Прецизионные сплавы

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 и минимальна в направлении (( = -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} , 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 2( 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} 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 ( 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 . 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 ( > 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

( и ( 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 ( и (р от

величины внешней нагрузки ( 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 (= 0,6 %, и минимальное -в образцах с ( = 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 (

= 1,2 %, так и для образцов с (= 4,6 %, величина ( 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 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

(= 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.

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

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

Страницы: 1, 2