Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Представлен метод проведения контроля термомеханических характеристик сплавов на основе TiNi, обладающих эффектом памяти формы, перед изготовлением деталей и их применением.
термомеханические характеристики, эффект памяти формы, сверхупругость, фазовые превращения, ультразвуковой контроль, мартенситное превращение
Эффекты памяти формы (ЭПФ) и сверхупругости (СУ), обнаруженные в интерметаллических соединениях, являются одними из самых необычных и интересных свойств металлов. В настоящее время для практического применения наибольший интерес представляют немагнитные сплавы на основе TiNi, проявляющие наиболее удовлетворительную обрабатываемость, значительную пластичность в широком интервале температур (вплоть до криогенных), при этом обладающие высокой коррозионной и эрозионной стойкостью.
Свойства металла, обладающего эффектом памяти формы
Эффект памяти формы заключается в том, что материал, продеформированный выше предела псевдотекучести, оказывается способным к возврату всей или почти всей деформации после снятия напряжений или в результате нагрева. Явление немедленного возврата деформации при снятии внешней нагрузки известно как сверхупругость; в то же время эффект восстановления деформации, для реализации которого требуется нагрев до некоторой температуры, превышающей температуру деформации, называется эффектом памяти формы. В некоторых случаях наблюдается сочетание сверхупругости и ЭПФ - это можно рассматривать как общий случай. Такие материалы после начальной деформации способны самопроизвольно принимать исходную форму, которой они обладали до деформации, при незначительном нагреве, например на 2-50 ºС (в зависимости от вида превращений и состава сплава).
Многочисленными исследованиями установлено, что одним из требований, необходимых для проявления ЭПФ, являются фазовые превращения. Хотя внешне каких-либо изменений твердого состояния материала при фазовых превращениях не наблюдается с микроскопической точки зрения, кристаллическая структура претерпевает существенные изменения, которые сопровождаются значительными изменениями физико-механических характеристик соединения TiNi. Исследованиями, основанными на изменениях дифракций рентгеновских лучей при различных температурах, установлено, что в диапазоне температур превращения наблюдаются аномальные изменения электрического сопротивления, модуля упругости, внутреннего трения, удельной теплоёмкости, твёрдости и т.д.
Проявление ЭПФ и СУ и условия их возникновения в интерметаллических соединениях никелида титана связаны с термоупругими фазовыми превращениями [1]. Область существования данного соединения ограничена соотношением компонентов от 49 до 52% Ni, остальное - Ti. При этом уникальные свойства ЭПФ и СУ могут проявляться в широких температурных пределах - от +120 до –200 0С. Однако фазовые мартенситные превращения (МП), при которых реализуются ЭПФ и СУ, происходят в узких рамках температур - от 2 до 50 0С (в зависимости от соотношения компонентов Ni и Ti). Эти свойства проявляются только у матрицы TiNi. Характеристики матрицы очень чувствительны к изменениям соотношения компонентов, так как возрастание одного из них примерно на 0,1% приводит к смещению температур МП от 10 до 15 0С со значительными изменениями физических и термомеханических свойств материала.
Анализируя типы и последовательности МП [2] для различных композиций (в %) сплавов, необходимо отметить следующее. МП для сплавов Ti+(53,4- 55,5)Ni при охлаждении идут по схеме В2↔В2+В19!↔В19!. При нагреве МП осуществляются в обратном порядке в той же последовательности с гистерезисом, превышающим 40 0С. Однако для сплавов начиная с Ti+55,6Ni и Ti+54Ni +1,1Fe при охлаждении последовательность МП происходит по схеме В2→В2+В19!→В19!+R →В19!, т.е. появляется дополнительный R-переход, который имеет гистерезис в пределах 2-5 0С. При нагреве последовательность МП идет по схеме В19! → В19! + В2 →В2. Одностадийный характер обратного превращения связан с тем, что гистерезис перехода В19!→В2 перекрывает гистерезис R-перехода. Для сплавов Ti +56,2Ni, Ti +53Ni +2,2Fe и Ti + 51,7 Ni +3,5Fe при охлаждении и нагреве наблюдается последовательность переходов по схеме В2 ↔ R↔ R+В19! ↔ В19!. Разность между температурами R-превращения и температурой начала МП существенно превышает величину гистерезиса превращения R→ В19!, а при значительных нагрузках может распространяться до температур начала пластической деформации [3].
Исходя из изложенного и из условий эксплуатации для качественного применения уникальных свойств никелида титана необходимо осуществлять всесторонний контроль физических и термомеханических характеристик. Для этого необходимо выполнять не только стандартный контроль, осуществляемый перед запуском партии материала, но и контроль температур МП каждой заготовки.
Существует несколько методов контроля температур фазовых превращений: химический, электрохимический, акустический, термический, дилатометрический, электрический и ультразвуковой методы.
Метод ультразвукового контроля термомеханических характеристик
Одним из наиболее технологичных способов, обеспечивающих неразрушающий контроль, является ультразвуковой метод. Ультразвуковой метод неразрушающего контроля - метод акустического неразрушающего контроля, при котором применяются приборы и устройства, использующие ультразвуковой диапазон частот. В основе метода лежит принцип оценки коэффициента затухания в материале как меры рассеяния и поглощения ультразвуковой энергии в интервалах фазовых превращений при термоциклировании. Аномальные свойства коэффициента затухания обусловлены изменениями упругих модулей кристаллической решетки, происходящими при охлаждении или нагреве сплава в процессе фазовых превращений [4-6].
Оценка коэффициента затухания в динамическом режиме осуществляется по изменению уровня напряжения 1-го видеоимпульса из серии отраженных от противоположной грани образца эхо-импульсов.
На рис. 1 представлена диаграмма записи амплитуды 1-го донного эхо-импульса при контроле заготовки в процессе фазового перехода по схеме превращения В2→R →В19 [2].
Введение ультразвуковых колебаний в образец с частотой f = 3-5 МГц осуществляется контактным способом. Для обеспечения стабильного контакта между образцом и кварцевым пьезоэлектрическим преобразователем применяется смазка на основе кремнийорганического масла и графитового порошка. Скорость охлаждения и нагрева заготовки должна находиться в пределах 8 град/мин [7].
Структурная схема ультразвуковой установки с перечнем необходимого для контроля оборудования представлена на рис. 2.
На рис. 3 представлена конструкция ультразвуковой камеры.
Данный метод позволяет не только фиксировать температурные точки при прямом (Мн - Мк) и обратном (Ан - Ак) фазовых переходах, но и выявлять неупругое поведение материала при R-переходах (Мн и Мк - температуры начала и конца мартенситного превращения соответственно, Ан и Ак - температуры начала и конца аустенитного превращения соответственно) [2]. В зависимости от свойств и исходного состояния сплава при охлаждении могут реализовываться от одного до трех фазовых переходов, при которых образуются два независимых продукта превращения. Необходимо отметить, что термоупругие мартенситные превращения В2« R при охлаждении и нагреве характеризуются отсутствием или очень малой величиной гистерезиса, а превращения В2 « В19 и R « В19 сопровождаются значительным гистерезисом - от 20 до 60 0С [4; 6].
Контролю удобнее подвергать полуфабрикаты и детали несложной формы. Поверхности детали следует обработать со степенью чистоты, соответствующей чистовой обточке на токарном станке, и смазать тонким слоем минерального масла.
Выбор рабочей ультразвуковой частоты (частоты УЗК) зависит в основном от следующих факторов: чистоты обработки поверхности; величины зерна, наличия в металле мелкой рассеянной пористости.
Чем выше частота, тем более мелкие дефекты и неоднородности могут быть обнаружены; однако с повышением частоты затрудняются ввод УЗК в металл и расшифровка показаний, поскольку мелкие неоднородности металла, не являющиеся достаточно серьезными дефектами, при высоких частотах дают свои эхо-сигналы.
Сплавы на основе TiNi обладают высокими звукопоглощающими свойствами [8]. С целью повышения чувствительности при измерениях затухания по 1-му из отраженных импульсов к геометрии контролируемых образцов предъявляются следующие требования:
- образцы должны иметь строго цилиндрическую форму;
- торцевые поверхности должны быть плоскими и строго параллельными;
- торцевые поверхности должны быть перпендикулярны к оси цилиндра.
Заключение
Представленный ультразвуковой метод контроля фазовых превращений для заготовок применительно к муфтам термомеханического соединения (ТМС) позволяет осуществлять всесторонний контроль физических и термомеханических характеристик. Следует подчеркнуть, что данный метод применим для контроля, разбраковки заготовок (типа муфт ТМС) диаметром 12-40 мм и длиной 10-100 мм в интервале температур от –196 до +300 0С.
1. Эффект памяти формы в сплавах: [пер. с англ.] / под ред. В.А. Займовского. - М.: Металлургия, 1979. - 472 с.
2. Хасьянова, Д.У. Технологическое обеспечение качества изготовления муфт ТМС и сборки трубопроводов: дис. … канд. техн. наук / Д.У. Хасьянова. - М., 2012. - 210 с.
3. Перкинс, Д. Термомеханические характеристики сплавов с термоупругим мартенситом / Д. Перкинс, Г.Р. Эдвардс, С.Р. Сач, Дж.М. Джонсон, P.P. Аллен // Эффект памяти формы в сплавах. - М., 1979. - С. 230-254.
4. Ермаков, В.П. Связь физических свойств и структурных состояний, возникающих при термомеханической обработке в сплавах / В.П. Ермаков, В.И. Коломыцев, В.А. Лободюк, Л.Г. Хандрос // Металлофизика. - 1982. - Т. 4. - № 6. - С. 23-30.
5. Лахтин, Ю.М. Основы металловедения / Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургиздат, 1957. - 458 с.
6. Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты / А.Ю. Албагачиев, У. Хасьянов, Д.У. Хасьянова [и др.]. - М., 2015. - Т. VI.
7. Чернов, Д.Б. Принципы конструкционного применения материалов с термомеханической памятью / Д.Б. Чернов. - М.: НИИСУ, 1984. - 150 с.
8. Хасьянов, У. Условия возникновения автоколебаний в сплавах / У. Хасьянов, А.Н. Романов, М.М. Хрущов, Д.У. Хасьянова // Проблемы машиностроения и надежности машин. - М.: Наука, 2018. - № 3. - С. 84-89.
