Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 5, стр. 108-112

Проблема повышения деформируемости и физико-механических свойств конструкционных материалов, особенно хрупких и малопластичных наноструктурных сплавов, является важной как в научном, так и в прикладном значении. К материалам с ограниченной деформационной способностью относятся исследуемые титановые сплавы – технически чистый титан ВТ1-0, двухфазный сплав (α + β) ВТ6 и интерметаллид TiNi с эффектом памяти формы (ЭПФ), обладающие высоким комплексом служебных свойств, особенно в наноструктурном (НС) и ультрамелкозернистом (УМЗ) состояниях [1–5].

Получение длинномерных изделий тонкого сечения (проволоки, фольги, листа) с высокими механическими свойствами из этих сплавов является непростой задачей, что связано с быстрым упрочнением материала при холодной деформации, а деформирование при повышенных температурах приводит к снижению прочности. В качестве альтернативного решения можно рассматривать применение электропластической деформации (ЭПД), основанной на стимулирующем эффекте электрического тока.

Для определения механизма ЭПД важно оценить величину сопутствующих эффектов, в частности теплового эффекта ∆t = t_обр – t_комн, где t_обр – температура образца, t_комн – комнатная температура при деформации, либо совместном действии деформации и тока. Рассмотрим результаты теоретического и экспериментального исследования теплового вклада в сплаве TiNi при прокатке и при растяжении с током и без тока.

В процессе электропластической прокатки (ЭПП) происходит повышение температуры за счет деформационного и электроимпульсного воздействия, т.е. пластической деформации и нагрева током. Генерируемый тепловой поток распределяется между валками и деформируемым образцом (полосой с размерами 2 × 8 × 130 мм) пропорционально их теплофизическим свойствам.

Кинетическая энергия упругопластической деформации является источником контактного теплообразования при прокатке металлов. В зависимости от ее величины контактная температура может колебаться от комнатной, при низких значениях энергии и небольших скоростях деформации, до температуры плавления – при больших значениях энергии и высоких скоростях деформации. Из-за дискретности площади контакта при прокатке необходимо различать среднюю контактную температуру, объемную и температурную вспышку.

Общее количество тепла, генерируемого при ЭПП распределится между прокатываемой полосой и валками в зависимости от их теплофизических свойств

где Q₁, Q₂, Q₃ – количество теплоты, соответственно, поглощенное полосой и валками.

Количество теплоты, поглощаемое двумя валками, одинаково: Q₂ = Q₃.

Общее количество теплоты, образующееся при прокатке с током, выраженное через мощность W, имеет вид

где Р – сила; V – скорость прокатки; I – сила тока; U – напряжение; τ – длительность действия тока.

С учетом формулы (2) запишем формулу (1)

Тогда, при импульсных процессах при прокатке с током в связи с кратковременностью процесса для расчета контактной температуры между валками и прокатываемой полосой, температурных полей и градиента температуры при прокатке можно воспользоваться формулами, представленными в работе [6].

По данным [7] величина конвективной теплоотдачи с металлической поверхности составляет 60 ккал/м² ч, однако, в процессе листовой прокатки за доли секунды динамического контактирования валка с полосой мгновенная площадь их контакта составляет всего 2–3 мм², поэтому величина конвективной теплоотдачи мала и ею в балансе тепла пренебрегаем. Такая модель дана для конкретного способа деформации (прокатка). В ней не учтено структурное состояние материалов (размер зерен) и другой возможный способ деформации (растяжение).

Тепловые и физико-механические свойства прокатываемых материалов и валков приведены в табл. 1.

Тепловой эффект при растяжении без тока. Рассмотрим тепловой эффект при растяжении лопаточных образцов из нитинола (с размерами 0.3 × 2 × 50 мм и с расчетной длиной 20 мм) с крупнозернистой структурой (КЗ) и зеренной нанокристаллической структурой (НС).

Процесс статического растяжения без тока сопровождается неоднородным нагревом образца, зависящим от структурного состояния материала. Для исходного КЗ- и НС-образцов на термограммах наблюдаются полосы (участки) макро- или микронеоднородности размером, соответственно 3–5 мм (рис. 1а) и 200–300 мкм (рис. 1б), подъем температуры, в которых не превышает 2°С, по сравнению с комнатной температурой.

Для обоих случаев максимальная температура достигается на участке фазового превращения соответствующим плато (рис. 2а, б). В обоих случаях тепловой эффект связанный с деформацией меньше, чем тепловой эффект от фазового превращения.

Тепловой эффект при растяжении с током. Наблюдаемые явления при растяжении с током носят более сложный характер по сравнению с обычным растяжением. Это связано с тем, что каждый импульс тока вызывает кратковременный разогрев – охлаждение, которые в свою очередь стимулируют прямое и обратное превращение аустенита ↔ в мартенсит: А ↔ М.

Импульс тока в КЗ-образце вызывает мгновенный подъем температуры и связанное с ним обратное превращение М → А, видимое на термограмме как светлое поле по всей длине образца (рис. 3а). На термограмме НС-образца такой же импульс тока вызывает такое же превращение, которое в отличие от КЗ-образца, стимулирует превращение М → А в виде отдельных полос (рис. 3б). Таким образом, в НС-состоянии фазовое превращение под действием одиночного импульса тока тормозится и осуществляется отдельными полосами по длине образца.

На рис. 4 приведены зависимости напряжения и средней температуры от времени при растяжении. Они показывают, что подъем температуры вызванный деформацией и током составляет до 45°С (рис. 4а) и 17°С (рис. 4б), соответственно, для КЗ и НС. На кривых растяжения каждый импульс тока соответствует скачку напряжения вверх или вниз. Природа указанных скачков в обоих состояниях связана с конкуренцией проявления двух одновременно действующих разнонаправленных эффектов – эффекта памяти формы (скачки вверх) и электропластического эффекта (скачки вниз). Подробно природа таких скачков рассматривается и объясняется в работе [8].

Тепловой эффект и, соответственно, подъем температуры при растяжении с током на два порядка выше, чем при растяжении без тока (сравни рис. 2 и 4).

Сравнение полученных выше результатов показывает, что величина теплового эффекта в случае КЗ-состояния выше, чем в НС-состоянии, причем наиболее заметно при растяжении с током. Полученный результат можно объяснить более низкой теплопроводностью сплавов в нанокристаллическом состоянии, что в свою очередь связано с высокой плотностью кристаллических дефектов (границ зерен, дислокаций). Действительно в обзоре [1] показано, что теплопроводность уменьшается с уменьшением размеров зерна.

Выводы. При расчете теплового эффекта необходимо учитывать структурное состояние материалов (размер зерен). Величина теплового эффекта в случае КЗ состояния выше, чем в НС состоянии, причем наиболее заметно при растяжении с током. Тепловой эффект при растяжении с током на два порядка больше, чем при растяжении без тока.