Способ обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана th-1
Владельцы патента RU 2451106:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ухтинский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "УГТУ") (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к изделиям из сплавов никелида титана с эффектом памяти формы, и может быть использовано в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине. Заявлен способ обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана ТН-1 путем предварительного термоциклирования через интервалы мартенситных превращений в режиме кручения. Термоциклирование через интервалы мартенситных превращений повторяют до получения установившихся значений деформационных откликов, при этом нагревают полуфабрикат из мартенситного состояния Т=295 К в аустенитное состояние Т=500 К и охлаждают обратно в мартенситное состояние. Технический результат - получение деформационных характеристик устойчивого эффекта обратимого реверсивного формоизменения. 4 табл.
Изобретение относится к металлургии и может найти применение в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине.
Известны несколько способов обработки полуфабрикатов для материалов с термоупругими мартенситными превращениями (ТМП), которые позволяют изменить величины обратимого формоизменения (ОФИ).
Первый способ - это пластическое деформирование материала путем термоциклирования через интервалы мартенситных (ГЦК-ГЦТ) переходов медно-марганцевых сплавов под постоянным напряжением различной величины либо после предварительного термоциклирования под нагрузкой [И.Н.Андронов, С.Л.Кузьмин, В.А.Лихачев. «Известия высших учебных заведений». Цветная металлургия, 1983, №2, с.84-88].
Второй способ заключается в термоциклической тренировке материала, при которой тренировочные напряжения превосходят рабочие. После предварительной тренировки материал термоциклируют через интервалы ГЦК-ГЦТ переходов под напряжениями τН - на этапе нагревания и τО - на этапе охлаждения пока значения деформационных откликов (эффект памяти формы (ЭПФ) и пластичность прямого превращения (ППП)) не стабилизируются. Установившиеся характеристики ОФИ для различных напряжений сравнивались для тренированного и нетренированного материалов [И.Н.Андронов, В.А.Лихачев. «Известия высших учебных заведений». Цветная металлургия, 1986, №2, с.97-102].
Наиболее близким аналогом является третий способ обработки полуфабрикатов из сплавов с термоупругими мартенситными превращениями - включает в себя предварительную термоциклическую тренировку сплава с термоупругими мартенситными превращениями в режиме кручения, который термоциклировали при нагреве в разгруженном состоянии, а при охлаждении под нагрузкой от Т=298 К до Т=500 К [Патент №2310696, МПК C22F 1/18, опубл. 20.11.2007. Бюл. №32]. После термоциклической тренировки заготовку разгружали при 298 К. Полученные результаты по предложенной оценке деформационных характеристик для полуфабрикатов до и после обработки сравнивались.
Анализируя данные трех способов обработки материалов с каналами мартенситной неупругости (МН), можно сделать вывод, что во всех способах после тренировки наблюдается заметная обратимая деформация, проявляемая в виде возврата деформации на этапе нагрева и ее накопления на этапе охлаждения, кроме того, первые два способа сложно осуществимы, потому что требуют криогенных температур. В третьем способе имели место деформационные эффекты, связанные с ЭПФ при нагревании в разгруженном состоянии и с ППП при охлаждении под нагрузкой через интервалы мартенситных превращений (МП).
Техническим результатом изобретения является получение устойчивого эффекта обратимого реверсивного формоизменения под постоянной нагрузкой при нагревании и в разгруженном состоянии на этапе охлаждения для сплава никелида титана (ТН-1).
Этот результат достигается способом обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана ТН-1 путем предварительного термоциклирования через интервалы мартенситных превращений в режиме кручения, отличающимся тем, что термоциклирование через интервалы мартенситных превращений повторяют до получения установившихся значений деформационных откликов, при этом нагревают полуфабрикат из мартенситного состояния Т=295 К в аустенитное Т=500 К и охлаждают обратно в мартенситное.
Для проведения испытаний был отобран материал в виде сплошных цилиндрических образцов из сплава ТН-1 (с длиной и диаметром рабочей части соответственно 33 и 4 мм). Перед испытанием образцы отжигали (в муфельной печи в специальном контейнере) при температуре 550°С в течение 1 часа с последующим охлаждением до комнатной температуры на воздухе. Экспериментальная часть работы проводилась на специальной установке, спроектированной и изготовленной в Ухтинском государственном техническом университете [А.С. №1809356 СССР, G01N 3/08. Установка для испытания образцов материалов при сложном напряженном состоянии: / В.П.Власов, И.Н.Андронов, Ю.Б.Какулия. - 4908828/28; заявл. 07.02.91; опубл. 15.04.93, бюл. №14: чертеж]. Образец правым концом закреплен с помощью двух винтов в захвате, жестко соединенном с правой опорой. Левый конец образца таким же образом закреплен в конце вала, имеющего возможность свободно вращаться и перемещаться в осевом направлении в подшипниках опор. Крутящий момент передается через шкив, жестко закрепленный на валу шпоночным соединением, на котором намотана прочная нить с подвешенным на конце грузом, при этом предусмотрена возможность изменения направления закручивания груза. Угол закручивания образца определяют по показаниям шкалы измерительного устройства. Нагрев производили электропечью. Температура в процессе эксперимента регистрировалась при помощи милливольтметра М 2038, подключенного к хромель-копелевой термопаре, спай которой подсоединяли к рабочей части образца. Для контроля однородности нагрева образца устанавливались две термопары в различных точках его рабочей части. Установка позволяет сообщать образцу крутящий момент до 5 Н·м.
Для получения результата изобретения полуфабрикат, находящийся в мартенситном состоянии при температуре 295 К, нагружали заданным крутящим моментом, сообщая ему фиксированное значение касательных напряжений, после чего нагревали до 500 К, измеряя при этом угловую деформацию, далее снимали нагрузку и охлаждали до исходной температуры. После этого термоциклирование через интервалы мартенситных превращений повторяли до получения установившихся значений деформационных откликов.
Параметры использованных образцов представлены в таблице 1.
В лабораторных условиях выполнили три серии опытов. Значения напряжений нагрева и охлаждения, а также тренировочных представлены в таблице 2.
| Таблица 2 | |||
| Серия | Напряжения тренировки σтр (МПа) | Напряжения нагрева σн (МПа) | Напряжения охлаждения σо (МПа) |
| I | 100 | 50, 100, 150, 200 | 0 |
| II | 200 | 50, 100, 150, 200, 250 | 0 |
| III | 300 | 50, 100, 150, 200, 250, 300 | 0 |
Для всех опытов минимальная и максимальная температуры термоциклирования соответственно составили: Tmin=295 К; Тmax=500 К.
Результаты по оценке деформационных характеристик для полуфабрикатов до и после обработки даны в таблице 3, а результаты по оценке деформационных откликов по прототипу приведены в таблице 4. Как видно из таблицы 3, предварительная термоциклическая тренировка по-разному влияет на формирование эффектов пластичности обратного превращения (ПОП) и эффекта памяти формы (ЭПФ). Если первые деформационные отклики уменьшаются в результате термоциклической тренировки, то вторые увеличиваются, тем самым наблюдая, по предложенному способу, четко выраженный устойчивый эффект обратимого реверсивного формоизменения сплава ТН-1, чего мы не видим по известному.
| Таблица 3 | |||||
| Пример | Напряжения нагрева, МПа | γпоп, % | γп, % | ||
| Не тренирован | Тренировка при 200 МПа | He тренирован | Тренировка при 200 МПа | ||
| 1 | 100 | 0,35 | 0,23 | 0,50 | 0,83 |
| 2 | 150 | 0,50 | 0,40 | 1,24 | 1,60 |
| 3 | 200 | 0,90 | 0,75 | 2,2 | 2,31 |
| 4 |
| Таблица 4 | |||||
| Пример | τ, МПа | Нетренированный образец | Тренир. образец при τ=200 МПа | ||
| τ=0; γпп, % | τ=0; γпп, % | τ=0; τпп, % | τ=0; γп, % | ||
| 1 | 50 | 3,56 | 3,55 | 9,41 | 9,37 |
| 2 | 100 | 9,79 | 9,75 | 10,96 | 10,88 |
| 3 | 150 | 11,97 | 11,84 | 12,31 | 12,26 |
| 4 | 200 | 13,39 | 12,97 | 13,88 | 13,28 |
| 5 | 250 | 14,02 | 13,68 | - | - |
где γпоп - деформация, соответствующая пластичности обратного превращения;
γп - деформация, соответствующая обратному эффекту памяти формы при нагревании;
γпп - деформация, соответствующая пластичности прямого превращения при охлаждении.
Способ обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана ТН-1 путем предварительного термоциклирования через интервалы мартенситных превращений в режиме кручения, отличающийся тем, что термоциклирование через интервалы мартенситных превращений повторяют до получения установившихся значений деформационных откликов, при этом нагревают полуфабрикат из мартенситного состояния Т=295 К в аустенитное состояние Т=500 К и охлаждают обратно в мартенситное.
