Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

.pdf
Скачиваний:
1038
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
8.51 Mб
Скачать

силового привода из сплава с памятью формы в конструкциях саморазворачивающихся агрегатов дает следующие преимущества: компактность конструкции при доставке в космос на борту корабля; снижение массы из-за отсутствия замков, приводов, механизмов; сохранение жесткости конструкции при воздействии солнечной теплоты.

Марка никелида титана ТН-1 была использована в одном из блоков орбитальной станции «Мир» в качестве материала муфты термомеханического соединения фермы длиной 14,5 м, изготовленной из алюминиевого сплава. На рис. 22.40 представлена схема этого соединения.

Рис. 22.40. Схема термомеханического соединения:

1, 2 соединяемые детали; 3 муфта из материала с памятью формы

Муфту первоначально увеличивают в диаметре деформированием при температуре ниже окончания прямого мартенситного превращения Мк, свободно надевают на деталь и затем производят нагрев выше температуры начала аустенитного превращения Aн. В результате формовосстановления муфта прижимается к соединяемым деталям, обеспечивая скрепление с нужным усилием.

Большое практическое значение представляют механизмы, где сплав с памятью формы используется в качестве силового элемента привода разового действия, например для расстыковки блоков. В полете, после прохождения команды на расстыковку блоков, включается система электрического обогрева привода. В процессе обратного мартенситного превращения в приводе, выполненном из сплава с памятью формы, генерируются значительные напряжения, позволяющие осуществить расстыковку и при этом изменить скорости движения блоков.

Особый интерес представляет использование сплавов с памятью формы в технологических процессах производства летательных

631

аппаратов. Это, в первую очередь, касается конструкций с клепаными и болтовыми соединениями. При создании клепаных соединений, в которых материал, обладающий ЭПФ, используется для изготовления заклепок, необходимо, чтобы формообразование производилось по типовой стандартной технологии. Предварительно проводится термическая обработка на память с последующим охлаждением и пластическим деформированием с целью придания заклепке формы, удобной для сборки. Далее следует только вставить ее в соответствующее отверстие и нагреть, чтобы заклепка восстановила свою форму и скрепила узел конструкции.

Быстрая установка и сборка, не требующая высококвалифицированного персонала, герметичность и коррозионная стойкость соединения, отсутствие проблемы высоких температур, присущей сварке и пайке, позволили разработать и осуществить технологический процесс сборки трубопроводов с помощью такой муфты, изготовленной из материала с памятью формы на самолетах ВВС США Р-14. Были проведены испытания около 100000 соединений, позволившие рекомендовать эти соединения во всех гидро- и газовых системах самолетов, космических кораблей, атомных подводных лодок.

Проблемы транспортирования отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и создания контейнеров для его длительного хранения являются весьма важными и одновременно очень сложными. Основная задача – выбор оптимальных материалов как для конструкции контейнера в целом, так и для отдельных его элементов, среди которых одним из наиболее ответственных является узел уплотнения, обеспечивающий герметичность контейнера. Выбор материала для герметизирующих прокладок серьезная проблема, в первую очередь, из-за широкого диапазона возможных рабочих температур (40…+800 °С). Элементы системы герметизации должны быть изготовлены из негорящих материалов, устойчивых к коррозии при воздействии как радиоактивных веществ, так и растворов кислот, щелочей и других веществ, применяемых при дезактивации.

В качестве уплотняющего материала как конкурирующие рассматриваются эластомеры и металлы. К эластомерам относятся: натуральный каучук, твердая бутиловая резина, полиуретаны, си-

632

ликоновая резина, мягкая бутиловая резина. Главным преимуществом эластомеров как материалов прокладки является возможность значительной (порядка сотен процентов) обратимой деформации, что определяет их широкое применение в технике. Однако очевидно, что эластомеры, а также полимерные материалы (как возможные уплотнители) не могут в полной мере удовлетворять жестким требованиям к материалам прокладки контейнеров для транспортирования и хранения ОЯТ.

С этой точки зрения металлические материалы представляются более перспективными в качестве материала прокладки, однако они характеризуются существенно меньшей величиной упругой обратимой деформации (порядка нескольких долей процента).

В этой связи с целью повышения надежности и служебных характеристик узла герметизации контейнеров возможно в качестве альтернативных металлических материалов для уплотнения крышек контейнеров использовать сплавы с ЭПФ и СУ. Такой уплотнитель может быть как одно-двухслойным, так и многослойным

(рис. 22.41).

Рис. 22.41. Схема уплотнения крышки контейнера с использованием сплавов

сэффектом памяти формы, работающих в низкотемпературной (НТ)

ивысокотемпературной (ВТ) областях, и наружных пластичных металлических сплавов

Вкачестве перспективных материалов с ЭПФ и СУ для основного уплотнителя прокладки рассматриваются сплавы нитинол системы Ni-Ti, характеризующиеся температурным интервалом

проявления обратимого мартенситного превращения 50…+100 °С в зависимости от состава, дополнительного легирования и струк- турно-фазового состояния сплава.

633

Во всех перечисленных примерах применения элемента из сплава с памятью формы имеется общий недостаток элемент совершает работу один единственный или ограниченное число раз. После совершения рабочего цикла элемент необходимо извлекать и вновь пластически деформировать, что существенно сужает область практического применения элемента из сплава с памятью формы.

22.7.Материалы с особыми тепловыми

иупругими свойствами

22.7.1.Сплавы с заданным значением температурного коэффициента линейного расширения

Вряде случаев в машиностроении необходимы сплавы с особыми теплофизическими свойствами. Например, это особенно важно при соединении деталей в герметичных конструкциях. В этом случае температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материалов (например, металл и стекло) не должен сильно зависеть от температуры, или эти детали должны иметь равные значения ТКЛР.

Рис. 22.42. Зависимость ТКЛР сплавов системы FeNi от химического состава

Для каждого конкретного случая изготавливают особые сплавы, свойства которых в значительной степени зависят от точности соблюдения их химического состава, и они называются

прецизионными. Важность со-

блюдения определенного состава этих сплавов рассмотрим на примере системы Fe–Ni, для которой характерна определенная зависимость ТКЛР от содержания легирующих элементов (рис. 22.42).

С уменьшением содержания Ni ниже 60 % ТКЛР сильно снижается. Для сплава с содержанием никеля 36 % значение ТКЛР при

634

комнатной температуре минимально (α 1 10–6 К–1), т.е. сплав практически не расширяется и принадлежит к типу инварных сплавов (или не меняющих свои размеры при нагревании). Другой признак инварности сплавов с содержанием 34–45 % Ni – отрицательное значение ТКЛР в интервале температур ниже –240 °С.

Кривая зависимости α от концентрации никеля при 0 °С по форме совпадает с кривой зависимости энергетического положения максимума спектра валентных электронов от состава сплавов системы FeNi. Это совпадение не является случайным. По мере увеличения содержания Fe в сплаве с никелем происходит заполнение антисвязывающей части 3d-полосы никеля. Благодаря этому уменьшается плотность состояний на уровне Ферми и соответственно снижаются силы связи, а также несколько понижается α. После повышения концентрации Fe в сплаве свыше 50 %, более крутое понижение α связано с окончанием заполнения 3d-полосы никеля и с началом заполнения 3d-полосы железа. При этом происходит повышение плотности состояний на уровне Ферми.

Таким образом, инварность сплавов FeNi в области составов с концентрацией около 64 % Fe объясняется особенностью электронной структуры – это высокая плотность состояний на уровне Ферми и ее чувствительность к влиянию температуры.

Необходимо отметить, что значения ТКЛР чистых компонентов этого сплава (при 0 °С для Fe α = 11,3 10–6 К–1, для Ni 13,4 10–6 К–1) значительно превышает приведенного для сплава Fe–36 % Ni.

Для чистых металлов существует температурная зависимость ТКЛР, показанная схематически на (рис. 22.43). У инварных сплавов коэффициент линейного расширения в определенном температурном интервале может оставаться неизменным (рис. 22.44). Температура, при которой инварные сплавы теряют свои неизменные свойства, соответствует точке Кюри θК, точке фазового перехода из магнитоупорядоченного состояния (ферромагнитного) в парамагнитное или антиферромагнитное.

Это состояние описывается коэффициентом спонтанной намагниченности η, который возрастает c уменьшением температуры при T ≤ θК (η = 0 при Т > θК).

635

длины

α2

Приращение

α1

 

Рис. 22.43. Типичный вид температурной зависимости ТКЛР для металлов: Т2 > Т1, α2 > α1

13

 

11

 

1

 

 

 

1

9

 

2

К

 

 

 

6

7

 

 

α, 10

 

 

5

 

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

1

 

 

 

 

0

200 400 Т, °С

Рис. 22.44. Температурная зависимость ТКЛР инварных сплавов различного состава:

1 50 % Ni, 2 42 % Ni, 3 36 % Ni

Такое поведение ТКЛР было обнаружено еще в конце позапрошлого века и инварный эффект активно используется при разработке сплавов и материалов с уникальными характеристиками, применяющихся при изготовлении особо точного измерительного инструмента и устройств радиоэлектронной, криогенной техники.

Одновременно c особым поведением теплофизических характеристик инварные сплавы проявляют дополнительные эффекты.

1.В системе сплавов Fe–Ni при инварных концентрациях параметр решетки приобретает максимальное значение, и правило аддитивности не выполняется.

2.С уменьшением концентрации Ni (с 50 до 36 %) происходит резкое снижение модуля продольной упругости (до минимального

значения E 146 ГПа).

3.При инварных концентрациях наблюдаются аномально высокие значения магнитной восприимчивости, остаточного сопротивления и большое положительное значение магнитострикции.

4.При инварных концентрациях (< 36 % Ni) имеет место фазовая неустойчивость ГЦК решетки.

Вышеперечисленные аномальные свойства связаны с проявлением ферромагнетизма, антиферромагнетизма, фазовой неустойчивостью и электронным взаимодействием в сплавах, поэтому и тео-

636

рии, объясняющие поведение инварных сплавов, связаны с этими явлениями.

Теория ферромагнитных взаимодействий. Поскольку инвар-

ная аномалия свойств существует в интервале температур ниже точки Кюри, то в данной теории предполагается, что инварные свойства связаны с ферромагнетизмом, а именно с магнитными превращениями при повышении температуры и магнитообъемными изменениями.

Некоторые экспериментальные данные, связанные с изучением изменения длины инварного образца Fe–Ni, показали:

l Im2,

(22.33)

где Im намагниченность (магнитный момент единицы вещества:

Im = χH).

Таким образом, это показывает, что изменение ТКЛР носит ферромагнитную природу.

Обобщая правило Грюнайзена:

α = b1Cv + b2Cm, (22.34)

где b1, b2 – постоянные; Cv, Cm – парамагнитная и ферромагнитная составляющие теплоемкости в зависимости от температуры, заключают, что для ферромагнитных материалов в области точки Кюри постоянная коэффициента термического расширения b2 < 0, т.е.

α = α0 ,

(22.35)

где α0 нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; ферромагнитная часть коэффициента линейного расширения, основной составляющей которой является объемная магнитострикция парапроцесса.

Исходя из теории ферромагнетизма Зинера, где ферромагнитное упорядочение локализованных спиновых магнитных моментов осуществляется посредством электронов проводимости, а антиферромагнитное упорядочение происходит при перекрытии соседних волновых функций, при пониженной температуре в результате обменного отталкивания при росте параллельных спинов происходит компенсация теплового расширения вещества или, иначе говоря, теплового расширения не происходит.

637

Теория флуктуационной неоднородности. В рамках этой тео-

рии считают, что в инварах существуют субмикрообласти, обладающие неодинаковой магнитной структурой вследствие концентрационной неоднородности состава. Таким областям свойственна фазовая неустойчивость аустенитной решетки, и происходит плавный, а не резкий, рост магнитного момента, что и вызывает появление у инварных сплавов аномальных значений параметра решетки, удельного сопротивления и коэффициента термического расширения.

Теория электронных взаимодействий. В основе данной тео-

рии лежит предположение о том, что вблизи точки Кюри в ГЦК решетке железа существуют два типа электронных конфигураций, которые определяют возможность существования большого и малого атомных объемов. Малый объем γ1 (a = 0,362 нм) характеризуется антиферромагнитным взаимодействием в первой координаци-

онной сфере и обладает малым магнитным моментом ( μFe = 0,5μВ),

а большой объем γ2 имеет ферромагнитное взаимодействие в первой координационной сфере и большой магнитный момент

( μFe = 2,8μВ). При нулевой температуре состояние γ2 считается ос-

новным, поскольку является энергетически выгодным. При повышении температуры тепловое возбуждение электронной конфигурации приводит к переходу к малому магнитному объему. Влияние температуры связано с изменением распределения заселенности уровней атомов, поскольку является пропорциональным exp(E/kT), где E величина энергетической «щели» между уровнями. Ширина «щели» (степень вырождения) зависит как от концентрации элементов в сплаве, так и от величины среднего магнитного поля в образце, меняющегося с температурой и приводящего к расщеплению энергетических уровней. При появлении в сплаве индукции, обусловленной ферромагнитным состоянием, за счет зеемановского расщепления (расщепление спектральных линий и уровней атомов в магнитном поле) произойдет изменение ширины «щели».

Такой взаимный переход из одного состояния в другое вблизи точки Кюри приводит к появлению сложных процессов, проте-

638

кающих в противовес тепловому линейному расширению. Все это еще раз подчеркивает, что объемные и магнитные характеристики инварных сплавов сильно взаимосвязаны.

Магнитострикция инварных сплавов. Явление объемной магнитострикции (изменение размеров в магнитном поле) связано с кристаллографической магнитной анизотропией. Наибольшее значение магнитострикции ω имеют инварные сплавы, содержащие

7072 ат. % Fe (рис. 22.45).

Рис. 22.45. Концентрационная зависимость абсолютной объемной магнитострикции инварных сплавов

при 4,2 и 300 К

Увеличение объема при повышении напряженности магнитного поля ∆ω/∆H связано также с плотностью электронных состояний

N(EF):

ω/∆H = CN(EF)∆EF,

(22.36)

где С постоянная.

Природа эффекта магнитострикции заключается в ослаблении энергии связи и увеличении расстояния между ближайшими атомами при повышении напряженности магнитного поля.

Области применения сплавов с заданным значением ТКЛР и особенности их изготовления. Сплавы с минимальным значени-

ем ТКЛР широко используются в устройствах, где необходимо поддерживать стабильность объемных и линейных размеров в определенном интервале температур, а также в измерительных приборах (дилатометрах, профилометрах, магнитострикционных измерителях), где используются геометрические (реперные) точки отсчета. В электротехнике широко используются биметаллы, состоящие из активной (сплавы с высоким значением ТКЛР) и пассивной

639

(сплавы с низким ТКЛР) составляющих. При изменении температуры за счет разности ТКЛР происходит изгиб элемента и замыкание или размыкание контактов. Их используют в тепловых реле и автоматах защиты электрических цепей, а также приборах бытовой техники. Сплавы с заданным значением ТКЛР широко применяются также в электронной технике. Например, в производстве полупроводниковых приборов используют сплав 35НКТ, имеющий согласованное с кремнием значение ТКЛР.

Составы и ТКЛР некоторых сплавов инварного типа приведены в табл. 22.31.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 22.31

 

 

Составы и ТКЛР некоторых сплавов инварного типа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сплав

 

Содержание

 

αt, 10–6

Температурный

 

 

Название

элементов, мас. %

К–1

интервал

Марка

 

Ni

 

Co

Cu

 

измерения, °С

36Н

 

Инвар

3537

 

1,5

60 ÷ +100

32НКД

 

Суперинвар

31,533

 

3,24,2

0,60,8

1

60 ÷ +100

29НК

 

Ковар

28,529,5

1718

4,56,5

70 ÷ +420

33НК

 

32,533,5

16,517,5

69

70 ÷ +470

47НД

 

Платинит

4648

 

4,55,5

911

70 ÷ +440

Классификацию сплавов проводят в соответствии со значением ТКЛР.

1. Сплавы с минимальной величиной ТКЛР (α < 3,5 10–6 К–1)

ферромагнитные сплавы 36Н, 36НХ, 35НКТ и другие со следую-

щим составом: (3537) % Ni, до 1,3 % Mn, до 6 % Со, до 2,8 % Ti,

до 1 % Cu и Cr. Легирующие элементы в сплавах сужают температурный интервал инварности, который находится в пределах 200300 °С. Существуют и немагнитные сплавы, представляющие собой твердые растворы Cr с добавками Mn, Re, Ru, Os, Ta, La.

2. Сплавы с низким значением ТКЛР (3,5 10-6 α 6,5 10–6 К–1).

Среди них выделяют ферромагнитные: 42Н, 44Н, 38НК, 30НКД с содержанием Ni до 44 %, а также немагнитные сплавы на основе циркония с 68 % Ti (например, 93ЦТ). Температурный интервал использования этих сплавов 140…+750 °С.

640