Сплавы с эффектом памяти формы

Основу современной теории пластичности составляет представление о том, что неупругие деформации в кристаллах необратимы. Однако существуют сотни металлических материалов, которые после значительного неупругого деформирования способны полностью восстанавливать форму,

Явление самопроизвольного формовосстановления – эффект памяти формы (ЭПФ) – наблюдается как в изотермических условиях, так и при изменении температуры. Величина эффекта различна у разных материалов и в некоторых случаях достигает 30 %. При теплосменах эти металлы могут многократно обратимо деформироваться, несмотря на отсутствие силового воздействия.

Среди таких сплавов наибольший интерес представляют сплавы на основе никелида титана, так как они имеют высокие прочностные и пластические характеристики (предел прочности 700…1000 МПа, относительное удлинение и сужение до 30 %, ударная вязкость 0,3 мДж/м², степень восстановления формы 95…100 % после 6…8 % деформации, усилия, развиваемые в процессе восстановления формы 300…500 МПа). В отечественной промышленности разработан ряд сплавов на основе соединения титан – никель с различными добавками, известные под общим названием сплавы ТН. За рубежом эти сплавы получили название нитинол.

Сущность эффекта памяти формы заключается в том, что изделие из такого материала пластически деформируют при температуре выше температуры прямого мартенситного превращения (t_д > М_н) с целью придания ему определенной формы, затем охлаждают до температур, обеспечивающих протекание мартенситного превращения (£ М_к) и деформируют в этой температурной области для получения удобной плоскостной формы. При дальнейшем нагреве выше температуры начала обратного мартенситного превращения (А_н) изделие вновь восстанавливает формы, которая была ему первоначально придана при температуре t_д выше М_н. Схематически этот эффект изображен на рис. 6.4.

Таким образом, температурный интервал восстановления формы определяется положением точек А_н и А_к, но может отличаться от него на десятки градусов, так как зависит от величины и вида деформации.

Рис. 6.4. Схема проявления эффекта памяти формы: М_н, М_к – температуры начала и конца прямого мартенситного превращения; А_н, А_к – температуры начала и конца обратного мартенситного превращения; t_д – температура деформации; А_н–А_к – температурный интервал восстановления формы.

Эффект ПМФ реализуется в сплавах, которым свойственны следующие особенности:

– при прямом мартенситном превращении фиксируется термоупругий мартенсит;

– температурный гистерезис мартенситного превращения невелик;

– механизмом пластической деформации может являться двойникование;

– объемный эффект превращения, связанный с разностью удельных объемов мартенсита и матричной фазы невелик;

– прямое и обратное мартенситное превращение протекает при температурах, исключающих релаксационные процессы.

Механизм памяти сплавов связан с особенностями термоупругого превращения мартенсита. В случае термоупругого мартенсита при обратном превращении межфазные границы проходят пути, обратные тем, которые проходили бы при прямом превращении. Фактически термоупругость означает сохранение когерентности на межфазных границах. Межфазная когерентность исключает возникновение необратимых дефектов типа дислокаций при мартенситном переходе. Следовательно, внутренние аккомодационные напряжения не должны превышать предела текучести. Это и имеет место при термоупругом мартенситном превращении. Таким образом, структурно-обратимый мартенситный переход, лежащий в основе проявления эффекта памяти формы, подразумевает обратимость всех составляющих мартенситной деформации. Пример прямого и обратного мартенситного превращения показан на рис. 6.5.

Существует критическая степень деформации, превышение которой приводит к уменьшению ЭПФ, поскольку наряду с образованием термоупругого мартенсита она способствует возникновению двойников деформации, необратимых при превращении и исчезающих только при рекристаллизации.

Типичным представителем металлических материалов с памятью формы является никелид титана эквиатомного состава, содержащий 55 % Ni.

Рис. 6.5. Рост и исчезновение кристаллов мартенсита при охлаждении и нагреве (сплав Cu – Al – Mn)

В настоящее время наша промышленность производит полуфабрикаты из сплавов на основе никелида титана нескольких марок, обладающих эффектом памяти формы с различными температурами ее проявления. Ниже приведены температурные интервалы возврата формы для некоторых сплавов:

Для практического использования сплавов с памятью формы необходимо знать интервалы прямого и обратного мартенситного превращений М_н – М_к и А_н – А_к. Эти температуры определяют назначение материала и температурный интервал эксплуатации изделий. Температурная область мартенситных превращений в сплавах типа ТН изменяется в широких интервалах от + 80 °С (Ti + 48 ат. % Ni) до –180 °С (Ti + 52 ат. % Ni). Легирующие элементы могут расширить диапазон изменения температурного интервала мартенситных превращений.

Усилия, развиваемые сплавами ТН при восстановлении формы, находятся в пределах от 400 до 900 МПа. Величина усилий возврата не связана с объемом памяти и коррелирует только с прочностными свойствами высокотемпературной фазы. Они значительно превышают предел текучести низкотемпературной фазы.

В сплавах на основе никелида титана полностью восстанавливается (100 % возврат) деформация, составляющая 6 %. Максимально допустимая деформация не должна превышать 7…8 %.