На бескобальтовом сплаве Н23ТМ после закал­ки и старения (без деформации) получен следующий комплекс свойств

4. На бескобальтовом сплаве Н23ТМ после закал­ки и старения (без деформации) получен следующий комплекс свойств

d= 1000-1100 Н/мм², ТКМУ = -(10-30)- 10 ^-6 К. После предварительной холодной деформации (30 %) механические свойства сплава Н23ТМ по­вышаются (без изменения ТКМУ) Указанные свойства достигаются (как в деформированном, так и в недеформированном состоянии) на прутках круп­ных сечений диаметром 20—100 мм.

5. Исследованный сплав существенно превосхо­дит известные аустенитные сплавы типа 44НХТЮ (Н44Х5Т2Ю) по уровню прочностных и упругих свойств, но содержит никеля на 20 % меньше.

Магнитострикционные сплавы на основе никеля

При разработке нового магнитострикционного сплава необходимо выполнение следующих условии:

достижение высоких магнитострикционных характерис­тик, повышение механических свойств и электросопро­тивления, снижение скорости звука по сравнению с аналогичными характеристиками никеля и Ni -4%Со-сплава. Из магнитострикционных характеристик наибольшее значение имеют два параметра: магнито-стрикция насыщения (т.е. предельно достижимое относительное изменение размеров образца при статическом намагничивании) \, и динамический коэффициент электромеханической связи k, определяю­щий степень преобразования энергии переменного электрического токав механическую. Магнитострикция насыщения X, характеризует предельно достижимую мощность излучающего преобразователя, коэффициент электромеханической связи k - электроакустический КПД. Предельная мощность преобразователя зависит также от механической прочности материала, а КПД -от его электросопротивления. Требования к магнито-стрикционным сплавам конечно не ограничиваются перечисленными параметрами. Они включают также магнитную восприимчивость, технологичность при штамповке, сопротивление усталости, коррозионную стойкость в рабочих средах и др.

При введении 4-4,5 % Со в Ni коэффициент k заметно увеличивается за счет резкого уменьшения энергии магнитной кристаллической анизотропии Е при 20 °С: от -5 мДж/см³ до 0. При этом магнитострик-ция А.,, согласно ряду публикаций [1, 2], снижается от - (35-37)-10 ^-6 ( для чистого никеля) до -(28-33)-10^-6 Относительно небольшая магнитострикция "компенси­руется" увеличением коэффициента k от 0,25 до 0,44 соответственно. Двойной сплав Ni - 4 % Со имеет невысокие прочность (на уровне чистого никеля) и электросопротивление, что вызвало необходимость разработки более сложных сплавов на основе этой системы [1, 3, 4]. Один из известных сплавов такого рода - сплав "никоей", содержащий 2,5 % Со и 2 % Si -нашел применение в гидроакустике [4]. Следует отме­тить, что хотя введение третьих компонентов (Si, Cr) и

повышает прочность и электросопротивление, но приводит к снижению магнитострикции.

Кардинальное повышение магнитострикции возмож­но за счет использования ее кристаллографической анизотропии. Так, у чистого никеля магнитострикция максимальна в направлении <100> и минимальна в направлении <111> (l = -55-10 ^-6 и -27-10 ^-6 соответ­ственно). Ранее уже предлагалось использовать для изготовления магнитострикционных преобразователей никелевую ленту с кубической текстурой [5], однако в то время не удалось создать промышленную технологию ее производства. Проводятся также работы по усовер­шенствованию альфера: повышение его пластичности путем специального легирования, совершенствование технологии и увеличение магнитострикции за счет создания оптимальной текстуры [б].

В последние годы институт "Гипроцветметобра­ботка" при участии Акустического института им. Н.Н. Андреева разработал сплавы на основе системы Ni - 4 % Со, а также технологию получения из них магнитострикционной ленты с сильной кубической текстурой. Влияние отдельных легирующих добавок на магнитные и механические свойства подробно изучены нами ранее [7, 8]. Исходя из данных [7, 8] с учетом приведенных выше требований были выбраны две системы для создания магнитострикционных сплавов:

Ni-Co-W и Ni-Co-Mn. Добавки марганца и вольфрама обеспечивают упрочнение твердого раствора и рост электросопротивления при сравнительно небольшом снижении магнитострикции. Одновременно оба компо­нента стабилизируют текстуру {100} <001>, что позволяет получить максимальную магнитострикцию в направлении прокатки ленты.

В настоящей работе' оптимизировали состав магнитострикционных сплавов. Основная задача исследования - определение области составов, где энергия анизотропии E = 0. Все эксперименты прово­дили при комнатной температуре.

Энергию анизотропии Е измеряли методом враща­ющегося феррозонда по величине магнитомеханическо-го момента М [9] при одновременном контроле тексту­ры. Из кривой М =¦( a) при вращении зонда над поверхностью ленты на угол от 0 до 2p с помощью электронного гармонического анализатора выделяли вторую и четвертую гармоники Аг и А4. По данным [10], при кубической текстуре .

Выплавляли ряд двойных и тройных сплавов системы Ni-Co-Mn, у которых варьировали содержание Со и Мn в пределах 0-6 % с шагом 2 %. Это соответству­ет схеме факторного эксперимента. Слитки массой 2 кг получали в вакуумной индукционной печи. После горячей и холодной прокатки с последующим отжигом из этих слитков получали ленты с сильной и острой текстурой {100} <001> в отожженном состоянии, рассеяние не превышало 5° (0,1). Амплитуду гармоник А4 калибровали по ленте чистого никеля с сильной кубической текстурой и энергией анизотропии Е= -5 мДж/см³.

Для трехкомпонентной системы Ni-Co-Mn результа­ты измерения Е (Дж/см³) в зависимости от концентра­ции компонентов аппроксимированы уравнением второго порядка.

Из уравнения (1) получали формулы погрешностей, связанных со случайными колебаниями состава:

dE/d[Co} » 16,7 - 2,5[Mn] - 2,2[Со];

dE/d[Mn] » 14,6 - 2.5[Со] - 2.6[Mn].

По этим уравнениям для ряда составов были вычис­лены значения энергии магнитной кристаллической анизотропии Е и ее производных по изменению концентраций компонентов сплава

Е характеризует "устойчивость" Е по отношению к колебаниям химического состава сплава. Вычисления выполнены с шагом по концентрации Со и Мп 0,25-1 %. Кроме того, рассчитывали величину l исходя из линейной зависимости от концентрации компонентов.

Переходя к практическому выбору сплава, мы приняли, что сплав должен удовлетворять условиям:

T.e. магнитострикция должна быть достаточно велика, а магнитная анизотро­пия по крайней мере на порядок меньше, чем у чистого никеля. В то же время желательно повысить устойчи­вость E т.е. добиться возможного уменьшения Е. Как видно в изученной области составов изменяется в 4-6 раз. Минимальные значения Е находятся в стороне от линии наименьшей анизотропии, однако достаточно малую величину Е можно обеспе­чить и при Е = 0. Приведенные выше условия выполня­ются у сплава НКоМц4-1, содержащего 3,5 % Со;

1 % Мп, остальное - Ni. Такой сплав имеет E = 0,7 мДж/cм³-%) (здесь предполагается "усредненный" процент добавки).

Колебания концентрации кобальта, вызываемые угаром и ликвацией, значительно меньше, чем марганца. С другой стороны, Ec, > Е'm, так что в целом колебания содержания обеих добавок дают априори близкий эффект. Аналогичное рассмотрение устойчивости магнитострикции по отношению к составу приводит к тривиальному результату: поскольку концентрационная зависимость магнитострикции линейна, ее производные во всей области составов постоянны, следовательно нет оснований предпочесть по такому признаку одни составы другим.

При допустимых отклонениях от номинального состава +0,2-0,4 % обоих компонентов, вполне осущес­твимых на практике, изменение \, не превышает ± 1 • 10 ^-6, а колебания соответствуют ±0,1 мДж/см³, т.е. на уровне ошибок измерения. Данный состав зафиксирован в технических условиях на ленту из сплава НКоМц4-1.

Кубическая текстура в отожженной ленте, обеспечи­вающая максимальную магнитострикцию в направлени­ях прокатки, поперечном и нормальном к поверхности ленты, одновременно приводит к получению минималь­ных скорости звука и модуля упругости в этих же направлениях, совпадающих с <100>. Это позволяет контролировать качество ленты по модулю нормальной упругости Е. Нами показано, что А., и 2?хорошо корре­лируют, их связь определяется эмпирической зави­симостью.

Согласно действующим техническим условиям, лента должна иметь в отожженном состоянии Е < 150 кН/мм², удельное электросопротивление сплава р = 12 мкОм-см. Следует отметить, что малое значение модуля упругости позволяетуменьшить габариты резонансных ультразву­ковых излучателей, т.е. сэкономить материал. Элек­тросопротивление такой величины при толщине ленты 0,2-0,4 мм позволяет избежать потери на вихревые токи при частотах до 20 кГц. Сплав НКоМц4-1 рекомендует­ся для изготовления мощных акустических излучателей, работающих в килогерцевом диапазоне частот. При этом обеспечивается предельная мощность в 1,5 раза выше, чем у излучателей из, технического никеля, и одновременно высокий КПД. Такие преобразователи применяются, в частности, в гидроакустике.

Магнитострикционный материал для ультразвуко­вых преобразователей, работающих в диапазоне более высоких частот, должен иметь повышенное электросо­противление. Методика поиска

и оптимизации соотве­тствующего состава в целом аналогична приведенной выше. Для этой цели нами предложен никелевый сплав НКоВоЗ-3 (3,25 % Со и 3 % W), подробное исследование которого здесь не приводится. Сплав НКоВоЗ-3 может быть эффективно применен в установках ультра­звуковой технологии, например в ваннах очистки, в ультразвуковых хирургических инструментах, для интенсификации химических процессов и т.д. Сплав НКоВоЗ-3 выпускается в виде тонкой ленты.

Наконец, для магнитострикторов, работающих при низких частотах (порядка сотен герц), и особенно при повышенных температурах нет необходимости в добавках кобальта. При нагреве до 150-200 °С для чистого никеля Е переходит через 0. Для этих условий эксплуатации разработан сплав, не содержащий кобальта.

Текстурованные магнитострикционные ленты из никелевых сплавов производят по техническим услови­ям АО "Экспериментальный завод качественных сплавов" (г. Москва).

Сравнительные характеристики магнитострикцион-ных материалов приведены в таблице, где наряду с новыми сплавами на основе никеля указаны традицион­ные сплавы, включая альфер Ю13.

Выводы. 1. Новые магнитострикционные сплавы на основе никеля, прежде всего типа Ni - 4 % Со, по акустическим характеристикам не уступают традицион­ным материалам, используемым в источниках ультра­звука, а по механическим и антикоррозионным свой­ствам - их превосходят.

2. Предложен критерий устойчивости свойств относительно колебаний химического состава: минимум производной данного свойства, в частности E по концентрации компонентов. Этот фактор целесообразно принимать во внимание при разработке новых материа­лов, особенно с использованием методов математичес­кого планирования эксперимента.

Влияние деформации и внешней нагрузки на характеристики обратимого эффекта памяти формы в сплаве 80Г15Д2НЗХ

При определенной обработке обратимое формоизме­нение в сплавах памяти формы наблюдается и без приложения внешней нагрузки (так называемый эффект обратимой или двусторонней памяти формы). В этом случае деформация при прямом мартенситном превра­щении происходит под действием внутренних напряже­ний или дефектов кристаллической структуры. Одним из способов получения эффекта обратимой памяти формы является многократное повторение цикла:

деформация в мартенситном состоянии - нагрев - ох­лаждение. Наиболее ярко двусторонняя память формы выражена в Mn-Cu-сплавах, в которых высокотемпера­турная гранецентрированная кубическая (ГЦК) у-фаза претерпевает переход в гранецентрированную тетраго-нальную (ГЦТ) фазу по механизму термоупругого мартенситного превращения. В этих сплавах значитель­ная величина обратимого формоизменения наблюдается уже после первого цикла (деформация в мартенситном состоянии - нагрев - охлаждение) [I].

Исследовали сплав 80Г15Д2НЗХ (15 % Си, 2 % Ni, 3 % Сг, остальное -Мп), обладающий оптимальным комплексом механических и термочувствительных свойств после закалки от 900 ^оС в воде и отпуска при 450 ^оС 2 ч [2]. Отпуск при 450 °С способствует установ­лению метастабильного равновесия двух изоморфных ГЦК-фаз (у, и у0 разного состава и повышает темпера­туру мартенситного превращения до 160 °С [З]. После отпуска ленту размерами 200х10х1 мм подвергали пластической деформации изгибом. Получившуюся в результате деформации ленты геликоидальную пружину помещали в установку, К внутреннему концу пружины жестко крепился вал, через который на нее передавался постоянный момент силы. Пружину подвергали термоциклированию по схеме 20 - 180 °С. Нагрев пружины-образца осуществлялся электричес­ким током. Температуру контролировали приваренной к образцу хромель-алюмелевой термопарой, а деформа­цию наружного волокна - по углу поворота вала с помощью датчика угловых перемещений. На рис. 1, а представлена кривая формоизменения образца после деформации со степенью E= 2,7 % в процессе нагрева и охлаждения.  

При первом нагреве происходит частичное восстановление исходной формы (кривая 7). При 180 °С деформация восстановления формы е, = 0,9 %. В процессе охлаждения происходит частичный возврат к форме, заданной первоначальной деформацией (е, и 0,5 %). При дальнейшем термоцикли-ровании кривая формоизменения стабилизируется, повторяя кривую охлаждения 2 с практически нулевым гистерезисом .Зависимость величины обрати­мого эффекта памяти формы е; от деформации в мартенситном состоянии приведена на рис. 2. Видно, что при малых значениях е,, эта зависимость линейная. При e > 4 % величина е; не изменяется, что согласуется сданными работы [I].

Если после указанной обработки к образцу при термоциклировании дополнительно приложить внеш­нюю нагрузку, величина обратимого эффекта памяти формы изменится. При этом направление приложения внешней нагрузки о может совпадать с направлением предварительной деформации , или быть противопо­ложным ему. Пример формоизменения под нагрузкой, когда направления d и e совпадают, представлен на рис. 1, б. Нагрузка никак не влияет на формовосстанов-ление образца при первом нагреве (кривая 3 имеет такую же форму, как кривая 2), но вызывает дополни­тельную деформацию при охлаждении (рис. 1, б, кривая 4). Эта дополнительная деформация увеличива­ется при дальнейшем термоциклировании, но после трех циклов нагрева и охлаждения кривая формоизменения стабилизируется (рис. 1, б, кривая J). Формоизменение под нагрузкой становится более плавным, однако температура максимальной термочувствительности практически не повышается (рис. 1, б, кривая 5). Влияние нагрузки в целом можно охарактеризоватьдвумя параметрами: суммарной степенью необратимой деформации Ер, накапливающейся в процессе стабилиза­ции, и степенью обратимого формоизменения под нагрузкой в установившемся режиме. На рис. 3 , а приведена зависимость e и eр от величины внешней нагрузки d для трех групп образцов, различающихся по степени предварительной деформации в мартенситном состоянии. Для всех трех групп приложение внешней нагрузки повышает величину обратимого формоизмене­ния При этом наиболее существенное повышение .

наблюдается в образцах с e= 0,6 %, и минимальное -в образцах с e = 8,0 %. Зависимость Sp от внешней нагрузки примерно одинакова во всех трех группах образцов: Бр имеет низкие значения при о < 100 Н/мм² и резко увеличивается при о > 100 Н/мм².

В случае, когда Бц и о противоположны по направле­нию, внешняя нагрузка приводит к деградации обрати­мого эффекта памяти формы. Как для образцов e = 1,2 %, так и для образцов с e= 4,6 %, величина e резко снижается с увеличением а (рис. 3, б).

Возникновение обратимого эффекта памяти формы в Mn-Cu-сплавах связано с особенностями их деформа­ции в мартенситном ГЦТ-состоянии. В этих сплавах она осуществляется по двум механизмам: двойникованием со сдвигом плоскостей {110} в направлении <ПО> на начальных стадиях деформации и дислокационным скольжением по обычной системе {111} < 110 >, преобла­дающем при больших степенях деформации [4,5]. Часть деформации, обусловленная смещением границ, является обратимой и восстанавливается при нагреве в процессе ГЦТ - ГЦК-превращения. При этом области, в которых произошла необратимая деформация скольжением, становятся центрами локальных внутренних напряже­ний. Ориентированные внутренние напряжения вызыва­ют при охлаждении преимущественное образование мартенсита с благоприятной ориентировкой кристал­лографической оси тетрагональности с [1],т.е. являют­ся причиной возникновения обратимого эффекта памя­ти формы.Противоречие устраняется, если предположить, что сформированные деформацией внутренние напряжения существенно неоднородны по направлению. Причиной неоднородности являются аккомодационные напряже­ния в мартенсите. Этот вывод непосредственно следует из анализа результатов работы [б], в которой рентгено-структурными методами изучался механизм деформации Mn-Cu-монокристаллов с мартенситной структурой.

Согласно [б], при ГЦК -» ГЦТ-превращении в Mn-Cu-кристалле образуются пластины мартенсита, граничащие по плоскостям {110}. Каждая из пластин состоит из мартенситных доменов двух вариантов со взаимно перпендикулярными тетрагональными осями с . Домены имеют двойниковую ориентацию с плоскос­тями двойникования {110}, составляющими угол 60° с границами мартенситных пластин. Границы двойников легко подвижны и при приложении внешних напряже­ний перемещаются внутрь неблагоприятно ориентиро­ванного двойника. Это приводит к формированию мартенситной текстуры с преобладанием доменов с осью вдоль направления сжатия. Однако при неблагоприятной ориентировке мартенситной пла­стины, для которой направление деформации парал­лельно плоскости двойникования, перемещение сущес­твующих границ двойников невозможно (фактор Шмида  равен 0).

В качестве примера на рис. 4 изображены пластины ан В, состоящие из доменов 1, 2 и 3, 4 соответственно. При приложении сжимающей нагрузки о вдоль [010] условия для перемещения границ между вариантами 1 и 2 в пластине А будут наилучшими. В этом случае двойниковые границы между вариантами 3 и 4 в пластине В не могут перемещаться. Эксперимент показывает, что на границах пластин возникают аккомодационные напряжения растягивающие пластину В. Кроме того, условие сохранения сплошнос­ти требует разворота пластины А относительно В при двоиниковании. Отсюда возникают аккомодационные сдвиговые напряжения .

При деформации поликристалла также должны возникать значительные аккомодационные напряже­ния на границах зерен. Релаксация аккомодационных напряжений частично происходит двойникованием, частично - скольжением на границах раздела мартен­ситных вариантов и на границах зерен. При последую­щем нагреве сплава области аккомодационного сколь­жения становятся очагами неоднородных по направле­нию внутренних напряжений. Мы предполагаем, что эти напряжения играют важную роль при образовании преимущественной текстуры мартенсита в процессе охлаждения. Они способствуют лучшей аккомодации на границах пластин текстурованного мартенсита. В то же время упругие напряжения, создаваемые внешней нагрузкой, при данной схеме испытаний можно считать однонаправленными. Таким образом, различия в условиях аккомодации являются причиной меньшей эффективности метода нагрузки по сравнению с методом деформации.

В рамках предложенной нами модели объясняется тот факт, что величина обратимого эффекта памяти Рформы в образцах, подвергнутых деформации с e= 2,7 и 8,0% после снятия нагрузки становится ниже исходно­го уровня (см. рис. 3). По нашему мнению, термоциклирование под нагрузкой выравнивает внутренние напряжения по направлению приложенного напряже­ния. При этом неоднородные напряжения сформированные деформацией в мартенситном состоя­нии, подавляются.

Выводы. 1. Наилучшим способом формирования обратимой памяти в изделиях из сплава 80Г15Д2НЗХ является пластическая деформация в мартенситном состоянии со степенью 5-10 %. Несколько менее эффективным способом является приложение к изделию нагрузки в процессе мартенситного превращения. Совместное воздействие деформации и нагрузки не приводит к существенному повышению степени обра­тимого формоизменения.

2. Обратимый эффект памяти после деформации обусловлен наличием поля внутренних напряжений, существенно неоднородных по направлению. 3. Изменение степени обратимого формоизменения под внешней нагрузкой обусловлено непосредственным влиянием нагрузки на текстуру мартенситного превра­щения и возникновением дополнительных неоднород­ных внутренних напряжений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1) В.В.Русаненко, А.Ф.Еднерал, О.Н.Леденева. Элинварные и

механические свойства мартенситно-аустенитных сплавов.//

Металловедение и термическая обработка. 1996 №7. Стр.27-30.

2) С.Г.Хаютин, И.П. Голямина. Магнитострикционные сплавы

на основе никеля. .//Металловедение и термическая обработка. 1997 №3. Стр. 20-23.

3) П.Л.Потапов, С.Ю.Макушев, В.Б.Дмитриев. Влияние деформ-

ации и внешней нагрузки на характеристики обратимого эффекта

памяти формы в сплаве 80Г15Д2Н3Х. // Металловедение и термическая обработка. 1997 №3. Стр. 16-19.

4)   А.Н. Захаров. Физика прецизионных сплавов с особыми

тепловыми  свойствами. М.1993, стр. 4-10.

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение ………………………………….. стр.1

Элинварные и механические свойства мартенситноаустенитных сплавов…..……стр.2

Магнитострикционные сплавы на основе никеля……………………………………....стр.8

Влияние деформации и внешней нагрузки на харрактеристики обратимого эффекта памяти формы в сплаве 80Г15Д2Н3Х………….…стр.13

Заключение………………………………...стр.19

Министерство высшего и профессионального образования  Р.Ф.

 ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

 

 ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экономики и технологии

производственных  процессов.

 

Дисциплина: Материаловедение

 РЕФЕРАТ

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ

Выполнил : ст. гр. МТ-22

Дружинин С.В.

 Проверил: Тамарина А.М.

г Вологда

 1999

 Вологда 1999