Микроструктурная модель процессов двойникования и раздвойникования мартенситной фазы в сплавах с памятью формы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье на примере сплава с памятью формы Cu–Al–Ni обоснован подход к описанию на микроструктурном уровне процессов двойникования и раздвойникования мартенситной фазы. Согласованная двойниковая мартенситная структура описывается уравнением совместности Адамара для деформаций, решение которого позволило определить поверхности, вдоль которых происходит сдвиг, направления и величину скольжения в орторомбической кристаллической ячейке, соответствующей рассматриваемому материалу в мартенситном состоянии, приводящих к появлению и исчезновению двойниковой структуры. Показано, что в сплаве с памятью формы одновременно и неразрывно существуют двойники двух видов: деформационный и структурный. Первый связан с деформацией простого сдвига, возникающей в соответствии с условием совместности Адамара в мартенситной пластине, что приводит к излому этой прямой пластины и возникновению двух элементов, повернутых на определенный угол друг относительно друга, которые и формируют этот двойник. Структурный двойник формируется из двух частей, в каждой из которых орторомбические кристаллические ячейки мартенсита одинаково ориентированы, но одна из осей этих ячеек меняет свое направление на 90° при переходе в другую часть двойника. Формирование деформационного двойника инициирует возникновение в среде деформации простого сдвига, а структурного двойника — структурной деформации. Показано, что определенное положение структурного двойника в деформационном приводит к равенству этих деформаций.

Об авторах

Анатолий Алексеевич Роговой

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: rogovoy@icmm.ru
ORCID iD: 0000-0003-1723-0067
https://www.mathnet.ru/person53988

доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник; лаб. нелинейной механики деформируемого твердого тела

Россия, 614018, Пермь, ул. Академика Королева, 1

Список литературы

  1. Bhattacharya K. Wedge-like microstructure in martensites // Acta Metal. Mater., 1991. vol. 39, no. 10. pp. 2431–2444. DOI: https://doi.org/10.1016/0956-7151(91)90023-T.
  2. Hane K. F., Shield T. W. Symmetry and microstructure in martensites // Philos. Mag. A, 1998. vol. 78, no. 6. pp. 1215–1252. DOI: https://doi.org/10.1080/01418619808239984.
  3. Hane K. F., Shield T. W. Microstructure in a copper–aluminium–nickel shape memory alloy // Proc. R. Soc. Lond. A, 1999. vol. 455, no. 1991. pp. 3901–3915. DOI: https://doi.org/10.1098/rspa.1999.0482.
  4. Hane K. F., Shield T. W. Microstructure in a cubic to orthorhombic transition // J. Elast., 2000. vol. 59. pp. 267–318. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1011051204615.
  5. Vedantam S. Constitutive modeling of Cu–Al–Ni shape memory alloys: Doctoral Dissertation. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2000. https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/34342.
  6. Vedantama S., Abeyaratneb R. A Helmholtz free-energy function for a Cu–Al–Ni shape memory alloy // Int. J. Non-Linear Mechan., 2005. vol. 40. pp. 177–193. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2004.05.005.
  7. Truesdell C. A First Course in Rational Continuum Mechanics. vol. 1: General Concepts / Pure and Applied Mathematics. vol. 71. New York: Academic Press, 1977. xxiii+280 pp.
  8. Лихачев В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. СПб.: Наука, 1993. 471 с.
  9. Панин В. Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех., 1998. Т. 1, №1. С. 5–22. EDN: KWPHTL.
  10. Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Основы физической мезомеханики пластической деформации и разрушения твердых тел как нелинейных иерархически организованных систем // Физ. мезомех., 2015. Т. 18, №5. С. 100–113. EDN: UXWCCP. DOI: https://doi.org/10.24411/1683-805X-2015-00058.
  11. Трусов П. В., Швейкин А. И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. Новосибирск: СО РАН, 2019. 605 с. EDN: BCSSTZ.
  12. Трусов П. В., Ашихмин В. Н., Волегов П. С., Швейкин А. И. Определяющие соотношения и их применение для описания эволюции микроструктуры // Физ. мезомех., 2009. Т. 12, №3. С. 61–71. EDN: LAJDAL.
  13. Трусов П. В., Швейкин А. И., Кондратьев Н. С., Янц А. Ю. Многоуровневые модели в физической мезомеханике металлов и сплавов: результаты и перспективы // Физ. мезомех., 2020. Т. 23, №6. С. 33–62. EDN: ZDSCJX. DOI: https://doi.org/10.24411/1683-805X-2020-16003.
  14. Belyaev F. S., Evard M. E., Volkov A. E. Simulation of the plastic deformation of shape memory alloys considering shear anisotropy on the slip plane // Mater. Phys. Mech., 2023. vol. 51, no. 1. pp. 61-67. EDN: EBDDNG DOI: https://doi.org/10.18149/MPM.5112023_6.
  15. Беляев Ф. С., Волков А. Е., Евард М. Е. Микроструктурное моделирование обратимой и необратимой деформации при циклическом термомеханическом нагружении никелида титана // Вестн. Тамбов. унив. Сер. Естествен. и техн. науки, 2013. Т. 18, №4. С. 2025–2026. EDN: RAISVF.
  16. Роговой А. А., Столбова О. С., Столбов О. В. Численное моделирование эволюции магнитной микроструктуры в сплавах Гейслера // ПМТФ, 2021. №5. С. 195–207. EDN: UBSKYK. DOI: https://doi.org/10.15372/PMTF20210519.
  17. Rogovoy A. A., Stolbova O. S. Microstructural modeling of the magnetization process in Ni$_2$MnGa alloy polytwin crystals // Magnetochem., 2022. vol. 8, no. 8, 78. EDN: CUASII. DOI: https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8080078.
  18. Rogovoy A. A., Stolbova O. S. Microstructural model of the behavior of a ferroalloy with shape memory in a magnetic field // Mech. Adv. Mater. Struct., 2022. vol. 31, no. 2. pp. 387–406. EDN: ZAQSCS. DOI: https://doi.org/10.1080/15376494.2022.2114046.
  19. Rogovoy A. A., Stolbova O. S. Microstructural model of magnetic and deformation behavior of single crystals and polycrystals of ferromagnetic shape memory alloy // Magnetochem., 2023. vol. 9, no. 2, 40. EDN: QIEPUX. DOI: https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9020040.
  20. Rogovoy A. A., Stolbova O. S. Microstructural model of magnetic and deformation behavior of single crystals and polycrystals of ferromagnetic shape-memory alloy / H. Altenbach, V. Eremeyev (eds). Advances in Linear and Nonlinear Continuum and Structural Mechanics / Advanced Structured Materials, 198. Cham: Springer. pp. 397–442. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-43210-1_23.
  21. Rogovoy A. A., Stolbova O. S. An approach to describe the twinning and detwinning processes of the martensitic structure in ferromagnetic alloy with shape memory in magnetic and force fields // Mech. Adv. Mater. Struct., 2024 (to appear). DOI: https://doi.org/10.1080/15376494.2024.2355627.
  22. Роговой А. А. Формализованный подход к построению моделей механики деформируемого твердого тела. Часть 1. Основные соотношения механики сплошных сред. Пермь: УрО РАН, 2020. 288 с. EDN: UTXNLG.
  23. Косилов А. Т., Юрьев В. А. Профилированные монокристаллы Cu–Al–Ni с эффектами псевдоупругости и памяти формы // Междун. научн. ж. Альтернативная энергетика и экология, 2015. №3. С. 49–61. EDN: TPPDCP.
  24. Otsuka K., Shimizu K. Morphology and crystallography of thermoelastic Cu–Al–Ni martensite analyzed by the phenomenological theory // Trans. JIM, 1974. vol. 15, no. 103–108. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans1960.15.103.
  25. Лурье А. И. Нелинейная теория упругости. М.: Наука, 1980. 512 с.
  26. James R. D. Finite deformation by mechanical twinning // Arch. Ration. Mech. Anal., 1981. vol. 77. pp. 143–176. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00250621.
  27. Gurtin M. E. Two-phase deformations of elastic solids // Arch. Ration. Mech. Anal., 1983. vol. 84. pp. 1–29. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00251547.
  28. Yasunaga M., Funatsu Y., Kojima S., et al. Measurement of elastuc constant // Scripta Metallurg., 1983. vol. 17, no. 9. pp. 1091–1094. DOI: https://doi.org/10.1016/0036-9748(83)90460-X.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кубическая $\rm D0_3$ ячейка (a) и диагональная плоскость, содержащая векторы $\tilde{{\boldsymbol e}}_1$ и $\tilde{{\boldsymbol e}}_3$ или векторы $\tilde{{\boldsymbol e}}_2$ и $\tilde{{\boldsymbol e}}_3$ (b); атомы показаны не на всех гранях и ребрах рис. (a)

Скачать (97KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Расположение тетрагональной кристаллической ячейки в кубических ячейках; атомы показаны не на всех гранях и ребрах кубов тетрагональной ячейки

Скачать (87KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Расположение тетрагональной кристаллической ячейки относительно фиксированной кубической

Скачать (63KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Положение сечений орторомбических кристаллических ячеек мартенсита относительно сечения кубической ячейки аустенита, нормали к плоскости сдвига и направление вектора сдвига в орторомбических ячейках

Скачать (94KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Деформационный двойник и положение в нем элементов структурного двойника; угол сдвига совпадает с углом излома мартенситной пластины

Скачать (53KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (a) Деформационный двойник и положение в нем элементов структурного двойника; угол сдвига не совпадает с углом излома мартенситной пластины; (b) к определению связи между углами сдвига и излома; $AC$ на рис. (a) и (b) одна и та же материальная прямая

Скачать (85KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).