Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 [ 62 ] 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

Изменения геометрических размеров циркониевьгх изделий, их коррозионных и механических свойств при эксплуатации в реакторе связаны с изменением дислокационной структуры, фазового состава и микрохимического состава фаз [20].

Низкий радиационный рост сплава Э635 объясняется отсутствием <с>-дислокационной компоненты, стабильностью фаз и растворением частиц после облучения 4- Ю н/м (£ > 0,1 МэВ). Облучение до 9-1026 н/м (£> 0,1 МэВ) вызвало и в этом сплаве появление <с>-дислокационной компоненты. Однако заметного изменения в кинетике радиационного роста при этом не произошло в отличие от сплава ЭПО (рис. 5.9).

Низкий радиационный рост сплава Э635 и длительный инкубационный период образования петель <с>-типа связан с химическим составом матрицы (а-раствора), содержащей Sn, Nb, Fe и сдерживающей появление до облучения <с>-компонентных дислокаций.

Наряду с изменением дислокационной структуры под облучением происходит заметное изменение фазового и микрохимического состава фаз в сплавах. Так, в сплаве ЭПО с увеличением нейтронной дозы происходит обеднение PJ,-фaзы ниобием и уменьшение плотности Pj,-4ac-тиц. В сплаве Э635 происходит монотонное обеднение железом состава частиц по мере увеличения дозы облучения, но аморфизации частиц не происходит [20].

В настоящее время в промышленные реакторы ВВЭР устанавливаются твэлы в оболочке из сплава Э635. Из него изготавливают направляющие и центральные каналы, а также дистанционирующие решетки. Коррозионная стабильность сплава позволяет использовать его не только в реакторах ВВЭР, но и РБМК, BWR и PWR. В условиях этих реакторов сплав Э635 имеет заметное преимущество по коррозии перед бинарными сплавами и циркалоями (рис. 5.11 и 5.12).

Создание новых циркониевых сплавов для активной зоны реакторов требует больших финансовых затрат и времени на комплексные исследования и испытания изделий. Поэтому дальнейшие исследования и разработки циркониевых сплавов для атомной энергетики в России, США, Японии, Франции и других странах идут, в основном, по пути совершенствования уже имеющихся промышленных сплавов. В 90-е годы XX в., стремясь получить альтернативные промышленные сплавы, конкурентоспособные по эксплуатационным свойствам российскому сплаву Э635, в США создается сплав ZIRLO, а в Японии - сплав NDA, легированные подобно сплаву Э635 Nb, Sn и Fe (табл. 5.5). Во Франции создан сплав М5 - полный аналог российского сплава ЭПО. Однако

ЭТИ сплавы не превосходят, а по ряду основных характеристик в изделиях, уступают сплавам ЭПО и Э635 (рис. 5.8, 5.11 и 5.12).

5.3. СПЛАВЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

СПЛАВЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

В последнее десятилетие широкое практическое применение находят сплавы, проявляющие эффект памяти формы (ЭПФ). Сплавы с памятью формы (СПФ) используют в различных областях техники (авиакосмическая техника, бытовая техника, приборостроение, спецмашиностроение и др.). При этом особенно перспективной областью применения СПФ, как показывает накопленный мировой опыт, является медицинская техника, в которой используются СПФ на основе Ti-Ni (никелид титана, нитинол).

СПФ - функциональные материалы; они дают возможность реализо-вывать служебные характеристики конструкций и устройств, недостижимые при использовании других материалов. Применение нитинола в медицине, в частности, обусловлено уникальным сочетанием специальных (функциональных) свойств памяти формы с высокой коррозионной стойкостью в жидкостях человеческого тела, а также с особенностями его сверхупругого механического поведения, сходного с механическим поведением костной ткани. Это обеспечивает полную биосовместимость сплава.

В широком смысле слова свойство памяти формы можно определить как способность металла деформироваться и восстанавливать (полностью или частично) свою исходную форму по структурным механизмам, отличным от механизмов нормальной упругой деформации. Такими особыми механизмами являются термоупругое мартенсит-ное превращение, а также обратимые структурные превращения в термоупругом мартенсите.

Собственно эффектом памяти формы принято называть однократное (одностороннее) восстановление формы при на-треве после деформации (рис. 5.13). Восстановление формы при охлаждении пос-


Рис. 5.13. Эффект памяти формы (восстановление исходной формы при нагреве после деформации): е, - наведенная деформация; - обратимая деформация




Рис. 5.14. Диаграмма деформации и разгружения при реализации сверхупругости (Т = const)

ле деформации, присущее СПФ, претерпевшим обратное мартенситное превращение под на-

ZJ пр5Ежением или пластически деформированным / в состоянии высокотемпературной фазы (аус-

у тенит) (как элемент обратимого или двусторон-

/I-----I него ЭПФ, ОЭПФ), также отнесено к ЭПФ.

( Восстановление же формы в ходе разгрузки

при температуре деформации было названо псевдоупругостью {сверхупругостью) (рис. 5.14).

Лежащее в основе ЭПФ и сверхупругости обратимое термоупругое мартенситное превращение бьшо открыто в 1949 г. Г. В. Курдюмо-вым и Л. Г. Хандросом на сплавах Cu-Al-Ni и Cu-Sn. Они обнаружили, что кристаллы образующегося мартенсита при остановке охлаждения могут прекращать рост, а при последующем нагреве уменьшаются в размерах. При этом последовательность исчезновения кристаллов мартенсита при нагреве и обратном превращении мартенсита в высокотемпературную фазу (аустенит) повторяет последовательность их возникновения в обратном порядке.

ЭПФ бьы экспериментально обнаружен Чангом и Ридом в 1951 г. на сплаве Au-Cd. С тех пор его наблюдали на сплавах многих систем: Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Si, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Al, Cu-Mn-Al, Fe-Mn-Si, In-Ti, Cu-Zn, Cu-Al, Ni-Al, Fe-Pt и др. Поскольку наибольший практический интерес представляют сплавы Ti-Ni, то конкретные закономерности структурного и термомеханического поведения СПФ будут далее рассмотрены на примере этих сплавов.

Эффекты памяти формы и сверхупругости Условия проявления и механизмы ЭПФ

Сущностью процесса восстановления формы является обратное движение обратимых носителей деформации: межфазных, межкристальных и междвойниковых границ. Поэтому для понимания структурных механизмов восстановления формы и температурных условий их реализации необходимо знать структурные механизмы предшествующей (наводящей ЭПФ) деформации и температурные условия их реализации [23-25].

На рис. 5.15 показацы температурные зависимости обычных пределов текучести аустенита и мартенсита oj, по достижении которых при данной температуре начинается обычная пластическая деформация по

механизму дислокационного скольжения. На оси температур отмечены характеристические температуры прямого мартенситного превращения М М, М, Mj. В точке Mj начинается мартенситное превращение при о)01аждении в отсутствии напряжений; в точке Mj- оно заканчивается и формируется структура мартенсита охлаждения. При деформации в характерных температурных областях происходят следующие процессы (не учитывая нормальную упругую деформацию):

Область Mf > Тф > М. Если охлаждение из аустенитной области проводить в присутствии внешних напряжений, то согласно уравнению Клапейрона-Клаузиуса мартенситное превращение начнется при температуре выше My, причем тем выше, чем больше напряжение. В этом случае мартенсит обозначается термином мартенсит напряжения , а напряжение начала его образования носит название фазового предела текучести . Температурная область образования мартенсита напряжения ограничена сверху точкой М , в которой о, сравнивается с о.

По достижении напряжения о/ деформация набирается только за счет образования благоприятно ориентированного мартенсита напряжения (без упрочнения или с небольшим упрочнением) до тех пор, пока не исчерпается ресурс деформации мартенситного превращения, равный деформации решетки при превращении. Далее будет происходить упругая деформация, а затем обычная пластическая деформация мартенсита.

Область Mj> Т >M. При нагружении в области выше точки по достижении начнется обычная пластическая деформация. Если в ходе деформационного упрочнения будет достигнут фазовый предел текучести, то с этого момента обычная пластическая деформация будет сопровождаться образованием мартенсита, который называется мартенситом деформации . Выше точки мартенсит не образуется ни при каких деформациях.

Область T<Mj> При охлаждении ниже точки Mj- присутствует только мартенсит охлаждения. Если к нему приложить напряжение, то он способен переориентироваться при достижении напряжения ниже обычного предела текучести мартенсита <з. Деформация при этом набирается только за счет пере-

Т 1

1 1

Рис. 5.15. Функциональные свойства СПФ: характеристические температуры мартенситных превращений и критические напряжения



ориентации мартенсита охлаждения до тех пор, пока не исчерпается ее ресурс (также равный деформации решетки при мартенситном превращении). Далее будет происходить упругая, а затем обычная пластическая деформация мартенсита.

Область > Тф > Mj, После охлаждения в интервале М~М- перед началом деформации присутствуют как аустенит, так и мартенсит охлаждения; поэтому под напряжением могут реализоваться оба процесса: образования ориентированного мартенсита напряжения в остаточном аустените и переориентация мартенсита охлаждения.

Теперь можно рассмотреть механизмы разных проявлений памяти формы и температурно-деформационные условия их реализации [23-25]. Точки и Aj- (см. рис. 5.15) соответствуют началу и концу обратного превращения мартенсита в аустенит при нагреве.

Пусть при деформации в области А > > образовался ориентированный мартенсит напряжений. После упругой разгрузки при температуре деформации останется деформация превращения, так как Т < и мартенсит стабилен при температуре деформации. В процессе последующего нагрева в интервале А-А- произойдет обратное мартенситное превращение, а следовательно, и восстановление формы. Это - ЭПФ, связанный с обратным превращением ориентированного мартенсита напряжений.

Если деформацию провести в области Mf > Гдф >Ар то обратное мартенситное превращение и восстановление формы произойдут уже в ходе последующей разгрузки при температуре деформации, так как выше А термодинамически стабилен аустенит. Это - явление псевдоупругости, связанной с обратным превращением мартенсита напряжений, или сверхупругость.

В случае такой же деформации в области А> Тф > А или Mj>T>Mf сверхупругость реализуется частично.

Ниже точки М образуется мартенсит охлаждения, он стабилен против обратного превращения в области ниже А. Если деформацию провести при Гдф < Мр то возможны два случая. Если при температуре деформации ниже определенного критического напряжения о, то при разгрузке после деформации восстановления формы не произойдет. Восстановление формы в этом случае будет развиваться в ходе нагрева после деформации, причем не обязательно только начиная с точки А. Если в ходе нагрева возвращающие напряжения превысят напряжение трения для обратного движения носителей деформации при некоторой температуре ниже А, то восстановление формы начнет-

ся при этой температуре за счет обратной переориентации мартенсита. При нагреве выше точки А механическое формовосстановление может продолжиться наряду с формовосстановлением за счет обратного мартенситного превращения. Если возвращающее напряжение и при нагреве выше А не превысит сопротивления сил трения , формовосстановление произойдет только за счет обратного мартенситного превращения.

Если при температуре деформации ниже окажется выше о, то произойдет восстановление формы в ходе разгрузки, т. е. будет проявляться сверхупругость за счет обратной переориентации деформированного мартенсита охлаждения.

Если деформация проведена в интервале температур М > Гдф > Л/ то должна иметь место комбинация эффектов, наблюдаемых в результате деформации при температурах, прилегающих с обеих сторон к этому интервалу.

К основным структурным механизмам обратимой деформации, обеспечивающим проявление памяти формы, относятся [23-25]: движение когерентной границы мартенсита с аустенитом или мартенситом другого типа; движение границ существующих двойников превращения; деформационное двойникование мартенсита; движение границы между кристаллами мартенсита; образование кристаллов мартенсита новых ори-ентационных вариантов в существующем мартенсите.

Рассмотрев температурно-деформационные условия проявления и механизмы памяти формы, перейдем к факторам, совокупность которых обеспечивает обратимость деформации. Как следует из [25], можно вьщелить три группы факторов.

1. Должна быть обеспечена термоупругость мартенситного превращения при деформации СПФ. Для этого необходимо сочетание малой величины термодинамической движущей силы мартенситного превращения (малый температурный гистерезис превращения) с предмартенсит-ньгм размягчением решетки аустенита (резким уменьшением модулей упругости) и относительно небольшими сдвиговой и объемной деформациями превращения. Тем самым будет обеспечено отсутствие обычной пластической деформации и сохранение когерентной связи решеток исходной и образующейся фаз и между соседними кристаллами мартенсита в ходе и по завершении превращения, наведенного напряжениями.

2. Должна быть обеспечена кристаллографическая обратимость мартенситного превращения, т. е. при обратном превращении мартенсита должна восстанавливаться исходная ориентировка решетки аустенита.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 [ 62 ] 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка