Патент на изобретение №2169786

(54) АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, ОБЛАДАЮЩИЕ СВОЙСТВАМИ ДЕМПФИРОВАНИЯ И ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к сплавам на основе железа (сталям), обладающим сочетанием памяти формы и демпфирующих свойств. Сталь содержит следующие компоненты, мас. %: Mn 5 – 50; N 0,01 – 0,8; Fe остальное. Дополнительно в состав стали могут быть включены следующие компоненты, мас.%: Cr 0,1 – 20,0; Ni 0,1 – 20,0; Со 0,1 – 20,0; Si 0,1 – 8,0; Сu 0,1 – 3,0; V 0,1 – 1,0; Nb 0,1 – 1,0; Mо 0,1 – 3,0; С 0,001 – 1,0; редкоземельные металлы 0,0005 – 0,02 при соблюдении между элементами определенных количественных соотношений. Задачей изобретения является создание сплава, обладающего превосходной памятью формы, в том числе и обратимым (двусторонним) эффектом памяти формы, высокими демпфирующими свойствами, удовлетворительной коррозионной стойкостью, прочностью и пластичностью. 2 с. и 17 з.п.ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Настоящее изобретение относится к металлам, содержащим азот и обладающим эффектом памяти формы, а также свойством рассеивания упругих колебаний, и, более конкретно/ к сталям с памятью формы.

В настоящем тексте часто упоминаются металлы с эффектом памяти формы или стали, обладающие эффектом памяти формы, хотя подразумевается, что эти металлы, и в частности стали, обладают как эффектом памяти формы, так и демпфирующими свойствами. Соотношение между свойствами памяти формы и демпфирующими характеристиками в этом случае зависит от применяемой композиции.

Металлы с эффектом памяти формы представляют собой металлические материалы, в которых проявляется так называемый односторонний или двусторонний (обратимый) эффект памяти формы. Эффект памяти формы основывается на использовании мартенситных превращений. В случае одностороннего эффекта аустенитный образец (аустенит представляет собой фазовое состояние, стабильное при высоких температурах) при охлаждении образует мартенсит. Если при образовании мартенсита ни одно из направлений не является предпочтительным, например из-за наличия внешних напряжений, форма образца при этом не изменяется. Когда материал деформируется (как правило, менее чем на 10%), двойниковая структура фазы мартенсита перестраивается таким образом, что двойники, имеющие предпочтительную ориентацию по отношению к напряжениям, растут за счет других двойников, так что в результате напряжения может возникнуть новый мартенсит. В том случае, когда образец повторно нагревается до температуры, выше температуры аустенитного превращения, материал может возвращать форму, которой он обладал до деформации.

В некоторых материалах мартенсит не образуется во время охлаждения, но возникает в период деформации. Поскольку двойники существуют в трех измерениях, форма образца может весьма сложно изменяться во время деформации, но тем не менее, при нагревании он возвращается к своей первоначальной форме. Односторонний эффект памяти формы может применяться, например, в соединениях, растягиваемых или предварительно напряженных структурах.

Когда образцы в виде брусков, деформированные под действием напряжения, нагреваются до температуры аустенитной области, то образец восстанавливает свою первоначальную длину (длину до деформации) в том случае, если память формы полностью сохраняется. Восстановление может быть также частичным. Например, если напряжение при восстановлении составляет половину напряжения, возникающего при растяжении, считается, что степень восстановления соответствует 50%.

При двустороннем эффекте памяти формы материал “запоминает две формы”, которые он принимает при нагревании и охлаждении. Разница в температуре между двумя состояниями может составлять всего один градус. Одним из очень важных применений эффекта памяти формы являются так называемые исполнительные механизмы при активном вибропоглощении, в робототехнике, клапанах, тепловых реле и композитных структурах.

Наиболее важными металлами, обладающими эффектом памяти формы, в настоящее время являются металлы на основе Ni-Ti и Cu. Эти металлы довольно-таки дорогостоящие, что является причиной того, что началось развитие металлов на основе железа с эффектом памяти формы, т.е. сталей с эффектом памяти формы. Стали с эффектом памяти формы можно разделить на следующие классы в соответствии с типом кристаллической решетки получаемого мартенсита: ОЦТ (объемноцентрированная тетрагональная решетка), ОЦК (объемноцентрированная кубическая решетка) и ГПУ (гексагональная плотноупакованная решетка). В стали Fe-Ni-Co-Ti ОЦТ-мартенсит образуется из гранецентрированной (ГЦК) мартенситной фазы. ОЦТ-мартенсит, в основном, образуется в сплавах с высокой энергией дефектов упаковки. С этим превращением связаны большие изменения в удельном объеме. В мартенсите такого вида механизм деформации часто, в дополнение к двойникованию, включает скольжение. Признано, что деформация, обусловленная скольжением, ослабляет свойства эффекта памяти формы такого рода сплавов, поскольку является невосстанавливающейся. Если, однако, материал легирован таким образом, что он приобретает так называемые свойства инвара, то деформация скольжения предотвращается, и свойства памяти формы могут быть высокими.

В сталях на основе Fe-Mn-Si с памятью формы при деформации возникает ГПУ-мартенсит. ГПУ-мартенсит обычно возникает в сплавах с малой энергией дефектов упаковки и малым изменением удельного объема. Свойства эффекта памяти формы основаны на том, что деформация возникает при двойниковании, и скольжения практически не возникает.

Примеры сталей с эффектом памяти, в которых при деформации образуется ГПУ-мартенсит, представлены в патентах США NN 4780154, 4933027 и 4929289.

Первый из этих патентов описывает сплав на основе железа следующего состава:
Mn 20 – 40% (вес. %), Si 3,5 – 8,0% и по меньшей мере один из следующих элементов: Cr – 10%, Ni – 10%, Co – 10%, Mo – 2%, C – 1%, Al – 1%, Cu – 1%, остальное – железо и другие примеси.

Во втором упомянутом выше патенте также описывается сплав с эффектом памяти формы на основе железа следующего состава: Cr 5 – 20%, Si 2 – 8%, и по меньшей мере один из следующих элементов: Mn 0,1-14,8%, Ni 0,1 – 20%, Co 0,1 – 30%, Cu 0,1 – 3%, N 0,001 – 0,3%, причем Ni + 0,5Mn + 0,4 Co + 0,06 Cu + 0,002 N 0,67 (Cr+1,2 Si)-3.

В последнем патенте описывается сталь на основе железа с эффектом памяти формы, в которой содержится Cr 0,1 – 5,0%, Si 2,0 – 8,0%, Mn 1,0 – 14,8% и по меньшей мере один из следующих элементов: Ni 0,1 – 20%, Co 0,1 – 30%, Cu 0,1 – 3,0%, N 0,001 – 0,400%, и в которой Ni + 0,5Mn + 0,4Co + 0,6Cu + 0,002N 0,67 (Cr + 1,2 Si), а остальное – железо и случайные примеси.

Сообщается, что в первой из упомянутых сталей с эффектом памяти формы достигается степень восстановления 75 – 90%. Добавка по меньшей мере одного элемента из группы Cr, Ni, Co или Mo производится для того, чтобы увеличить коррозионную стойкость. Однако коррозионная стойкость у этой группы сталей не очень высока вследствие высокого содержания марганца. В дополнение, эти стали окисляются при высоких температурах. Окисление также может иметь место и в том случае, когда образец нагревается до температуры аустенитной области с целью восстановления первоначальной формы после деформации. Добавка хрома к сплаву, в котором 20 – 40% марганца и 3,5 – 8,0% кремния, может привести к образованию хрупкой -фазы, которая ослабляет свойства памяти формы, способность к формоизменению и пластичность стали.

Кроме того, стали по патентам США NN 4933027 и 4929289 не обладают высоким значением пластичности и способностью к формоизменению. В дополнение, их прочностные и коррозионные свойства весьма невысоки. Во многих случаях сопротивление коррозии также незначительно.

Практические задачи требуют таких сталей, которые обладают высокими свойствами памяти формы и высоким сопротивлением коррозии. Они также не должны окисляться при высоких температурах.

С другой стороны, по мере развития техники все более важным становится поглощение вибрации в машинах, оборудовании и конструкциях. Вибрация вызывает как структурную усталость, так и ухудшение работы самого оборудования. Далее, вибрация и шум могут оказывать вредное воздействие на здоровье человека. Эффективным путем уменьшения уровня вибрации является применение демпфирующих (вибропоглощающих) материалов при производстве машин, вызывающих вибрацию. Часто это не представляется возможным из-за отсутствия соответствующего демпфирующего конструкционного материала. Демпфирующий конструкционный материал, который используется чаще всего, – это серый чугун. Его механические свойства и, прежде всего, пластичность, очень низкие, что ограничивает область его применения.

Определенные ферритные стали имеют высокое свойство демпфирования, которое основывается на магнитоупругости. Область их использования ограничивается тем, что при деформации или сварке их демпфирующие свойства значительно ослабляются. В дополнение, эти сплавы являются хладноломкими, а их прочность такая же, как и у малоуглеродистой конструкционной стали (Fe37).

Фазовая граница между фазой -мартенсита, появляющейся в определенных железных и марганцевых сплавах, и аустенитной фазой чувствительна к механическим нагрузкам на материал. Было показано, что движение этой границы поглощает вибрацию (C.-S. Choi и др. Доклады международной конференции по мартенситным превращениям ICOMAT-92, ed. C.M. Wayman и J. Perkins, 1993, стр. 509-514). Структура фазы -мартенсита – гексагональная плотноупакованная, аустенита – гранецентрированная кубическая. В бинарных Fe – Mn сплавах на основе железа самое высокое свойство демпфирования достигается при составе Fe + 17 (мас.)% Mn. Эта композиция была избрана в качестве контрольной при оценке настоящего изобретения.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в том, чтобы создать, в зависимости от области применения, либо стали с эффектом памяти формы, либо демпфирующие стали, либо, что предпочтительнее, стали, обладающие обоими свойствами одновременно а также другими высокими характеристиками, о которых говорилось выше. Другими словами, у них должны быть превосходное свойство памяти формы, высокая прочность и пластичность, а также высокая коррозионная стойкость наряду со стойкостью к окислению при высоких температурах. Еще одна задача заключается в достижении высокого демпфирования. В дополнение, стали должны сохранять высокие демпфирующие свойства даже при холодной обработке материала. Для достижения вышеупомянутых свойств первостепенное значение имеет использование азотистых сплавов.

Вышеперечисленные отличные свойства достигаются при использовании сталей с существенными признаками, описанными в прилагаемой формуле изобретения.

В задачи изобретения входит также создание различных изделий, основанных на использовании новых сталей со свойствами памяти формы и/или демпфирования.

Настоящее изобретение раскрыто в данном документе путем описания примеров композиций в соответствии с изобретением, однако оно ни в коей мере не ограничивается этими примерами.

На фиг. 1(а) показаны графики напряжение – деформация для двух сталей, выбранных в качестве примера (кривая 1 = сталь номер 4, а кривая 2 = сталь номер 2), которые будут описаны далее);
на фиг. 1(б) показаны графики напряжение – температура для тех же сталей, что и на фиг. 1(а), полученные во время термоциклирования, проведенного после описываемой обработки, во время термоциклирования длина образца сохранялась;
на фиг. 3 показано свойство демпфирования (логарифмический декремент) одной стали (сталь номер 25) как функция амплитуды вибрации по сравнению с контрольной сталью (сталь номер 27);
на фиг. 4 показано напряжение тех же сталей, как функция деформации.

Для того чтобы ГПУ-мартенситная сталь с памятью формы имела высокое свойство памяти формы, должны выполняться следующие условия.

1. До деформации количество мартенсита должно быть как можно меньшим.

2. Поверхностная энергия дефектов упаковки аустенита должна быть как можно меньшей. В дополнение, в процессе деформации должен образовываться -мартенсит, а количество -мартенсита должно быть как можно меньшим.

3. Прочность аустенита должна быть как можно более высокой. В сильной матрице деформация аустенита за счет скольжения становится затруднительной.

4. Температура образования мартенсита M_s должна быть выше точки Нееля T_N, при которой происходит антиферромагнетическое упорядочение.

Имеется множество теоретических данных о предполагаемых и доказанных влияниях различных элементов на свойства сталей с эффектом памяти формы. Один из примеров приведен в упомянутом патенте США 4933027, который можно рассматривать как типичный для уровня техники и в котором достаточно подробно описывается значение различных элементов для сталей с эффектом памяти формы.

Ранее упомянутые, а также другие факторы, естественно, были изучены в процессе разработки сталей с памятью формы в соответствии с настоящим изобретением. Основываясь на сведениях, приводимых в данном описании, и на результатах практических экспериментов были установлены содержания элементов, приведенные в пунктах формулы. Выбор именно этих содержаний обусловлен следующими факторами.

1. Марганец. Марганец значительно стабилизирует аустенит и увеличивает растворимость азота, который также стабилизирует аустенит. Если содержание Mn менее 5%, начинает формироваться -мартенсит (в дополнение к -мартенситу) в такой степени, что свойства памяти формы и демпфирования начинают существенно ухудшаться. В сплавах, содержащих хром, кремний и азот, уменьшение содержания марганца может вызвать образование -феррита во время охлаждения после плавки, что приводит к образованию пористости, так как растворимость азота в -феррите очень мала. Если же, с другой стороны, содержание марганца превысит 50%, точка Нееля будет иметь очень высокое значение, и тогда ни добавки кремния, ни добавки азота не смогут понизить ее значительно с точки зрения эффекта памяти формы.

2. Кремний. Кремний уменьшает энергию дефектов упаковки аустенита, увеличивает прочность и снижает точку Нееля. В том случае, если его содержание менее 2%, невозможно получить желаемые свойства. Тем не менее, благодаря легированию азотом, в таких сплавах, где нет кремния вообще, также присутствует эффект памяти формы. Если содержание кремния превышает 8%, пластичность сталей уменьшается; ухудшается также горячая и холодная обрабатываемость материала.

3. Азот. Азот был выбран как компонент сплава, поскольку он укрепляет аустенит (и мартенсит) более, чем любой другой элемент, а также стабилизирует аустенит и улучшает коррозионную стойкость. Азот улучшает как эффект памяти формы, так и демпфирующие свойства сплавов в соответствии с изобретением. Азот предотвращает образование хрупкой -фазы, которая снижает пластичность. Подбором подходящего соотношения азота и марганца может быть установлена подходящая точка Нееля. Легирование азотом и марганцем оказывает противоположное воздействие на точку Нееля. При содержании азота менее 0,01% эффекты, описанные выше, очень незначительны. Если же его содержание превысит 0,8%, сталь становится хрупкой.

4. Хром. Добавка хрома снижает энергию дефектов упаковки, а также улучшает коррозионную стойкость и стойкость окислению при высокой температуре. Хром также увеличивает степень растворимости азота. При содержании хрома менее 0,1%, вышеупомянутые эффекты пренебрежимо малы. Если же, с другой стороны, содержание хрома выше 20%, то на стадии затвердевания расплава стали может образовываться -феррит. Таким же образом, на стадии затвердевания или на этапе тепловой обработки стали может образоваться хрупкая -фаза.

5. Никель. Никель значительно стабилизирует аустенит и усиливает коррозионную стойкость стали, а также стойкость к окислению при высоких температурах. При содержании ниже 0,1% эти эффекты незначительны. При содержании более 20% температура, при которой мартенсит все еще формируется при деформации, становится очень низкой, в то время как количество образующегося мартенсита уменьшается и, в конце концов, он прекращает образовываться вообще.

6. Кобальт. Кобальт усиливает эффект памяти формы, а также улучшает свойства стали при термообработке. При содержании менее чем 0,1% эффекты незначительны, но если содержание возрастает более чем до 20% никакого улучшения свойств не происходит.

7. Медь. Медь стабилизирует аустенит и улучшает коррозионную стойкость. Превосходный эффект меди проявляется в том случае, если ее содержание более 0,1%. Если содержание меди более 3%, то предотвращается образование -мартенсита при деформации, поскольку медь увеличивает энергию дефектов упаковки аустенита.

8. Ванадий и ниобий. Ванадий и ниобий увеличивают предел текучести. Они также увеличивают растворимость азота в состоянии расплава, что очень важно для производства. Если их содержание менее 0,01 %, их влияние незначительно, если же оно более 1%, то эффект памяти формы и способность к формообразованию ослабляются. Ванадий и ниобий образуют мелкодисперсные нитриды, которые усиливают сталь, что в свою очередь может увеличивать обратимую деформацию эффекта памяти формы.

9. Молибден. Молибден уменьшает энергию дефектов упаковки и усиливает стойкость к окислению при высоких температурах. Если его содержание ниже 0.1%, эффекты пренебрежимо малы, а если содержание превышает 3%, свойства памяти и термообрабатываемость стали ухудшаются.

10. Углерод. Углерод был выбран в качестве легирующего компонента, потому что он усиливает и стабилизирует аустенит и улучшает эффект памяти формы. Содержание ниже 0,001% никак не влияет на свойства, а если содержание превышает 1%, то значительно уменьшается пластичность.

11. Редкоземельные металлы (например, Sc, Y, La, Се). Редкоземельные металлы предотвращают осаждение элементов на границах зерна, что улучшает коррозионную стойкость. Если содержание менее 0,0005%, то эффекты пренебрежимо малы. Если же содержание превышает 0,02%, то механические свойства и обрабатываемость материала значительно ухудшаются.

12. Соотношение общего количества элементов, стабилизирующих аустенит к общему количеству элементов, стабилизирующих феррит.

В сталях, создание которых является задачей изобретения, очень важно, чтобы материал был полностью аустенитным или по меньшей мере чтобы перед деформацией количество возможного деформацией количество возможного -мартенсита было мало. Поэтому, в дополнение к вышеуказанным ограничениям, должно выполняться следующее соотношение:
Ni + 0,5Mn + Co + 0,3Cu + 20N + 25C 0,3 (Cr+2Si+5V+1,5Nb + 1,5Mo).

Способность различных элементов в стали стабилизировать аустенит может быть описана эквивалентом никеля Ni_equiv, который соответствует левой стороне вышеприведенного соотношения. Правая сторона, описывающая способность элементов стабилизировать феррит, называется эквивалентом хрома и обозначается Cr_equiv.

13. Примеси. Содержание фосфора и серы должно быть менее 0,02%.

Если принимать во внимание все свойства, описанные выше, то результатом в соответствии с изобретением является композиция стали с эффектом памяти формы, которая, в дополнение к железу, содержит следующие элементы в данном соотношении, вес. %:
Mn 5,0 – 50,0%, SiO – 8,0%, N 0,01 – 0,80%.

Для того чтобы улучшить определенные свойства, в композицию могут быть добавлены один или более из следующих элементов, %:
Cr – 0,1 – 20,0
Ni – 0,1 – 20,0
Co – 0,1 – 20,0
Cu – 0,1 – 3,0
V – 0,1 – 1,0
Nb – 0,1 – 1,0
Mo – 0,1 – 3,0
C – 0,001 – 1,0
Редкоземельные металлы (например, Sc, Y, La, Ce) – 0,0005 – 0,02
При этом должно выполняться следующее соотношение, сбалансированное с помощью железа и случайных примесей:
Ni + Co + 0,5Mn + 0,3Cu + 2ON + 25C 0,3 (Cr + 2Si + 5V + 1,5Nb + 1,5Mo).

Обнаружено, что легирование азотом в соответствии с изобретением существенно улучшает не только свойства памяти формы сталей на основе Fe – Mn, но также их механические свойства, включая демпфирование. Другие преимущества сталей с эффектом памяти формы и демпфирующими свойствами соответственно изобретению: они легко производятся, обрабатываются и свариваются. Так как сварной шов также обладает свойствами памяти формы, области соединений не образуют точки разрыва, например, в предварительно напряженных структурах. В дополнение, азот улучшает коррозионную стойкость и стойкость к окислению при высоких температурах. Другие составляющие компоненты сплава, применяемые в сплавах с эффектом памяти формы (такие как Mn и Cr), улучшают растворимость азота таким образом, что при обычных способах плавки, применяемых в производстве стали, значительно усиливают легирование азотом. При проведении плавки в атмосфере азота при высоком давлении или при использовании методов порошковой металлургии можно еще более увеличить содержание азота в стали, но более высокая цена производства может ограничивать применения такой стали.

На приводимых далее примерах продемонтрировано влияние легирования азотом на свойства памяти формы и демпфирующие свойства сталей. Все образцы сталей были произведены в атмосфере аргон – азот методом обычной индукционной плавки, парциальное давление азота изменялось для того, чтобы получить определенное содержание азота в сплаве. По завершении плавки из сталей методом горячей прокатки при температуре 1273-1373 К были изготовлены бруски толщиной 5 мм, а затем из них методом холодного волочения была изготовлена проволока диаметром 3 мм. При исследовании демпфирующих свойств стальные сплавы были вытянуты в проволоку толщиной 1 мм, которая затем была отожжена при температуре 1273 К в течение получаса, а затем закалена в воду.

Свойства вышеупомянутых сплавов были исследованы следующими методами.

1. Механические свойства.

Текучесть и предел прочности, а также деформация при изломе показаны в табл. 2. Изучение предела текучести и деформации при изломе было также проведено для некоторых других сталей. Скорость смещения в испытательной машине была 1 мм/мин. Длина измеряемого образца была 100 мм, а толщина – 0,8 мм.

Как было показано, легирование азотом увеличивает предел текучести и предел прочности стали, но не отмечено, чтобы оно уменьшало деформацию при изломе. На фиг. 4 показаны графики напряжение – деформация для материалов 25 и 27 (контрольный сплав). Материал 25 явно более деформационно упрочняется, чем у материал 27, а максимальное значение напряжения, измеренное для материала 25, легированного азотом, было более чем на 50% выше, чем для контрольного материала 27. Исследование показывает, что легирование азотом явно улучшает механические свойства демпфирующей стали. Демпфирующие свойства оставались достаточно высокими даже в стали, подвергшейся многократным напряжениям, наблюдалось снижение всего на несколько процентов.

2. Свойства памяти формы
Свойства памяти формы были исследованы на испытательной машине с использованием образцов отожженной проволоки диаметром 3 мм и с измеряемой длиной 30 мм. Образцы были растянуты на 5 мм, а затем нагреты до температуры выше температуры A_f (при этой температуре весь мартенсит превращается в аустенит). Восстановление деформации по отношению к первоначальной деформации (предшествующей нагреву) применялось как критерий свойств памяти формы. В зависимости от величины этого значения были установлены три квалификационных класса для этого соотношения (степень восстановления формы).

Класс 1: соотношение больше 70%
Класс 2: соотношение 30-70%
Класс 3: соотношение менее 30%
Классы сталей приведены в табл. 3.

Было также изучено влияние легирования азотом на напряжение восстановления; результаты для сталей 2 и 4 представлены на графиках фиг. 1.

Образец 4, легированный азотом, также содержал нитриды Cr и V. На фиг. 1(а) показано возрастание напряжения во время деформации. В процессе деформации повышается содержание -мартенсита. Уровень напряжения (прочность) стали 4, легированной азотом, явно больше, чем у стали 2, не содержащей азота. Соответствующие значения для сталей на основе Fe-Mn-Si, не содержащих азот, которые приводятся в литературе, явно ниже, чем для стали 4.

После снятия напряжения температуру образца повышали приблизительно до 800^oК, а затем понижали до комнатной температуры, сохраняя деформацию (т.е. длину образца) постоянной во время всего цикла. Наблюдаемое напряжение увеличивалось в начале стадии нагрева из-за превращения мартенсита в аустенит, а затем уменьшалось в результате термического расширения образца. Максимальные значения для напряжения восстановления стали 4 были около 300 МПа, в то время как значение для стали 2 без содержания азота составляло только около 200 МПа. Значения для напряжения восстановления, приводимые в литературе для сталей с эффектом памяти формы на основе Fe-Mn-Si без содержания азота, составляют 150 – 200 МПа.

Таким образом, легирование азотом явно увеличивает напряжение восстановления. Напряжение восстановления – очень важная переменная с точки зрения применения сталей с эффектом памяти формы (например, в натяжных устройствах, зажимах и предварительно напряженных структурах), часто даже более важная, чем восстанавливаемая деформация. Восстанавливаемые деформации сталей с эффектом памяти формы, легированных азотом, составляют 1,5 – 4%. Обнаружено, что термомеханическое циклирование, т. е. так называемая тренировка сталей с эффектом памяти формы, ведет к увеличению восстанавливаемой деформации и, в общем случае, смещает образование аустенита к более низким температурам также и в сталях, легированных азотом. Термомеханический цикл был повторен пять раз, а кривые, приведенные на фиг. 1(б), были построены для пятого цикла. Соотношение между восстанавливаемой деформацией и первоначальной деформацией также возрастает в результате тренировки. Обычно это значение составляло 0,6 – 1. Полное восстановление наблюдалось при деформации вплоть до 3%, например в стали номер 22.

Когда температура на фиг. 1 возвращалась к комнатной температуре, в образце 4, легированном азотом, сохранялось постоянное напряжение около 700 МПа. В образцах без содержания азота напряжение было менее 400 МПа. Во многих областях применения (например, крепления, натяжные устройства и предварительно напряженный железобетон) высокое остаточное напряжение представляет собой великолепное преимущество.

Стали, легированные азотом, в соответствии с изобретением обладают хорошим эффектом памяти формы и механическими свойствами даже при криогенных температурах. Восстанавливаемые деформации в несколько процентов были отмечены при испытаниях на растяжение, проведенных при температуре жидкого азота.

В сталях с эффектом памяти формы, легированных азотом, наблюдался также двусторонний (обратимый) эффект памяти формы. Восстанавливаемая деформация при одностороннем и двустороннем эффекте памяти формы представлена на фиг. 2. Исследуется сталь 5, представленная в табл. 1. Когда образец, деформированный растяжением на 6%, нагревается, он укорачивается на 3,5%, что соответствует восстанавливаемой деформации для одностороннего эффекта памяти формы. Когда же образец охлаждается, а затем нагревается до температур в интервале 196^oC – 750^oC, возникает петля, что свидетельствует о двустороннем эффекте памяти формы. В этой стали его значение составляет около 0,4% после третьего цикла.

3. Свойства вибропоглощения.

Демпфирующие свойства материалов 25 и 27 (контрольная сталь) представлены на фиг. 3 как функции амплитуды вибрации. При малой амплитуде со значением 0,00005, демпфирующая способность (логарифмический декремент колебаний) составляет около 0,02. При увеличении амплитуды, демпфирующие свойства обоих материалов возрастают, но демпфирующая способность сплава 25 возрастает гораздо быстрее, а при амплитуде со значением 0,0002 она более чем на 50% превосходит соответствующее свойство сплава 27. Влияние легирования азотом на улучшение демпфирующей способности очевидно. Высокая демпфирующая способность, как было показано, сохраняется в широком диапазоне температур. Значения вибропоглощения для стали 26 находились между значениями для сталей 25 и 27.

Свойства сталей с эффектом памяти формы и демпфированием в соответствии с изобретением превосходны по всем приведенным критериям. Их показатели также явно превосходят те значения, которые приводятся в литературе.

Уровень демпфирования (логарифмический декремент) сталей, в соответствии с изобретением, обычно лежит в интервале 0,01 – 0,08 при малых амплитудах вибрации (относительная деформация 10^-6 – 10^-5). При больших амплитудах (около. 10^-4) демпфирующая способность достигает 0,1. Сталь номер 23 является примером стали, которая соединяет в себе прекрасные механические свойства, коррозионную стойкость и свойства памяти (деформация в 2,5% восстанавливается полностью) наряду с высоким демпфированием.

4. Коррозионная стойкость.

Коррозионная стойкость сталей оценивалась металлографическим методом после того, как образцы находились при атмосферных условиях в течение одного года. Стали были разделены на три класса на основании следующих критериев.

Класс 1: не наблюдалось никаких продуктов коррозии.

Класс 2: на некоторой части поверхности образца наблюдались продукты коррозии.

Класс 3: поверхность образца полностью покрыта продуктами коррозии.

В табл. 3 представлены результаты этого теста.

5. Стойкость к окислению при высоких температурах.

Образцы нагревали до температуры 600^oC в атмосфере воздуха, а затем оценивали аналогично тому, как это описано в разделе 3. Стали были разделены на три следующих класса.

Класс 1: не наблюдалось никаких продуктов коррозии.

Класс 2: продукты коррозии наблюдались на некоторой части поверхности образца.

Класс 3: поверхность полностью покрыта продуктами коррозии.

Результаты представлены в табл. 3.

Стали с эффектом памяти формы, легированные азотом, согласно настоящему изобретению являются первыми материалами с эффектом памяти формы, чьи свойства и цена позволяют интенсивно применять материалы с памятью формы в промышленности. Стали с эффектом памяти формы, легированные азотом, прекрасно подходят в качестве материала для скрепления (например, в деталях машин, абразивных брусках), натяжных устройств (например, соединения для труб) и различных предварительно напряженных структур (например, стали для армирования бетона).

Применение сталей с эффектом памяти формы в вышеперечисленных областях основано на том, что изделия из таких сталей подвергают деформации до того, как они были установлены. Специальное осуществление деформации требуется далеко не всегда, поскольку обычная обработка стали, такая как волочение проволоки или прессование, ковка, холодная прокатка листовой стали или другие подобные операции обеспечивают необходимое деформирование. Это позволяет значительно сэкономить расходы. В процессе деформации образуется мартенсит, двойниковая структура которого оказывается ориентированной в соответствии с присутствующим полем механических напряжений, или двойниковая структура мартенсита, которая уже сформировалась ранее, меняет свою ориентацию. После установки в заданное положение изделия из стали с эффектом памяти формы нагревают до аустенитной области (обычно 100 – 350^oC), и в этом случае мартенсит (полностью или частично) переходит в аустенит. После этого изделие пытается восстановить форму, которую оно имело до деформации, что вызывает желаемое напряжение в структуре, в которой установлено изделие.

Необходимо далее заметить, что стали с эффектом памяти формы, легированные азотом, изготовленные в соответствии с изобретением, обладают еще одним превосходным свойством, а именно способностью использовать образование нитридов для усиления композиции. Например, один вариант состоит в том, что после холодной обработки сталь состаривается нагреванием, например, приблизительно до 300 – 600^oC. Старение вызывает образование нитридов и, таким образом, прочность стали еще больше повышается.

Применение стали с эффектом памяти формы, например, при создании у предварительного напряжении в бетоне (или, скорее всего, при создании предварительного напряжения, которое возникает позднее) обеспечивает новые возможности при конструировании, поскольку объект из стали с памятью формы, которому придан желаемый профиль, может быть помещен внутрь массы вещества. Когда масса затвердевает, состояние предварительного напряжения может быть создано при помощи нагрева стали в выбранной точке, например, применяя индукционный нагрев, или при помощи электрического тока, подведенного к стали, или другим соответствующим способом. Применение стали с эффектом памяти формы в качестве способа создания предварительного напряжения также предоставляет возможность увеличивать напряжение при помощи нагревания, произведенного позже, если мартенситная фаза осталась в стали при первом нагревании. Если рассматривать только демпфирующие свойства, то в этом случае свойства и цена сталей, легированных азотом, в соответствии с изобретением позволяют их широко применять в промышленности. Они могут применяться как литые компоненты или как изделия, которые подвергались обработке различными способами. Они могут применяться также и в крупных конструкциях, так как они могут соединяться при помощи сварки.

Стали в соответствии с изобретением также могут применяться в таких материалах, которые должны поглощать энергию удара и ударные волны (например, в средствах передвижения и в военной технике). Дополнительными преимуществами материала в соответствии с изобретением, по сравнению со многими другими металлическими демпфирующими материалами (например, Mn – Cu), являются их высокий модуль упругости и высокая прочность.

Практические испытания сталей с эффектом памяти формы в соответствии с изобретением были проведены в отношении тех применений, которые рассматривались как наиболее целесообразные.

Как утверждалось выше, стали с эффектом памяти формы превосходно подходят для применения в крепежных и натяжных устройствах. Предварительные деформации могут быть выполнены при комнатной температуре, при которой также можно хранить деформированные компоненты (сравните Ni – Ti разъемы, устанавливаемые при криогенных температурах). Модули упругости сталей высоки (модули упругости металлов с эффектом памяти формы на основе Cu и Ni-Ti, например, значительно меньше, что означает, что большая часть восстанавливаемой деформации этих металлов может соответствовать упругой деформации). По сравнению со многими другими сталями с эффектом памяти формы, преимуществом сталей в соответствии с изобретением являются большие силы восстановления и восстанавливаемая деформация, высокая механическая прочность и пластичность, высокая коррозионная стойкость и стойкость к окислению при высоких температурах, прекрасные свойства при изготовлении стали и механической обработке. В дополнение, новые стали могут соединяться при помощи сварки. Было обнаружено, что сварной шов также обладает эффектом памяти формы. Это тоже может быть использовано при практическом применении. Практическая демонстрация была проведена при сгибании сварного стыкового шва и распрямлении его при нагревании. Далее, стали в соответствии с изобретением могут производиться без дополнительных затрат, обычными способами, применяемыми в сталеплавильной промышленности.

Металлы с эффектом памяти формы в соответствии с изобретением обладают также прекрасной способностью поглощать ударные волны и энергию удара потому, что деформация аустенитной стали в мартенситную связана с поглощением большого количества энергии. Во многих областях практического применения деформации могут быть очень большими, поскольку механизм деформации представляет собой (до определенного уровня деформации) образование мартенсита, а не пластическую деформацию. Благодаря этому предел деформации материала очень высок. Сфера применения включает в себя каркасы для средств передвижения, а также определенные области военной промышленности.

Предварительное напряжение бетона, проведенное с помощью стали с эффектом памяти формы, было испытано/продемонстрировано при изготовлении двух армированных стальных балок (16х16х60 мм³). Внутрь обеих балок были помещены четыре продолговатых армирующих элемента толщиной 1 мм, изготовленных из стали с эффектом памяти формы в соответствии с изобретением, которые были распределены на расстоянии 10 мм один от другого. Поперечные ребра жесткости были расположены вокруг усиливающих элементов с интервалом приблизительно 7 мм. Отдельно предварительное деформирование стальных элементов (проволок) с эффектом памяти формы не производилось, в качестве предварительной деформации служило обычное холодное волочение проволоки до диаметра 1 мм. Отрезки проволоки, помещенные внутрь одной из балок, были нагреты до температуры 250^oC, при которой большая часть мартенсита, образованного при деформации, превратилась в аустенит, и проволока одновременно стала короче. Отрезки проволоки, помещенные внутрь другой балки, не нагревались. Обе стальные балки были помещены в формы, и формы заполнены бетоном. Бетон состоял из обычного портландцемента и песка, который был просеян через 1,5 мм сито. После заливки массу цемента подвергали вибрации для предотвращения образования пустот. После того, как бетон выдерживали в течение 6 недель, обе балки были нагреты до 250^oC. В балке, армирующие проволоки которой не были предварительно нагреты, возникло нормальное напряжение сжатия в результате того, что стальная проволока пыталась стать короче, так как мартенсит превращался в аустенит. Когда обе балки подвергли изгибу, то для того, чтобы предварительно напряженная балка сломалась, потребовалась большая нагрузка. Это доказывает, что предварительное напряжение, созданное с помощью стали с эффектом памяти формы, действенно.

Аналогичным образом с помощью стали с эффектом памяти формы в соответствии с изобретением может быть выполнена насадка втулок деталей машин на ось (вал). Детали машин, например маховики и части электрических моторов, крепятся на валу с использованием теплового расширения. Требуемый допуск достигается либо нагреванием детали машины, либо охлаждением вала, например, жидким азотом. Эффект памяти формы может использоваться и при изготовлении соединительных элементов. Изменение размеров, которое достигается при помощи сталей с памятью формы, значительно больше, чем вызываемое термическим расширением. Крепление может быть выполнено, например, при помощи муфты, изготовленной из стали с эффектом памяти формы. Муфта может быть предварительно деформирована путем ее растягивания в осевом направлении. Когда муфту помещают между валом и деталью машины и нагревают до температуры аустенита, она пытается возвратиться к своей форме до растягивания. Толщина ее стенок увеличивается, и одновременно она прикрепляет деталь машины к валу. Если муфта изготовлена из стали, обладающей обратимым эффектом памяти формы, снять деталь машины можно путем охлаждения до выбранной температуры. С помощью соответствующего легирования стали с памятью формы и термомеханической обработки эта выбранная температура может быть задана настолько ниже рабочей температуры машины, чтобы исключить случайное рассоединение деталей во время работы.

Соединение труб производится при помощи рукава, изготовленного из стали с эффектом памяти формы, внутренний диаметр которого меньше внешнего диаметра трубы. Затем внутренний диаметр рукава увеличивают посредством его деформирования (например, при помощи раскатки) таким образом, чтобы он стал больше диаметра трубы. Увеличенный в диаметре рукав надевается на место соединения встык двух труб. При нагреве до температуры образования аустенита рукав стягивает трубы. Было продемонстрировано крепление рукава с памятью формы на валу и трубе. Рукав был изготовлен из стали согласно настоящему изобретению, длина его составляла 10 мм, внутренний диаметр – 8 мм, а толщина стенок – 2 мм. Крепление происходило при нагревании рукава до 300^oC. При изменении размеров создавалось напряжение сжатия.

Не всегда необходимо изготавливать отдельную крепежную деталь из стали, обладающей памятью формы, потому что во многих случаях само изделие может быть изготовлено из такой стали.

Изобретение можно использовать для крепления заклепки, винта или другого крепежного элемента, в которых изменение размера происходит в осевом направлении. Во многих случаях (например, крепление листов, деталей машин), крепление может быть обеспечено при помощи таких крепежных деталей, которые до их установки были деформированы вытяжкой в направлении вала. После установки затягивание обеспечивалось нагревом крепежной детали до температуры образования аустенита. Нагрев можно производить таким образом, что температура нагрева центральной части детали выше, чем ее внешней поверхности. В этом случае большее количество аустенита образуется внутри детали, чем на ее поверхности. При этом внутри самой детали возникает растягивающее напряжение, а на ее поверхности – напряжение сжатия. Разрушения и коррозия, вызванная перенапряжением, не так легко возникают в поверхностном слое, на который действует напряжение сжатия. Применение градиента напряжения, вызванного частичным нагреванием стали с эффектом памяти формы, составляет новый признак изобретения, который может использоваться во многих областях применения.

Настоящее изобретение также может применяться в конструкциях, которые должны иметь высокое сопротивление усталости. Поскольку стали с эффектом памяти формы, легированные азотом, очень прочны и обладают так называемыми сверхпластичными свойствами, они легко выдерживают усталостные нагрузки даже при высоких амплитудах нагрузок. Если сталь напряжена, то механизм деформации (до определенных пределов) представляет собой двойникование, а не скольжение. Этот механизм обладает свойством восстановления, поэтому усталость материала очень мала. Поскольку стали в соответствии с изобретением, в дополнение, дешевы, легко обрабатываются и легко свариваются, они прекрасно могут применяться в качестве конструкционных материалов для больших стальных конструкций и машин, в которых они подвергаются высоким усталостным нагрузкам.

Формула изобретения

1. Сталь со свойствами памяти формы и вибропоглощения, содержащая марганец и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Mn – 5 – 50
N – 0,01 – 0,8
Fe – Остальное
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит один или более из следующих элементов, мас.%:
Cr – 0,1 – 20,0
Ni – 0,1 – 20,0
Co – 0,1 – 20,0
Si – 0,1 – 8,0
Cu – 0,1 – 3,0
V – 0,1 – 1,0
Nb – 0,1 – 1,0
Mo – 0,1 – 3,0
C – 0,001 – 1,0
Редкоземельные металлы – 0,0005 – 0,02
при выполнении следующего соотношения:
Ni + Co + 0,5Mn + 0,3Cu + 20N + 25C = 0,3(Cr + 2Si + 5V + 1,5Nb + 1,5Mo).

3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Mn 8,0 – 45,0, N 0,05 – 0,6.

4. Сталь по п.3, отличающаяся тем, что она содержит 0,1 – 7,5 мас.% Si.

5. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Mn 10,0 – 40,0; N 0,1 – 0,5.

6. Сталь по п.5, отличающаяся тем, что она содержит 0,1 – 7,0 мас.% Si.

7. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Mn 13,0 – 35,0; Si 2,0 – 6,0; N 0,1 – 0,4.

8. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Mn 14,9 – 35,0; Si 3,0 – 6,5; N 0,1 – 0,4.

9. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит 0,1 – 0,8 мас. % V.

10. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит 0,1 – 0,8 мас.% Nb.

11. Сталь по п.10, отличающаяся тем, что она содержит 0,0005 – 0,02 мас. % Re.

12. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит 0,005 – 0,6 мас.% C.

13. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что может быть применена в крепежных, натяжных или соединительных элементах.

14. Сталь по п.13, отличающаяся тем, что может быть применена в элементах предварительно напряженной конструкции.

15. Сталь по п.14, отличающаяся тем, что может быть применена в элементах предварительно напряженной железобетонной конструкции.

16. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что может быть применена в вибропоглотителе.

17. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что может быть применена в демпфере ударных нагрузок и ударных волн.

18. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что может быть применена для создания силы и движения в исполнительных механизмах.

19. Металлическая конструкция с высокой усталостной прочностью, отличающаяся тем, что она выполнена из стали по п.1.

Приоритет по пунктам:
11.07.1996 по п.1;
11.07.1995 по пп.2 – 10, 12 – 16, 18 и 19;
26.02.1996 по п.11;
07.05.1996 по п.17.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 12.07.2005

Извещение опубликовано: 27.12.2006 БИ: 36/2006