Термоупругий эффект (память формы)
В некоторых сплавах, в частности в системе Ni-Ti, наблюдается эффект памяти формы - восстановление первоначально заданной формы тела, измененной пластической деформацией. Память формы реализуется при нагреве деформированного тела (термоупругий эффект).
Один из механизмов этого явления реализуется в случае, если пластическая деформация в каждом микрообъеме материала осуществляется только за счет двойникования - поворота частей кристалла на определенный угол относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. (рис. 23). При нагреве возможен энергетически оправданный обратный поворот, что и обеспечивает восстановление первоначальной формы. При этом внутреннее усилие F2, возвращающее тело в исходную форму, в несколько раз больше внешнего усилия деформирования F1. Возможное появление дислокаций делает деформацию частично необратимой и ухудшает эффект памяти формы.
а) б) в)
Рис. 23. Схема механизма реализации памяти формы за счет обратимой деформации двойникованием относительно плоскостей двойникования, обозначенных пунктиром, а) исходное состояние микрообъема, б) деформированное состояние микрообъема, в) возврат микрообъема к исходному состоянию
Несовершенная упругость
В упругой области деформаций под действием значительных напряжений имеет место увеличение деформации во времени, без увеличения напряжения, называемое несовершенной упругостью. Деформация, связанная с несовершенной упругостью, обратима, так как после устранения приложенного напряжения постепенно исчезает. Возможны несколько механизмов данной деформации:
- обратимый прогиб дислокаций между препятствиями,
- обратимое двойникование,
-обратимое перемещение точечных дефектов,
- обратимая микропластическая деформация под действием остаточных напряжений.
Уменьшению деформации несовершенной упругости способствует увеличение однородности и дисперсности структуры материала при обеспечении наиболее возможной энергетической стабилизации. При этом должны быть минимизированы неконтролируемые остаточные напряжения и концентраторы напряжений, а у дислокаций нежелательно присутствие протяженных участков без точек закреплений.
Однако несовершенная упругость может быть и полезной в условиях колебаний деталей, при которых за счет внутреннего трения часть энергии колебаний поглощается, что используют для их демпфирования (погашения).
Таблица 1. Приблизительные характеристики жесткости применяемых материалов
Материалы
|
Cu |
W |
Ti |
Mg |
Ni |
Al |
Fe |
Mo |
Be |
ситалл 2MgO∙2Al2O3∙5SiO2 |
композит полимер-углерод |
E, ГПа |
120 |
360 |
110 |
42 |
220 |
70 |
210 |
320 |
300 |
132 |
180 |
∙g, КН/м3 |
89 |
193 |
45 |
17,4 |
89 |
27 |
79 |
102 |
18,4 |
28,4 |
14,7 |
E/∙g ∙10-6, м |
1,35 |
1,87 |
2,44 |
2,4 |
2,47 |
2,6 |
2,65 |
3,1 |
16,3 |
4,65 |
12,2 |
Примеры материалов, применяемых для изготовления упругих элементов:
- термообработанные на троостит стали (0,6 - 1,2 %) C, часто подвергаемые в процессе термообработки дополнительной пластической деформации (см. Основы термической обработки),
- немагнитные сплавы типа 36НХТЮ (36%Ni, ~1%Cr, ~1%Ti, ~1% Al, ост. Fe), упрочняемые термической обработкой (закалка и старение),
- коррозионностойкие стали типа 30Х13 (0,3%C, 13% Cr), упрочняемые термообработкой (закалка и отпуск), применяемые в агрессивных средах,
- сплавы на основе меди, легированные бериллием, оловом, фосфором (например бронзы БрОФ6,5-0,15 (6,5%Sn, 0,15%P), БрБ2 (2%Be)), а также алюминием, кремнием, цинком, никелем, упрочняемые термообработкой и пластической деформацией. Главными достоинствами медных сплавов по сравнению со сталью являются высокая электропроводность и небольшой модуль упругости, обеспечивающий значительную упругую деформацию при малых напряжениях, что позволяет получать высокочувствительные пружины малых габаритов,
- молибденорениевые сплавы, например, МР47ВП (42%Re) после деформационного упрочнения,
- титановые сплавы типа ВТ16 (~3%Al, ~5%V, ~5%Mo), упрочняемые термообработкой (закалка и старение), отличающиеся относительно невысокой плотностью при небольшом модуле упругости, коррозионной стойкостью, немагнитностью и высокой прочностью,
- специальные сплавы на основе систем Fe-Ni типа 42НХТЮ (42%Ni, ~1%Cr, ~1%Ti, ~1%Al), упрочняемые термообработкой (закалка и старение), обладающие постоянством модуля упругости при изменении температуры – элинвары (см. Материалы с особыми физическими свойствами).