Матрица деформации Бейна для мартенситного перехода β1↔β1′ в сплаве CuAlNi и кристаллографический ресурс превращения

Ключевые слова: эффект памяти формы, CuAlNi, монокристалл, матрица деформации, кристаллографический ресурс

Аннотация

В последнее время вырос интерес к сплавам на основе меди (в частности, сплавам CuAlNi, содержащим 10–14 % Al и 4–5 % Ni), обладающим узким температурным гистерезисом и демонстрирующим полный возврат деформации. Однако на данный момент работ, посвященных моделированию поведения сплавов с памятью формы на основе меди, практически нет, что обусловливает актуальность данного исследования. В работе рассмотрена микроструктурная модель механического поведения сплава типа CuAlNi с учетом протекающего в этом материале обратимого мартенситного превращения β1(D03)↔β1′(18R). В основе модели лежит важный параметр – матрица деформации. Необходимые расчеты были произведены в предположении малости деформаций. На основе имеющихся в литературе кристаллографических данных рассчитана матрица тензора деформации для одного из вариантов, образовавшегося в ходе данного превращения мартенсита. Полученная матрица используется в дальнейшем при моделировании функциональных свойств сплавов на основе CuAlNi. Выполнены расчеты, позволяющие определить кристаллографический ресурс превращения, т. е. максимальную деформацию кристаллической решетки для данного превращения. Произведено моделирование псевдоупругого поведения монокристалла CuAlNi, в ходе которого найдена ориентация монокристалла, при которой достигается деформация, примерно равная расчетному значению кристаллографического ресурса. Таким образом, построенная матрица деформации дает возможность адекватного моделирования поведения рассматриваемого сплава с памятью формы. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с имеющимися в литературе экспериментальными данными, что говорит о том, что построенная матрица деформации может быть применена для дальнейших расчетов.

Биографии авторов

Чернышева Татьяна Юрьевна, Санкт-Петербургский государственный университет

магистрант

Евард Маргарита Евгеньевна, Санкт-Петербургский государственный университет

кандидат физико-математических наук, доцент

Литература

Зборщик А.М. Конспект лекций по дисциплине «Новые материалы в металлургии». Донецк: ДонНТУ, 2008. 253 с.

Funakubo H. Shape memory alloys. New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1987. 275 p.

Otsuka K., Wayman C.M. Shape memory materials. Cambridge: Cambridge University press, 1998. 282 p.

Pushin V., Kuranova N., Marchenkova E., Pushin A. Design and development of Ti-Ni, Ni-Mn-Ga and Cu-Al-Ni-based alloys with high and low temperature shape memory effects // Materials. 2019. Vol. 12. № 16. Article number 2616.

Neiman A.A., Semin V.O., Meisner L.L., Ostapenko M.G. Structural decomposition and phase changes in TiNi surface layer modified by low-energy high-current pulsed electron beam // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 80. P. 721–729.

Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Ленинградский университет, 1987. 216 с.

Тихонов А.С., Герасимов А.П., Прохорова И.И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. 80 с.

Jayachandran S., Akash K., Mani Prabu S.S., Manikandan M., Muralidharan M., Brolin A., Palani I.A. Investigations on performance viability of NiTi, NiTiCu, CuAlNi and CuAlNiMn shape memory alloy/Kapton composite thin film for actuator application // Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 176. Article number 107182.

Пульнев С.А., Прядко А.И., Ястребов С.Г., Николаев В.И. Эффект памяти формы в монокристаллах Cu-Al-Ni, линейные и вращательные двигатели на их основе // Журнал технической физики. 2018. Т. 88. № 6. С. 843–849.

Artini C. Alloys and Intermetallic Compounds. From Modeling to Engineering. Boca Raton: CRC Press, 2017. 367 p.

Danilov A., Razov A. Thermo-mechanical and functional properties of NiTi shape memory alloy at high strain rate loading // Shape memory alloys: properties, technologies, opportunities. Switzerland: Trans Tech Publ., 2015. P. 457–479.

Курдюмов Г.В. Бездиффузионные мартенситные превращения в сплавах // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1948. Т. 18. № 8. С. 999–1025.

Волков А.Е. Микроструктурное моделирование деформации сплавов при повторяющихся мартенситных превращениях // Известия Российской академии наук. Серия: Физическая. 2002. Т. 66. № 9. С. 1290–1297.

Zhang X.Y., Sun Q.P., Yu. S.W., A non-invariant plane model for the interface in CuAlNi single crystal shape memory alloys // Journal of the mechanics and physics of solids. 2000. Vol. 48. № 10. P. 2163–2182.

Tůma K., Stupkiewicz S. Phase-field study of size-dependent morphology of austenite–twinned martensite interface in CuAlNi // International Journal of Solids and Structures. 2016. Vol. 97-98. P. 89–100.

Sakamoto H., Shimizu K. Effect of heat treatments on thermally formed martensite phases in monocrystalline Cu-Al-Ni shape memory alloy // ISIJ International. 1989. Vol. 29. № 5. С. 395–404.

Thamburaja P., Anand L. Polycrystalline shape-memory materials: effect of crystallographic texture // Journal of the mechanics and physics of solids. 2001. Vol. 49. № 4. P. 709–737.

Zhao L., Willemse P.F., Mulder J.H., Beyer J., Wei W. Texture development and transformation strain of a cold-rolled Ti50-Ni45-Cu5 alloy // Scripta materialia. 1998. Vol. 39. № 9. P. 1317–1323.

Прокошкин С.Д., Коротицкий А.В., Браиловский В., Инаекян К.Э., Дубинский С.М. Кристаллографическая решетка мартенсита и ресурс обратимой деформации термически и термомеханически обработанных сплавов Ti-Ni с памятью формы // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 112. № 2. С. 180–198.

Buchheit T.E., Wert J.A. Modeling the effects of stress state and crystal orientation on the stress-induced transformation of TiNi single-crystals // Metallurgical and materials transactions A. 1994. Vol. 25. № 11. С. 2383–2389.

Miyazaki Sh., Otsuka K., Wayman C.M. The sharp memory mechanism associated with the martensitic transformation in Ti-Ni alloys-I. Self-accommodation // Acta Metallurgica. 1989. Vol. 37. № 7. P. 1873–1884.

Sittner P., Novak V. Anisotropy of martensitic transformations in modeling of shape memory alloy polycrystals // International journal of plasticity. 1999. Vol. 16. № 10. P. 1243–1268.

Niedbalski S., Durán A., Walczak M., Ramos-Grez J.A. Laser-assisted synthesis of Cu-Al-Ni shape memory alloys: Effect of nert gas pressure and Ni content // Materials. 2019. Vol. 12. № 5. Article number 794.

Horikawa H., Ichinose S., Morri K., Miyazaki S., Otsuka K. Orientation β1→β1 dependence of stress-induced martensitic transformation in Cu-Al-Ni alloy // Metallurgical transactions A. 1988. Vol. 19. № 4. P. 915–923.

Опубликован
2020-06-27
Выпуск
Раздел
Технические науки