных линейно к нулевой фазовой доле мартенсита.
Измерены при различных скоростях сканирования и рассчитаны термодинамические характеристики превращения.
Вводится определение коэффициента термоупругости как количественной термодинамической характеристики в обобщённой
энергетической форме. Такое определение позволяет сопоставление аналогичных, характеризующих наклон петель
гистерезиса параметров для всех видов гистерезисного поведения в сплавах с ЭПФ: ферроупругого, сверхупругого и термоупругого.
Количественные значения коэффициентов термоупругости, полученны из экспериментальных данных (Табл. 2).
Из анализа формы петли гистерезиса и положения линий глобального равновесия определены эмпирически все вклады
в энергию замкнутого цикла превращения, определяющую форму и размеры петли термического гистерезиса,
и их зависимость от фазовой доли мартенсита, которая в общем виде может быть представлена комбинацией линейных
и параболических членов.
Линейный член описывает диссипированную энергию, отвечающую внутренней петле латентного гистерезиса и связан с процессами
зарождения и тепловыми эффектами превращения. Коэффициент линейной зависимости определяется дефектностью кристалла
и скоростью сканирования - чем ближе условия превращения к адиабатическим и чем неидеальнее кристалл, тем больше этот коэффициент.
Последний, параболический член описывает накопление упругой энергии и определён по наклону линий глобального равновесия.
Первый параболический член описывает диссипацию той же самой накапливаемой упругой энергии во время роста мартенситных
кристаллов за счёт процессов аккомодации, взаимодействия мартенситных кристаллов между собой, дефектами и свободными поверхностями.
Значения полной диссипированной энергии, определённые как площадь главной петли гистерезиса, приведены также в таблице 2.
Проведённый на единой методической основе анализ позволяет сопоставлять полученные в работе результаты и результаты,
имеющиеся в литературе, и уже тем самым зачастую устранить имеющуюся иногда в литературе разноречивость трактовок при практически
идентичных экспериментальных данных. Кроме того он даёт возможность получить много дополнительной информации из опубликованных,
однако подверженных иногда недостаточному анализу данных. Такой подход позволил подтвердить корректность и общность основных результатов работы.
Четвёртая глава "Ферроупругий гистерезис"
содержит результаты исследования ферроупругого поведения тех же монокристаллов,
на которых исследован термический гистерезис превращения. Исследован в деталях переход от сверхупругого
к ферроупругому гистерезису при понижении температуры изотермических испытаний через интервал
двухфазности в мартенситную область.
Петли псевдоупругого гистерезиса растяжения и сжатия переходит в петлю ферроупругого гистерезиса
не путём сдвижки вдоль линии упругости, как предполагается в теоретических работах, а путём сдвижки
и изменения наклона линий упругости, приводящего к возникновению гистерезиса между этими линиями.
Наклон линий упругости соответствует модулю псевдоупругости и определяется количеством мартенсита
в исходном двухфазном состоянии.
Исследовано также изменение коэффициента линейной зависимости электросопротивления образцов от деформации
при переходе от псевдоупругости к ферроупругости. Установлено, что ферроупругая деформация,
осуществляющаяся переориентацией мартенситных доменов, также сопровождается линейным увеличением
электросопротивления от деформации с коэффициентом однако гораздо меньшим, чем при псевдоупругой деформации
за счёт образования ориентированной мартенситной фазы. Это связано с допревращением остаточного аустенита
под действием внешнего напряжения. Нелинейные эффекты на краях петли как псевдо-, так и ферроупругого
гистерезиса сопровождаются увеличением коэффициента линейной зависимости электросопротивления от деформации
и обусловлены изменением параметров решёток под действием напряжения. Это приводит к псевдоупругому возврату
деформации на краях петли ферроупругого гистерезиса.
Петля ферроупругого гистерезиса в идеализированном общем виде может быть представлена как симметрично расположенный
относительно оси деформации параллелограмм, образованный прямыми линиями текучести растяжения и сжатия и линиями
упругости растяжения и сжатия. Наклон петли гистерезиса характеризуется коэффициентом ферроупругости имеющим одно и
то же значение при растяжении и сжатии.
Интерьер петли ферроупругого гистерезиса характеризуется наличием внутренних линий текучести и внутренних линий упругости.
Внутренние линии упругости, так же как внутренние линии текучести параллельны при достаточно больших амплитудах деформации
частных петель соответствующим линиям главной петли гистерезиса, что обуславливает подобие главной и частных петель гистерезиса.
Точки пересечения линейно экстраполированных линий упругости и текучести лежат на прямой линии, являющейся короткой
диагональю параллелограмма и совпадающей с осью деформации нулевого напряжения. Это означает, что переориентация
мартенситных доменов, соответствующая ферроупругой текучести, начинается как при растяжении, так и при сжатии при нудевом
внешнем напряжении. В образцах 5 и 6 напряжения начала текучести при растяжении и сжатии отличны от нуля и лежат
на двух параллельных горизонтальных линиях, образующих внутреннюю петлю латентного гистерезиса, который в сплаве 5
значительно меньше, чем в сплаве 6.
Диагональная линия с нулевым наклоном описывает безразличное глобальное равновесие смеси мартенситных доменов.
Нулевой наклон линии глобального равновесия свидетельствует о полном отсутствии накопления упругих напряжений
при переориентации мартенситных доменов, которое осуществляется перемещением легко подвижных междоменных
двойниковых границ. Локальное метастабильное равновесие, описываемое траекториями главной петли ферроупругого
гистерезиса, достигается за счёт полной диссипации упругой энергии, возникающей при взаимодействии мартенситных
доменов между собой или двойниковых границ с дефектами структуры. Из анализа взаимного расположения линий
лобального и локального равновесия найдено эмпирическое выражение для диссипированной в замкнутом цикле
ферроупругой деформации энергии от деформационной амплитуды цикла.
Первый, линейный член описывает диссипированную энергию, отвечающую латентному гистерезису, а второй,
параболический член отвечает диссипированной энергии, обуславливающей наклон ферроупругой петли гистерезиса
за счёт отклонения реальной траектории ферроупругой деформации от линии глобального равновесия.
Количественные характеристики ферроупругого гистерезиса измеренные и рассчитанные для всех исследованных сплавов
приведены в таблице.
Сопоставление интерьера петель ферроупругого и ферромагнитного гистерезиса показывает идентичность как самих петель,
так и описанных особенностей интерьера. Эта внешняя идентичность показывает идентичность процессов ферроупругой деформации
и перемагничивания ферромагнетиков. Это подтверждается также одними и теми же свойствами ферроупругого
и ферромагнитного гистерезиса. Известно, что ферромагнитный гистерезис не зависит от температуры изотермического
перемагничивания. Эксперимент показывает, что форма, размер и интерьер ферроупругого гистерезиса также не зависят
от температуры изотермического деформирования в мартенситной области температур. Ферромагнитный гистерезис з
ависит от направления приложения внешнего магнитного поля и в ферромагнетиках существует ось лёгкого намагничивания,
при которой достигается максимальная намагниченность при минимальных гистерезисных потерях.
Исследование ферроупругого гистерезиса монокристаллических образцов 1-3 показало, что все характеристики ферроупругого
гистерезиса существенно зависят от ориентации оси образца по отношению к оси приложения внешнего напряжения.
В экстремальном случае это приводит к жидкоподобному поведению монокристальных образцов сплавов с ЭПФ в мартенситном состоянии,
при котором достигается максимальная ферроупругая деформации при практически нулевом гистерезисе.
На основании данных об интерьере ферроупругого гистерезиса, а также тенденции линии глобального равновесия внутри
термического гистерезиса к вертикальному по отношению к оси температур положению делается вывод о том, что равновесные
состояния как при мартенситном превращении, так и при переориентации мартенситной фазы под действием внешнего напряжения
описываются в идеальном случае (отсутствие любых упругих взаимодействий) линией Максвелла, так же как переход жидкость-газ
в теории Ван-дер-Ваальса.
Пятая глава "Особенности внутренних траекторий петель ферроупругого и термического гистерезиса"
посвящена исследованию особенностей внутренних траекторий гистерезиса, установленных в неполных циклах
ферроупругой деформации или термоиндуцированного превращения при сложных схемах циклирования.
Память на точки разворота при неполном циклировании наблюдается в различной, зависящей от условий
эксперимента форме для всех исследованных сплавов с большим ферроупругим гистерезисом.
При неполных циклах сжатия, начиная от упругой ветви растяжения, этот эффект приводит к формированию
двух линий текучести. Первая из них образована траекториями первого прохода в неполных циклах,
а вторая - траекториями второго и последующих проходов деформации, которая происходит при меньших
сжимающих напряжениях. Проявляется память на точки разворота в том, что коэффициент ферроупругости
траекторий второго прохода возрастает при приближении к точкам прерывания предыдущего неполного
цикла и разворота внутрь петли гистерезисаю При этом он асимптотически приближается к значению,
отвечающему модулю упругости, как это наблюдается также на краях главной петли ферроупругого
или псевдоупругого гистерезиса. Внутренняя траектория выходит на главную петлю гистерезиса точно
в точке разворота после чего коэффициент ферроупругости принимает своё исходное значение.
Память внутренних траекторий на точки разворота проявляется ещё более отчётливо при обходе любой внутренней,
частной петли гистерезиса.
Такое поведение приводит, во-первых, к тому, что внутренние траектории никогда не пересекают сами себя
в одном неполном цикле в отличие от некоторых, приводимых в литературе представлений, во-вторых -
к деградации петли внутреннего гистерезиса до прямой линии с наклоном, отвечающим модулю упругости,
при спиралеподобном уменьшении деформационной амплитуды неполных циклов, при котором участки траектории
с возрастающим коэффициентом ферроупругости доминируют всё больше над линейными участками текучести.
При термоиндуцированном мартенситном превращении память на точки разворота проявляется в том, что, после проведения
нескольких неполных циклов с прерыванием обратного мартенситного превращениея и охлаждением в мартенситную
область, на колориметрической кривой последующего полного превращения фиксируются несколько максимумов,
расположенных точно между температурами, отвечающими точкам разворота в предыдущих неполных циклах.
То есть в точках разворота превращение замедляется, а между ними снова ускоряется.
Этот эффект известен в литературе как SMART-эффект, обнаруженный также калориметрически на поликристаллах TiNi.
Эффект расширения гистерезиса состоит в повышении до 100?C температуры обратного мартенситного превращения
при первом нагреве после циклов ферроупругой деформации, как показывают калориметрические измерения
монодоменизированных участков образцов деформированных в мартенситном состоянии. Температуры прямого
и обратного мартенситного превращения при последующем первом охлаждении и при втором нагреве,
также как и при последующих термоциклах, соответствуют вновь характеристическим температурам исходного образца.
Обсуждаются связь этих эффектов с параметрами термоупругости и гистерезиса и прикладные аспекты наблюдаемых
особенностей гистерезисного поведения, в том числе механизм обратимого эффекта памяти формы и реабилитация
свойств сплавов с ЭПФ после длительной работы в циклических условиях.
Основные результаты исследования термоупругого и гистерезисного поведения сплавов с ЭПФ на медной основе можно обобщить следующим образом:
-
Экспериментально исследованы форма петли гистерезиса термоиндуцированного превращения и её интерьер.
Обнаружены две линии глобального двухфазного равновесия, которые образуют петлю внутреннего,
латентного гистерезиса, не параллельны траекториям превращения главной петли гистерезиса,
и близки к нормали к оси температур, подобно линии равновесия Максвелла для переходов в системах без упругого взаимодействия
(газ-жидкость).
-
Предложен новый способ определения температуры двухфазного равновесия, отвечающей середине
расстояния между определяемыми в неполных циклах линиями глобального равновесия,
экстраполированными к нулевой фазовой доле мартенсита.
-
Экспериментально исследованы форма петли ферроупругого гистерезиса и её интерьер и обнаружена
линия глобального безразличного равновесия доменов мартенсита, совпадающая с осью деформации
(осью нулевого напряжения). Установлено полное сходство основных свойств ферроупругого и
ферромагнитного гистерезиса.
-
Установлены температурная независимость и ориентационная зависимость ферроупругого гистерезиса.
В монокристаллических образцах с ориентацией оси нагружения [100], обнаружено жидкоподобное
поведение образцов в мартенситном состоянии, характеризующееся практическим отсутствием гистерезиса
и сопротивления сдвиговому напряжению.
-
Измерены термодинамические характеристики превращения, введены и измерены количественные
параметры термического и ферроупругого гистерезиса: диссипированная энергия, коэффициенты термоупругости и ферроупругости в сопоставимой энергетической форме.
Установлена параболическая зависимость диссипированной энергии от фазовой доли мартенсита (термический гистерезис)
и от амплитуды ферроупругой деформации (ферроупругий гистерезис). Линейная зависимость от тех же параметров
описывает диссипированную энрегию, отвечающую площади петли латентного гистерезиса.
-
Диссипированная энергия, описываемая параболическим членом, имеет упругую природу, то есть связана
с частичной или полной диссипацией накапливаемой упругой энергии, рассматриваемой в термоупругой моделе.
Линейный член описывает диссипацию энергии, связанную с тепловым трением.
-
Исследованы особенности внутренних траекторий термического и ферроупругого гистерезиса, проявляющиеся как
память на точки разворота, вырождение петли гистерезиса и расширение гистерезиса и связанные со
стабилизацией мартенсита в процессе циклирования, за счёт образования на мартенситных границах
дефектов природы иной, чем дислокационная, которые аннигилируют при кратковременном перегреве
выше температуры конца обратного мартенситного превращения.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
>1. V- Prieb, H. Steckmann "The mechanical behaviour of a Cu-Zn-Al shape memory alloy with a single interface transformation".
- "ACTUATOR 94"- Proc. of Int. Conf. on New Actuators, Bremen, 1994.
2. V. Prieb, H. Steckmann "Pseudo-plastic behaviour of single-crystals of Cu-base
memory alloys". - J. de Phys. IV, suppl. au J. de Phys. III, 1995, 5, ? 12, Proc. of "ICOMAT`95",
3. V. Prieb, T. Link, M. Feller-Knippmeier, H. Steckmann, N.A. Poljakova, V.A. Udovenko.
"Influence of the structure and orientation of the parent phase on the martensitic transformation and hysteresis of Cu-Zn-Al single-crystals". -
J. de Phys. IV, suppl. au J. de Phys. III, 1995, 5, ? 12, Proc. of "ICOMAT`95",
4. V. Prieb, H. Steckmann "Thermoelastizit?t und Hysterese der martensitischen Umwandlungen von Formgedächtnislegierungen.
Teil 1. Hysterese der thermoinduzierten, spannungsfreien Umwandlungen". - Proc. of the 1st US - Russian workshop "New
Physical and Mathematical Approatches to Computer Aided Design of Shape Memory, St.-Peterburg,
5. V. Prieb, H. Steckmann "Thermoelastizit?t und Hysterese der martensitischen Umwandlungen von Formgedächtnislegierungen.
Teil 2. Ferroelastische Hysterese bei der Verformung von Cu-Basis Einkristallen im martensitischen Zustand". -
Proc. of the 1st US - Russian workshop "New Physical and Mathematical Approatches to Computer Aided Design of Shape Memory Alloys",
St.-Peterburg, 1995.
6. V. Prieb, H. Steckmann "Thermoelastizit?t und Hysterese der martensitischen Umwandlungen von Formgedächtnislegierungen.
Teil 3. Besonderheiten des Hystereseverhaltens". - Proc. of the 1st US - Russian workshop "New Physical and Mathematical Approatches
to Computer Aided Design of Shape Memory Alloys", St.-Peterburg, 1995.
7. V. Prieb, H. Steckmann, M. Feller-Knippmeier, T. Link, N.A. Poljakova, V.A. Udovenko.
"Heterogeneous and homogeneous stress-induced martensitic transformation from different austenitic state of heat treated
Cu-Zn-Al single-crystals". - Proc. of the 1st US - Russian workshop "New Physical and Mathematical Approatches to Computer Aided Design of
Shape Memory Alloys", St.-Peterburg, 1995.
Дополнительная информация: Thesis (Volltext auf Russisch) Диссертация (на русском языке) как PDF-файл
Kontakt
Home
|
|