Связь кристаллографических и термодинамических особенностей структурно-фазовых переходов с функциональными свойствами сплавов с памятью формы: 2021 г. этап 3

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Layman's description

Разработаны математические для описания функционально-механических свойств сплавов с памятью формы на основе меди (CuAlNi, CuAlBe), железа (FeMnSi) и титана (TiZr), которые являются перспективными конкурентами сплава TiNi в технике и медицине. С помощью микроструктурного компьютерного моделирования, позволяющего учесть кристаллографические и термодинамические особенности преобразования высокотемпературной фазы в мартенсит и межмартенситных переходов в этих материалах, выполнено исследование зависимости функциональных свойств данных материалов от кристаллографических и термодинамических особенностей протекающих в них структурно-фазовых превращений. Выполнено моделирование однократного и циклического изотермического деформирования образцов при различных температурах, накопления и возврата фазовой деформации, накопления необратимой деформации, наведенной превращением усталостного разрушения при термо- и механоциклировании. Для определения материальных постоянных моделей выполнен ряд экспериментов. Даны рекомендации по использованию функциональных сплавов на основе меди, железа и титана в технике.

Key findings for the project

1. Сформулированы основные определяющие уравнения микроструктурной модели для сплавов на основе меди. На основе имеющихся рентгеноструктурных данных о параметрах решеток аустанитных и мартенситных файз для мартенситного перехода D0_3 -> 18R в сплавах с памятью формы (СПФ) на основе меди (CuAlNi, CuAlBe) вычислены матрицы тензоров деформации Бейна. Данные матрица впервые использованы для моделирования псевдоупругого поведения монокристаллов медных сплавов различной ориентации. Данный оригинальный подход впервые позволил получить как качественно, так и количественно удовлетворительное описание диаграмм деформирования сплава CuAlNi и CuAlBe в различных фазово-структурных состояниях.
2. Выполнен анализ данных по упругому деформированию СПФ типа CuAlNi, CuAlBe. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о сильной упругой анизотропии СПФ на медной основе в аустенитном состоянии. На основании известных экспериментальных результатов вычислена матрица упругих постоянных. Учет анизотропии упругих свойств аустенита позволил добиться лучшего соответствия между экспериментальными и теоретическими результатами.
3. Выполнен анализ данных о специфике мартенситного перехода бета -> альфа в СПФ на основе TiZr. Предложен механизм перестройки решетки заключающийся в сдвиге на плоскости {112}А аустенитной структуры в направлении [111]А, перетасовках атомов, а также дополнительных растяжениях и сжатиях в плоскости {112}А. Вычислены матрицы тензоров градиента деформации и Грина-Лагранжа. Выполнена оценка кристаллографического ресурса для данного превращения как максимальной величины главной деформации. В ходе моделирования была найдена такая ориентация монокристалла, при которой при
реализации эффекта псевдоупругости наблюдается деформация, близкая к рассчитанному значению кристаллографического ресурса.
4. Выполнен анализ данных о специфике мартенситных переходов, упругого и пластического деформирования СПФ на основе железа (FeMnSi). На основе проведенного анализа усовершенствована микроструктурная модель для этого типа СПФ. Сформулированы оригинальные условия мартенситного превращения ГЦК-ГПУ, а также двойникования в низкотемпературной ГПУ фазе, учитывающие тройную симметрию последней. Показано, что матрица деформации Бейна, рассчитанная в работе Р. Шумана, позволяет получить в рамках микроструктурной модели хорошее количественное описание деформационных эффектов, связанных с мартенситными и межмартенситными переходами. При этом эффект накопления деформации при нагревании под нагрузкой характерен именно для СПФ на основе железа и является следствием многовариантности обратного мартенситного превращения.
5. Сформулированы определяющие соотношения для расчета аккомодационной микропластический деформации в СПФ типа FeMnSi. Выполнено моделирование накопления и возврата фазовой деформации и накопления необратимой деформации при изотермическом деформировании сплава FeMnSi, находящегося в различных фазово-структурных состояниях.
6. Сформулирован критерий разрушения для СПФ на основе FeMnSi при реализации мартенситного превращения и переориентации. Данный критерий применен при моделировании усталостного разрушения образцов из этих материалов в знакопеременных и пульсационных циклах нагружения. На основании проведенных тестовых экспериментов выполнена калибровка констант модели. Показано, что микроструктурная модель деформации СПФ на основе железа, учитывающая специфику обратимого мартенситного превращения ГЦК-ГПУ и микропластической деформации данных материалов, при использовании предложенного деформационно-силового критерия разрушения является адекватным инструментом для описания разрушения в том числе дисперсионно упрочненной стали Fe – 0.40 С – 18 Mn – 2 Si – 2 V (массовые проценты) как при одноосном растяжении, так и при циклических нагрузках.
7. Выполнены эксперименты по циклическому нагружению сплава FeMnSi до разрушения для различных значений максимального растягивающего напряжения в мартенситном состоянии. Полученные данные использованы для калибровки констант модели. Отработана методика измерения акустической эмиссии при термоциклировании образцов. Выполнены эксперименты по измерению акустической эмиссии при индентировании образцов сплава Fe-Mn-Si после циклического нагружения. Показано, что циклические нагрузки увеличивают количество сигналов акустической эмиссии, снижают их энергию и медианную частоту.
8. С учетом уточненных представлений о механизмах мартенситных превращений и двойникования в СПФ на основе меди написана и отлажена компьютерная программа, выполнена калибровка констант модели, моделирование накопления и возврата фазовой деформации и накопления необратимой деформации при изотермическом деформировании в различных фазово-структурных состояниях. Сделан вывод о целесообразности моделирования необратимой деформации на примере сплава CuAlBe. Выполнено моделирование циклического термомеханического поведения моно- и поликристалла этого сплава; показано, что результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
9. Выполнено моделирование работы устройств технического и медицинского назначения , использующих элементы из СПФ на основе меди, железа и титана. При расчете демпферов и изоляторов вибрации, использующих элементы из СПФ на основе FeMnSi, показано, что целесообразно использовать данные материалы для виброзащиты в мартенситном состоянии, когда при достаточно высоком уровне напряжений действующих (до 800 МПа) количество циклов до разрушения достигает порядка 10000. С учетом того, что мартенситные превращения в СПФ на основе железа протекают при довольно высоких температурах, указанный режим является подходящим для большинства приложений. При этом стоимость устройств из СПФ на основе железа существенно ниже, чем устройств на основе сплавов типа TiNi.
10. Из-за того, что мартенситное превращение в СПФ на основе TiZr протекает при температурах, существенно превышающих температуру человеческого тела, данные сплавы в медицинских приложениях используются в упругом состоянии в качестве высокопрочной замены титановым сплавам. Там, где требуется реализация эффекта памяти формы, целесообразно использовать никелид титана. Сплавы TiZr обладают довольно большим кристаллографическим ресурсом превращения и являются перспективными с точки зрения использования в высокотемпературных технических приложениях.
11. Модель пластической деформации сплавов с памятью формы, описывающая дислокационное скольжение на микроуровне, использована для исследования вклада пластический деформации в поведение СПФ. Показано, что модель адекватно описывает пластическую деформацию сплавов с памятью формы, а также эффект обратимой памяти формы.

Academic ownership of participants (text description)

Евард Маргарита Евгеньевна. доцент: руководство проектом, анализ результатов, написание статей
Беляев Федор Степанович, ст. преп.: разработка алгоритмов. написание программ, отладка, написание статей
Волков Александр Евгеньевич, профессор: формулировка определяющих уравнений. .: разработка алгоритмов. написание программ, отладка, написание статей
Черняева Елена Васильевна. с.н.с.: экспериментальные исследования
Остропико Евгений Сергеевич. ст. преп: экспериментальные исследования
Чернышева Татьяна Юрьевна, студент: выполнение расчетов, анализ результатов
Ребров Тимофей Викторовичстудент: выполнение расчетов, анализ результатов
Стародубова Мария Сергеевнастудент: выполнение расчетов, анализ результатов

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

не разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается

Rationale of the interdisciplinary approach

результаты на стыке механики, физики твердого тела и инженерных наук
AcronymRFBR_a_2019 - 3
StatusFinished
Effective start/end date25/03/2128/12/21