PL174963B1 - Stop na osnowie miedzi o własnościach supersprężystych oraz sposób jego obróbki cieplnej - Google Patents

Abstract

1. Stop na osnowie miedzi o własnościach supersprężystych, znamienny tym, że zawiera 74,5 do 86% wagowych Cu, 9 - 14% wagowych Al, 4 - 11% wagowych Mn oraz do 0,5% wagowych Ti, B i Zr. 2. Sposób obróbki cieplnej stopu, znamienny tym, że stop o składzie 74,5 do 86% wagowych Cu, 9 - 14% wagowych Al, 4 -11% wagowych Mn oraz do 0,5% wagowych Ti, B i Zr wyżarza się w temperaturze 600 - 900°C przez okres 5 do 60 minut, a następniepoddaje się go hartowaniu w wodzie o temperaturze 30 - 70°C.

Description

Przedmiotem wynalazku jest polikrystaliczny stop na osnowie miedzi o własnościach supersprężystych, to znaczy odkształcający się po przyłożeniu siły do około 2% przyrostu długości i powracający do stanu wyjściowego po jej odjęciu oraz sposób obróbki cieplnej takiego stopu.

Odkształcenie supersprężyste do 2% stanowi około 10 krotnie większą wartość od umownie przyjętej granicy plastyczności dla stopów metali nieżelaznych wynoszącej 0,2%. Stop o takich właściwościach pozwala na wielokrotne powtarzalne odkształcenie sprężyste do 2%, przy zwiększeniu wielkości odkształcenia, stop nadal wraca do stanu wyjściowego, lecz pozostaje niewielkie odkształcenie trwałe.

Podstawą odkształcenia supersprężystego jest odwracalna przemiana martenzytyczna, która powoduje że podczas odkształcenia powyżej temperatury początku przemiany martenzy tycznej M_s następuje tworzenie płytek martenzytu, najczęściej w formie bliźniaczej [K. Otsuka and K. Shimizu, International Metals Review, 31, (1986), 93 - 114], o najkorzystniejszej orientacji w stosunku do danego kierunku przyłożenia siły. Przyrost siły powoduje wzrost lub powstawanie nowych płytek, które kompensują zmianę długości wskutek działania siły. Po zdjęciu obciążenia materiału, martenzyt w próbce staje się niestabilny termodynamicznie z uwagi na fakt, że powstał wskutek zaistniałych naprężeń w próbce przy temperaturze powyżej Af, czyli końca przemiany odwrotnej (martenzyt -> faza macierzysta). W takim przypadku martenzyt zaczyna zanikać poprzez ruch granic międzyfazowych, przy zachowaniu ścisłej zależności krystalograficznej z osnową, czemu towarzyszy stopniowy powrót do kształtu początkowego. W przypadku gdy odkształcenie nie przekracza kilku procent, całość deformacji materiału zachodzi drogą tworzenia płytek martenzytu. Po zdjęciu sity, martenzyt zanika i następuje powrót do stanu wyjściowego. Zjawisko to przypomina stan sprężysty materiału, lecz zachodzi przy stałym lub nieznacznie rosnącym naprężeniu, czyli nie jest spełnione prawo Hooke’a. Z tego powodu zjawisko to nazywane jest efektem pseudosprężystym.

Dotychczas efekt pseudosprężysty uzyskano w polikrystalicznych stopach NiTi [K. Otsuka and K. Shimizu, International Metals Review, 31, (1986), 93 - 114], które znalazły szereg zastosowań. W stopach na osnowie miedzi efekt pseudosprężysty w zakresie do 7% wydłużenia uzyskano w monokryształach stopów CuZnAl, czy CuZnSn [K. Otsuka and K. Shimizu, International Metals Review, 31, (1986), 93 - 114; T. Tadaki, K. Otsuka, K. Shimizu, Ann. Rev. Mater. Sci., 18, (1988), 24 - 45], Stop polikrystaliczny CuZnAl [N. Ono, Materials Trans. JIM, 31, (1990), 381 - 385] wykazuje dość znaczne odkształcenie trwałe, nawet w zakresie kilku procent wydłużenia.

174 963

Nieoczekiwanie okazało się, że sposobem według wynalazku, możliwe jest otrzymanie stopu o składzie według wynalazku, o bardzo dobrych własnościach pseudosprężystych, który po odkształceniu rzędu kilku procent powraca prawie całkowicie do stanu wyjściowego.

Stop według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera 74,5 do 86% wagowych Cu, 9 - 14% wagowych Al, 4 - 11% wagowych Mn oraz do 0,5% wagowych Ti, B i Zr.

Sposób obróbki cieplnej stopu według wynalazku polega na tym, że stop o składzie 74,5 do 86% wagowych Cu, 9 -14% wagowych Al, 4 -11% wagowych Mn oraz do 0,5% wagowych Ti, B i Zr, wyżarza się w temperaturze 600 - 900°C przez okres 5 do 60 minut, a następnie poddaje się hartowaniu w wodzie o temperaturze 30 - 70°C.

Sposób według wynalazku pozwala na uzyskanie dobrych własności pseudosprężystych w stopie CuAlMn z mikrododatkami B, Ti i Zr.

Na załączonych rysunkach przedstawiono wyniki badań stopu według wynalazku oraz jego mikrostrukturę optyczną.

Figura 1 przedstawia krzywe rozciągania stopu CuAlMn według wynalazku, przy użyciu maszyny wytrzymałościowej INSTRON po odpowiedniej obróbce cieplno-mechanicznej. Widoczny jest prawie całkowity powrót do stanu wyjściowego po odkształceniu w cyklu I do około 3,4%. Przy trochę większym odkształceniu w cyklu III do około 3,6% wydłużenia, obserwuje się po odciążeniu niewielkie odkształcenie trwałe wynoszące około 0,05%. Jest ono związane z odkształceniem plastycznym martenzytu w pobliżu granic ziarn, gdzie następuje koncentracja naprężeń. Po wielu próbach zoptymalizowano zawartość dodatków i mikrododatków stopowych zapewniając optymalne własności pseudosprężyste, przy podwyższonej oporności na pękanie.

Figura 2 przedstawia mikrostrukturę optyczną opracowanego stopu CuAlMn, która pozwala na ocenę wielkości ziarna w tym stopie na około 150 pm. Pewne zredukowanie wielkości ziarna okazało się konieczne z uwagi na skłonność stopów CuAlMn o strukturze β do pękania. Dzięki zastosowaniu odpowiednich dodatków stopowych i obróbki cieplnej, stop może być odkształcany plastycznie na zimno (w celu nadania żądanego kształtu) po uprzednim odkształceniu na gorąco. Fig. 3 przedstawia mikrostrukturę optyczną stopu CuAlMn odkształconego plastycznie in situ pod mikroskopem optycznym do około 2%. Widoczny jest szereg płytek martenzytu w ziarnach, na ogół po jednym systemie orientacji w każdym ziarnie. Po zdjęciu naprężenia, płytki w znacznej większości zanikają lub kurczą się do minimalnych rozmiarów. Mikrostruktura ta świadczy o tym, że odkształcenie w stopie zachodzi według przemiany fazy β w martenzyt, co jest podstawą efektu pseudosprężystego.

Figura 4 przedstawia krzywe mikrokalorymetryczne stopu CuAlMn wykazującego własności super sprężyste w temperaturze pokojowej. Widoczne są dwa typy maksimów, jedno egzotermiczne uzyskane podczas chłodzenia odpowiadające przemianie martenzytycznej oraz drugie endotermiczne uzyskane podczas ogrzewania związane z przemianą odwrotną. Krzywe te pozwalają na wyznaczenie temperatur charakterystycznych przemiany martenzytycznej, a w szczególności Ms, odpowiadającej początkowi przemiany martenzytycznej oraz Af, czyli końca przemiany odwrotnej, która ogranicza dolny zakres temperaturowy stosowania efektu pseudosprężystości. Wielkości ciepła przemiany mierzone jako powierzchnie pików od przemiany martenzytycznej i odwrotnej są w obu przypadkach równe, co świadczy o całkowitej odwracalności przemiany oraz stanowi warunek odkształcenia pseudosprężystego i stosowania pamięci kształtu.

Na figurze 5 przedstawiono krzywą zależności naprężania od wydłużenia uzyskane podczas próby rozciągania stopu z przykładu I, przy pomocy maszyny wytrzymałościowej INSTRON. Widoczny jest prawie doskonały powrót do stanu wyjściowego po odkształceniu w cyklu I do 2,8% wydłużenia i odciążeniu. Odkształcenie trwałe wynosi wówczas tylko 0,05%.

Na figurze 6 przedstawiono krzywe zależności naprężenia od odkształcenia uzyskane w procesie rozciągania dla stopu przygotowanego w przykładzie II (porównawczym). Uzyskano tu znacznie gorsze własności pseudosprężyste, a to w I próbie po wydłużeniu 2,3% i odciążeniu pozostaje odkształcenie trwałe 0,15%, a w II próbie po wydłużeniu 3,5% i odciążeniu pozostaje odkształcenie trwałe 0,3%. Wynik ten jest znacznie gorszy od przedstawionego na fig. 5.

174 963

Odpowiedź na takie zachowanie stopu daje mikrostruktura po hartowaniu wykazująca podobieństwo do widocznej na fig. 3.

Otrzymany polikrystaliczny stop na osnowie miedzi według wynalazku wykazuje bardzo dobre własności pseudosprężyste w granicach do 2,5%. Stwarza to możliwości zastosowania go tam, gdzie stosowanie stopów NiTi jest zbyt kosztowne. Nie bez znaczenia jest fakt, że podstawowe dodatki stopowe jak miedź, aluminium i mangan są stosunkowo niedrogie, a pozostałe jak bor, tytan i cyrkon występują w niewielkich ilościach. Stop ten jest zatem znacznie tańszy od stopu NiTi i to nie tylko zz względu na skład, ale i na znacznie prostszą i niiże temperaturową technologię jego przygotowania.

Poniżej przedstawiono przykłady wykonania wynalazku, nie ograniczające jego zakresu.

Przykład I. Przygotowano stop o następującym składzie:

Cu	80,84% wagowych
Al	9,71% wagowych
Mn	9,438% wagowych
B	0,002% wagowych
Ti	0,01% wagowych

Stop odlano w piecu Balzersa pod osłoną argonu. Po przewalcowaniu na gorąco stop wyżarzano w temperaturze 850°C, a następnie hartowano w wodzie o temperaturze 55°C. Z danych mikrokalorymetrycznych uzyskano następujące temperatury charakterystyczne przemiany martenzytycznej: M_S=-29°C, Mf=-49°C, A_S=-35°C, Af=1°C. Na fig. 5 przedstawiono krzywą zależności naprężania od wydłużenia uzyskane podczas próby rozciągania przy pomocy maszyny wytrzymałościowej INSTRON. Widoczny jest prawie doskonały powrót do stanu wyjściowego po odkształceniu w cyklu I do 2,8% wydłużenia i odciążeniu. Odkształcenie trwale wynosi wówczas tylko 0,05%. Przy odkształceniu cyklu II do 4,6% wydłużenia obserwuje się po odciążeniu odkształcenie trwałe około 0,15%.

Przykład II (porównawczy). Stop o składzie jak w przykładzie I wygrzewano w temperaturze 750°C, a następnie hartowano w wodzie o temperaturze pokojowej. Na fig. 6 przedstawiono krzywe zależności naprężenia od odkształcenia uzyskane w procesie rozciągania dla tak przygotowanego stopu. Uzyskuje się znacznie gorsze własności pseudosprężyste, a to w I próbie po wydłużeniu 2,3% i odciążeniu pozostaje odkształcenie trwałe 0,15%, a w II próbie po wydłużeniu 3,5% i odciążeniu pozostaje odkształcenie trwałe 0,3%. Wynik ten jest znacznie gorszy od przedstawionego na fig. 5. Odpowiedź na takie zachowanie stopu daje mikrostruktura po hartowaniu wykazująca podobieństwo do widocznej na fig. 3, z licznymi igłami martenzytu utworzonymi w związku z większą szybkością chłodzenia stopu, (niższa temperatura kąpieli hartującej) i mniejszą różnicą temperatur pomiędzy M_s a temperaturą kąpieli. Podczas odkształcenia igły istniejące po hartowaniu ulegają odkształceniu plastycznemu i przyczyniają się do powiększenia odkształcenia trwałego.

174 963

174 963

Fig. 3

Fig. 4

174 963

Fóg. 5

Fig. 6

174 963

Fig. 1

^200pm | ^Ril·²

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Stop na osnowie miedzi o własnościach supersprężystych, znamienny tym, że zawiera 74,5 do 86% wagowych Cu, 9 - 14% wagowych Al, 4-11% wagowych Mn oraz do 0,5% wagowych Ti, B i Zr.
2. 2. Sposób obróbki cieplnej stopu, znamienny tym, że stop o składzie 74,5 do 86% wagowych Cu, 9 - 14% wagowych Al, 4 - 11% wagowych Mn oraz do 0,5% wagowych Ti, B i Zr wyżarza się w temperaturze 600 - 900°C przez okres 5 do 60 minut, a następnie poddaje się go hartowaniu w wodzie o temperaturze 30 - 70°C.