Для этого необходимы условия, ограничивающие число кристаллографически эквивалентных ориентационных вариантов обратного мартенситного превращения, желательно до единственного. К таким условиям относятся следующие:

- рещетка мартенсита должна иметь более низкую симметрию, чем решетка аустенита. Например, в сплавах на основе никелида титана единственность пути атомных перемещений в ходе обратного превращения точно назад , определяющего деформацию обратного превращения, задается дополнительным моноклинным искажением решетки мартенсита;

- предпочтительна упорядоченная структура исходного аустенита. Ее роль заключается в ограничении числа возможных ориентационных вариантов обратного превращения до тех, которые не нарушают атомный порядок, существовавший в исходном аустените;

- наличие в аустените неподвижных дислокаций и дислокационных субграниц, наследуемых мартенситом, делает энергетически предпочтительным ориентационный вариант обратного превращения точно назад . В противном случае, дважды унаследованные дислокации в восстановленном аустените оказываются более высокоэнергетическими по сравнению с их состоянием в исходном аустените.

Необходимо также иметь в виду особую роль дислокаций как источников деформации, наводящей ЭПФ [23]. Поля напряжений от дислокационной субструктуры обычно имеют преимущественную ориентировку и в силу этого оказывают ориентирующее влияние на мартенситное превращение. А поскольку дислокации и их построения наследуются в цикле прямое-обратное мартенситное превращение , то ориентированное мартенситное превращение и последующее восстановление формы будут наблюдаться при термоциклировании через температурный интервал мартенситных превращений, т. е. реализуется ОЭПФ.

3. Должна быть обеспечена обратимость движения дефектов решетки - носителей деформации. Основное условие для этого - когерентная связь решеток. Когерентная граница (межфазная, межкристаллит-ная, междвойниковая) может свободно перемещаться под воздействием напряжений (в том числе внутренних) в прямом направлении, а в процессе или после их снятия - в обратном, обеспечивая память формы. Для того, чтобы когерентное сопряжение решеток поддерживалось при достаточно большой деформации, деформация превращения и модули упругости должны быть достаточно малыми, что и наблюдается в большинстве СПФ.

Рис. 5.16. Схема реализации обратимого мартенситного ЭПФ

Классификация эффектов памяти формы

Для систематизации проявлений памяти формы удобно использовать в качестве основы классификацию в [24], где ЭПФ классифицируются на две группы в зависимости от того, какой параметр является ведущим для процесса возврата деформации. К ЭПФ, обусловленному термомеханическим возвратом, относятся случаи восстановления формы, когда ведущим параметром является температура, а напряжение играет второстепенную роль. К ЭПФ, обусловленному механотермическим возвратом, относятся случаи восстановления формы, когда ведущим изменяющимся параметром является напряжение, а температура ифает второстепенную роль.

К ЭФП, обусловленным термомеханическим возвратом, относятся следующие:

Необратимый {односторонний) ЭПФ, заключающийся в восстановлении формы при нагреве после деформации, осуществляемой образованием мартенсита напряжений или/и деформационной переориентацией существующего мартенсита охлаждения или мартенсита напряжений. Для повторной реализации эффекта надо вновь провести наводящую ЭПФ деформацию в полуцикле охлаждения.

Обратимый {двусторонний) ЭПФ {ОЭПФ), заключающийся в самопроизвольном обратимом изменении формы при термоциклировании через интервал мартенситных превращений.

Способы наведения ОЭПФ, реализующегося самопроизвольно, связаны с созданием ориентированных полей внутренних напряжений. Поскольку эти напряжения должны срабатывать многократно, они должны быть связаны с элементами структуры, наследуемыми при мартенситных превращениях, т. е. с дислокационной субструктурой и дисперсными когерентными частицами избыточных фаз. Например, для наведения самопроизвольного ОЭПФ используют: пластическую деформацию мартенсита (за пределом полностью обратимой деформации) (рис. 5.16) или пластическую деформацию стабильного аустенита, наводя соответственно мартенситный или аустенитный ОЭПФ.

К ЭПФ, обусловленным механотермическим возвратом, относятся различные проявления псевдоупругости {сверхупругости), связанной с восстановлением фор-

мы при температуре деформации. При этом возврат деформации, накопленной в изотермических условиях, происходит в ходе разгрузки или/и при изменении знака деформирующего напряжения.

Функциональные свойства сплавов с памятью формы

С практической точки зрения интерес представляют следующие специальные (функциональные) свойства СПФ, которые тесно связаны с рассмотренными их фундаментальными особенностями.

Обратимая деформация - это деформация, которая возвращается при восстановлении формы. Теоретический ресурс обратимой деформации определяется величиной деформации решетки при мартенситном превращении. Например, в практически наиболее важных СПФ на основе никелида титана исходная решетка В2-аустенита превращается в моноклинную решетку В19-мартенсита (рис. 5.17). При этом максимальная линейная деформация достигает И %. Это и есть предельная деформация, которую можно набрать за счет прямого мартенситного превращения и возвратить за счет обратного мартенситного превращения. Если мартенситное превращение идет под нагрузкой, то происходит отбор ориентационных вариантов мартенсита и реализуются те из них, которые соответствуют деформации, определяемой схемой нагружения. В то же время, при достаточно большой наведенной деформации 8,-, часть этой деформации может реализоваться за счет обычного пластического течения (если среднее или локальные напряжения превзойдут обычный предел текучести о), а потому она необратима. Поэтому для описания способности к формовосстановлению используют и другую характеристику - степень восстановления формы R = е/е,. Чем

Рис. 5.17. Деформация решетки при обратимом превращении В2 (а) 819 (б) в ни-келиде титана. Параметры решеток:

fl = 3,0 А, 6 = с = 4,3 А - В2; а = 2,9 А, 6 = 4,1 А, с = 4,6 А, (3 = 97° - В19. о - атомы Ni, - атомы Ti

ближе к точке деформируем металл, тем больше разность ои о, (см. рис. 5.15) и меньше вероятность получить необратимую пластическую деформацию.

Температурный интервал восстановления формы прямо определяется критическими точками начала (А) и конца (AJ) обратного мартенситного превращения.

В случае ОЭПФ происходит двустороннее изменение формы: в интервале А-Ау при нагреве и M-Mj- при охлаждении.

Температурный интервал легкой деформации, наводящей ЭПФ, располагается вблизи критической точки начала прямого мартенситного превращения Л/у (см. рис. 5.15). В этой температурной области минимальное значение принимает критическое напряжение легкой деформации, которое представляет собой фазовый предел текучести аустенита или критическое напряжение переориентации мартенсита (рис. 5.15).

Температуры М, Mj-, А, Aj зависят от состава сплава и его структуры, определяемой термической и термомеханической обработками.

СПФ могут не только восстанавливать форму, но и развивать при этом большие усилия. Это - реактивное напряжение, генерируемое СПФ в условиях восстановления формы при внешнем механическом противодействии (рис. 5.18).

Максимальное реактивное напряжение тем выше, чем больше жесткость противодействия, запрещенная деформация и сопротивление сплава пластической деформации.

ОЭПФ, как одно из проявлений ЭПФ, характеризуется своими обратимой деформацией, степенью восстановления формы, реактивными напряжениями. Температурных интервалов восстановления формы в этом случае два, они соответствуют изменениям формы при прямом и обратном мартенситных превращениях. Кроме того, здесь на первый план выдвигается еще одно свойство - термоциклическая стабильность и долговечность ОЭПФ.

Сверхупругость также характеризуется своими свойствами: обратимой деформацией, степенью восстановления формы, температурным интервалом проявления сверхупругости, максимальным и мини-

стр, МПа

7-,°С

Рис. 5.18. Генерация реактивного напряжения в ходе нагрева при внешнем противодействии восстановлению формы. Величина наведенной деформации е,-, %: 1 (7); 6 (2); 8 (5); 10 (4)

мальным напряжением сверхупругого возврата, их стабильностью при сверхупругом механоциклировании.

Управление комплексом свойств СПФ - важнейшая проблема современного металловедения. Для расширения возможностей практического применения СПФ необходимо целенаправленно и прецизионно регулировать температурный интервал мартенситных превращений, повысить обратимую деформацию и степень восстановления формы, реактивное напряжение и т. д.

Все перечисленные функциональные свойства СПФ являются структурно-чувствительными. Поэтому эффективными способами управления ими служат такие традиционные методы формирования структуры и субструктуры как термическая и термомеханическая (ТМО) обрабопси.

Управление структурой и свойствами нитинола методами термической и термомеханической обработки

Термическая обработка

Применительно к сплавам на основе никелида титана основными видами термообработки являются закалка, старение после закалки и свободное термоциклирование через температурный интервал мартенситных превращений [23].

Закалка. Закалка СПФ Ti-Ni составов, близких к эквиатомному, предусматривает нагрев до температур существования стабильной рекрис-таллизованной высокотемпературной фазы (В2-аустенит) (рис. 5.19), выдержку при этих температурах и охлаждение со скоростью, достаточной для фиксации высокотемпературного структурного состояния к моменту начала мартенситного превращения.

В таком виде закалка используется для смягчения сплава, устранения влияния термомеханической предыстории и восстановления его свойств, гомогенизации твердого раствора, измельчения аустенитного зерна, предотвращения старения в процессе охлаждения.

Структурное состояние и свойства СПФ после закалки рекристалли-зованного аустенита служат элементом сравнения для других термических и термомеханических обработок: обсуждение и оценка любых изменений структурных и функциональных параметров СПФ в результате термической или термомеханической обработки обычно имеют смысл при соотнесении их с соответствующими параметрами, полученными обычной закалкой, предусматривающей резкое охлаждение рекри-сталлизованного, гомогенного аустенита.

В связи с небольшой склонностью к росту зерна, температуры нагрева под закалку сплавов Ti-Ni обычно лежат в интервале 700...900 °С. При этом формируется рекристаллизованный, мелкозернистый, однородный по составу В2-аустенит.

Высокая скорость охлаждения особенно важна при закалке стареющих сплавов Ti-Ni, содержащих > 50,5 % (ат.) Ni (см. рис. 5.19). В этих сплавах при недостаточной скорости охлаждения (например, охлаждения на воздухе) в области температур ниже 600 °С из В2-фазы может вьще-литься избыточная фаза, что приведет к неконтролируемому изменению картины превращений и свойств. Поэтому обогащенные никелем сплавы закаливают в воде или щелочном растворе.

Специфической термообработкой является закалка из расплава, которая вносит существенные изменения в фазовое состояние, структуру и свойства СПФ по сравнению с обычной закалкой массивных образцов. Эти изменения определяются неоднородным распределением элементов, резким измельчением аустенитного зерна и кристаллов мартенсита, возникновением высокой плотности дислокаций, а также кристаллографической текстуры. Упрочнение и преимущественная ориентировка зерен аустенита способствует повышению силовых характеристик, обратимой деформации, степени восстановления формы, а измельчение зерна и увеличение дефектности структуры снижает мартенситный интервал.

Старение. Большинство практически важных СПФ на основе никелида титана имеют резкую концентрационную зависимость характеристических температур интервала мартенситных превращений. Так, изменение содержания никеля на 0,1 % в заникеленных сплавах Ti-Ni влечет изменение точки Ч на 10...20 °С. Это создает проблему получения требуемого интервала только за счет точного попадания в состав , тем более что интервал изменяется при многократной реализации ЭПФ и ОЭПФ, а также при термоме-

54 58 Ni,% (ат.)

Рис. 5.19. Диафамма фазового равновесия в системе Ti-Ni в области эк-виатомного состава