на основе интерметаллидов с упорядоченной кристаллической структурой (NiTi, Cu-Al и др.) и сплавы на основе неупорядоченных твердых растворов (Ti-Nb, Fe-Mn и др.). В первой группе легче реализовать двойникование кристаллической решетки по сравнению со скольжением, что обеспечивает более полное протекание мартенситного превращения (и, следовательно, более полное восстановление формы) [3].

1.4. Термоупругие мартенситные превращения

Термоупругость означает сохранение когерентности на границе раздела мартенситной и аустенитной фаз и, как следствие, обратимую подвижность такой границы [4]. Межфазная когерентность исключает возникновение при мартенситном переходе необратимых дефектов типа дислокаций. Поэтому аккомодационные напряжения должны быть меньше предела текучести и вторичная деформация должна быть обратимой – упругой или неупругой (двойникование). В результате вторич-

ной деформации термоупругий мартенсит внутренне сдвойникован, при этом деформация формы и внутренние напряжения минимальны (удержание этих напряжений становится возможным без пластического скольжения).

В термоупругом случае эта энергия не должна превышать критического значения, при котором начинается пластическое течение. Таким образом, термоупругому превращению способствуют высокий пределε текучести т сплава, малая величина деформации решетки и низкий модуль сдвига E.

22

1.5. Кинетика и термодинамика мартенситного превращения

Мартенситное превращение происходит в определенном температурном интервале, как схематично показано на рис. 1.13. При закалке из аустенитного состояния (прямое мартенситное

н − к

сплава и может составлять от нескольких градусов до несколь-

ного мартенситного превращения М → А, происходящего при нагреве, обозначают соответственно Ан и Ак.

ких десятков градусов. Температуры начала и окончания обрат-

Движущей силой мартенситного превращения является уменьшение химической свободной энергии. На рис. 1.14 схематично показана температурная зависимость свободной энергии мартенсита и аустенита. T0 – температура, соответствующая термодинамическому равновесию обоих фаз.

23

те обратного мартенситного превращения (эффект памяти формы). Возможен и другой вариант протекания разгрузки, свойственный случаю, когда устойчива аустенитная фаза: после участка упругой разгрузки (отрезок КO2 на рис. 1.16) разгрузка идет по некоторой кривой О''О вплоть до полного восстановления формы (сверхупругость). Указанные механические эффекты обусловлены влиянием механических напряжений на протекание процесса термоупругого мартенсистного превращения.

σ

σт A

Рис. 1.16. Типичный вид диаграммы растяжения материала в температурном интервале мартенситного превращения [2]

26

пряжений. Изменение температуры равновесия фаз T0 связано с

дет сопровождаться образованием мартенсита – мартенсита

аустенитной фазы.

27

Рис. 1.17. Формирование различных вариантов мартенсита и области реализации эффектов сверхупругости и памяти формы [8]

Эффект памяти формы. ЭПФ можно кратко описать следующим образом. Образец, подвергнутый деформации и разгруженный в условиях существования мартенсита (обычно ниже

температуры конца мартенситного превращения М ) восстанав-

к

ливает свою первоначальную− форму при нагреве в температурном интервале н к, когда происходит обратное превращение мартенсита в аустенитную фазу. При этом полностью отпускаются деформации до 6-8% [1].

Рассмотрим механизм этого процесса. В отсутствие внешних напряжений решетка аустенита может превращаться (деформация Бейна) в мартенсит различных равновероятных вариантов ориентации (при кубической структуре аустенита число таких вариантов достигает 24 [8]). В результате в разных частях образца возникают кристаллы мартенсита, отличающихся друг от друга ориентацией. Однако, при последующей деформации в результате двойникования и движения мартенситных доменных границ с ростом нагрузки растет число и объем кристаллов мартенсита, благоприятно ориентированных по отношению к при-

28

ложенному напряжению (на рис.1.16 этому процессу соответствует горизонтальный участок A1B1). В результате остается единственная ориентация мартенсита, обеспечивающая максимальную деформацию в направлении приложенной нагрузки.

При нагреве− в интервале обратного мартенситного превращения н к кристалл мартенсита возвращается в единственную ориентацию исходной фазы, как схематично показано на рис. 1.18. Единственность ориентации объясняется симметрией решеток аустенита и мартенсита и необходимостью сохранения атомного упорядочения при обратном превращении (см. п. 1.3). В результате описанного процесса происходит восстановление формы образца.

Рис. 1.18. Схема реализации ЭПФ

Эффект псевдоупругости. Эффект ПУ (или сверхупругости) заключается в способности материала претерпевать обратимые деформации, значительно превышающие его предел те-

разование мартенсита напряжения и изменяется его форма. На участке AB (рис. 1.19) происходит упругая деформация аустенита. На участке BC при почти постоянном напряжении формоизменение идет за счет образования мартенсита напряжения. На участке CD мартенсит деформируется упруго, а за точкой D на-

29

чинается его пластическое течение. После разгрузки (левее точки D) сначала происходит исчезновение упругой деформации мартенсита до точки E, затем на участке EF происходит обратное превращение мартенсита в аустенит, и, наконец, на участке FA исчезает упругая деформация аустенита. В обычных сплавах область упругой деформации составляет несколько десятых долей процента, а сверхупругая обратимая деформация, связанная с термоупругим мартенситным превращением, составляет около

7 %.

Эффект обратимой памяти формы. Обратимый (двуна-

правленный,) эффект памяти формы заключается в самопроизвольном обратимом (или частично обратимом) изменении формы образца при термоциклировании через интервал термоупругих мартенситных превращений. На рис. 1.20 показан обратимый эффект памяти на примере спирали из сплава Ti-Ni [6].

30