Эффект памяти формы (ЭПФ)

Краткое описание ЭПФ сводится к следующему. Объект, продеформированный и разгруженный в условиях существования низкотемпературного мартенсита (обычно ниже M_f – температуры, при которой мартенситное превращение полное), будет восстанавливать свою начальную форму при нагреве в температурном интервале А_s — А_f, где происходит обратное превращение мартенсита в исходную фазу. Деформации (т. е. области деформированного мартенсита) порядка 6 – 8 % полностью отпускаются. Процесс восстановления первоначальной формы однозначно связан с обратным превращением в деформированной мартенситной фазе.

В настоящее время достигнут существенный прогресс в понимании природы ЭПФ. Монокристалл исходной фазы может обычно превращаться в мартенсит 24 ориентационных вариантов (варианты {HKL}). Но когда эта многоориентационная конфигурация мартенсита деформируется, в конечном счете, появляется одна ориентация мартенсита, как следствие двойникования и движения определенных мартенситных межфазных границ. Показано, что в результате двойникования один вариант мартенсита может обращаться в другой. Эти двойники, которые образуются в деформированном мартенсите, представляют собой просто другие ориентации (варианты мартенсита). Подобное обращение происходит тогда, когда границы мартенсит ‑ мартенсит движутся под действием напряжения, вследствие чего пластина одной ориентации растет за счет другой. В итоге остается только один вариант мартенсита (из 24 первоначальных) и эта единственная ориентация является таким вариантом мартенсита, сдвиговая компонента деформации, которого будет допускать максимальное удлинение образца как целого в направлении оси растяжения. Полная деформация определяется переориентацией вариантов мартенсита двойникованием, если дислокации скольжения перемещаются, то память формы становится несовершенной.

Хотя начальный кристалл исходной фазы превращается в мартенсит множества ориентаций, обратная ситуация не имеет места. Монокристалл мартенсита, возникающий вследствие деформации ниже температуры M_f, превращается во время нагрева в одну ориентацию исходной фазы. Это является следствием симметрии решеток мартенсита и исходной фазы и необходимости сохранить атомное упорядочение во время обратного превращения. В связи с этим отметим, что исходная фаза с высокой симметрией (обычно кубической) имеет много эквивалентных путей для осуществления изменения решетки исходная фаза → мартенсит, приводя, таким образом, к многочисленным вариантам наблюдаемого мартенсита. В то же время, относительно несимметричный мартенсит, например моноклинный в промышленном сплаве Сu — Zn — Al, не имеет такого многочисленного выбора, поэтому обычно только один вариант исходной фазы (фактически, начальный) образуется при обратном превращении мартенсита (деформированного) в исходную фазу.

В соответствии с приведенными рассуждениями, монокристалл мартенсита не сдвигается при образовании монокристалла исходной фазы, такой «несдвиг» во время обратного превращения возвращает образец в его первоначальную форму. Схематически процесс памяти формы отражен на рис. а. Этот процесс представляется универсальным по природе и не относится к какой-либо конкретной системе сплава или кристаллической структуре мартенсита.

а б

Рис. а- Схематическое представление процессов, связанных с ЭПФ.

1 ‑ мартенситное превращение при закалке, макроскопического изменения формы нет, 2 ‑деформация путем коалесценции под напряжением различных вариантов мартенсита (ниже М_f),

3 ‑ разгружение, изменения формы не происходит.

4 ‑обратное фазовое превращение при нагреве,

возврат первоначальной формы

Рис. б - Кривая напряжение – деформация для деформированного

ниже M_f сплава Сu — Zn (39,8 %) с памятью формы.

Отмечается низкое напряжение течения α',

связанное с деформацией мартенсита

На рис. б показана кривая напряжение – деформация для сплава Сu — Zn с ЭПФ, монокристаллический образец которого деформировали ниже температуры M_f. Видно, что мартенсит начинает деформироваться (α')при относительно низком напряжении 35 МПа. Остаточная деформация в точке в полностью исчезает во время нагрева.