5. Bố cục của luận văn
4.2.4. Cơ tính của vật liệu xốp NiTi tổng hợp bằng phương pháp phản ứng
nghiệm khác nhau
Thời gian hoạt hóa cơ học (h) Nhiệt độ nung (0C) Tải trọng ép (MPa) Độ xốp (%) 1,5 400 120 48,3 1,5 500 120 47,2 2 300 120 53,6 2 250 40 55,7 2 300 40 55,4 2 400 40 49,0 2 500 40 48,5 2 600 40 44,7
Độ xốp của các mẫu phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền đã đƣợc hiển thị ở
trên. Nó cho thấy rằng sự gia tăng độ xốp khi giảm nhiệt độ nung sơ bộ. Điều này có thể đƣợc giải thích sự tan chảy phụ thuộc của nhiệt độ nung sơ bộ. Nhiệt độ nung sơ bộ cao dẫn đến phần tan chảy cao. Nên sau khi làm nguội có độ xốp rất thấp so với phần chƣa chảy lỏng. Nhƣ vậy, nhiệt độ nung sơ bộ cao hơn dẫn
đến số lƣợng sự chảy lỏng cao hơn và do đó, làm giảm độ xốp của phản ứng
nhiệt độ cao tự lan truyền.
4.2.4. Cơ tính của vật liệu xốp NiTi tổng hợp bằng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền nhiệt độ cao tự lan truyền
4.2.4.1. Cơ tính của sản phẩm vật liệu xốp NiTi trước quá trình xử lý nhiệt
Sau quá trình tổng hợp bằng phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền, sản phẩm NiTi xốp đƣợc làm nguội trong nƣớc. Đây chính là quá trình tôi nhằm giữ nguyên tổ chức pha NiTi cân bằng mong muốn đƣợc tạo thành sau phản ứng tổng hợp.
Sản phẩm vật liệu xốp NiTi đƣợc cắt thành các mẫu đƣờng kính d = 10mm, chiều cao h = 15mm trên máy cắt dây tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học vật liệu
68
và Cán kim loại, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội để thử nén nhằm xác định một số tính chất cơ học của hệ vật liệu này. Các mẫu thử nén đƣợc tiến hành trên máy MTS 809.10 Phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trƣờng
Đại Học Bách Khoa Hà Nội với cùng một tốc độ biến dạng 0,12x10-3s-1. Các mẫu
thử nén ở điều kiện môi trƣờng (khoảng 25o
C).
Hình 4.14. Đường cong ứng suất – biến dạng của các mẫu NiTi xốp tổng hợp bằng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp=400°C)
Về cơ tính, khi quan sát trên đƣờng cong ứng suất – biến dạng trên hình 4.14, ta có thể nhận thấy các mẫu có khả năng biến dạng tƣơng đối rõ, các mẫu có mức độ biến dạng đàn h i khoảng 2,5% (vùng siêu đàn h i có sự chuyển biến về cấu trúc
Austenit Mactenxit khoảng 1%). Với vật liệu xốp NiTi thì ta chỉ xét khả năng
biến dạng trong vùng đàn h i của vật liệu. Ở đây có sự chuyển biến về cấu trúc Austenit Mactenxit khi vật liệu chịu tác dụng của tải trọng. Sự chuyển biến về cấu trúc này làm tăng khả năng biến dạng đàn h i, dẫn đến miền đàn h i của vật liệu tăng lên. Đối với mẫu thu đƣợc sau phản ứng phản ứng nhiệt độ cao tự lan
69
truyền, sự chuyển biến về cấu trúc Austenit Mactenxit là chƣa rõ ràng. Cấu trúc
Mactenxit hình thành và khiến cho khả năng biến dạng đàn h i giảm đi. Mặt khác, do các lỗ xốp của vật liệu chế tạo bằng phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan
truyền, độ xốp thƣờng có phạm vi dao động lớn (khoảng 10%), vì vậy quá trình
nguội nhanh đã làm cho bản thân các mẫu NiTi xốp chịu tác dụng của một ứng suất nhiệt. Khi chịu tải trọng nén từ bên ngoài, các mẫu này sẽ nhanh chóng đạt đến giới hạn phá hủy và bị nứt, vỡ. Để cải thiện nhƣợc điểm này, phƣơng pháp ủ mẫu nhằm giảm ứng suất nhiệt đã đƣợc đề xuất để thực hiện.
Mô đun đàn h i của các mẫu nhận đƣợc cũng có sự khác nhau giữa các mẫu (tuy không đáng kể). Tùy thuộc độ xốp, mô đun đàn h i của hầu hết các mẫu giao
động trong khoảng E = 6,5GPa 11,5GPa (pha NiTi ở trạng thái Austenit).
Các điểm gấp khúc trên đ thị ứng suất – biến dạng đƣợc kỳ vọng là các điểm
chuyển biến pha NiTi từ trạng thái Austenit B2 sang trạng thái Mactenxit B19’.
Do vậy, ứng suất gây chuyển biến pha (MS) chính là ứng suất tại điểm gấp khúc
trên đ thị này. Chúng không ổn định với từng mẫu thử, dao động trong khoảng MS
= 120 125 MPa. Giới hạn bền nén khoảng b = 130 250MPa.
4.2.4.2. Cơ tính của sản phẩm vật liệu xốp NiTi sau quá trình xử lý nhiệt
Mục tiêu của quá trình xử lý nhiệt sau khi tổng hợp vật liệu xốp NiTi nhằm làm giảm ứng suất dƣ t n tại trong mẫu, sắp xếp lại tổ chức của vật liệu và từ đó tăng khả năng biến dạng cũng nhƣ khả năng chựu tải của vật liệu.
Trên cơ sở các công bố trƣớc đây về xử lý nhiệt vật liệu xốp NiTi sau khi chế tạo tác giả lựa chọn nhiệt độ xử lý ủ trong khoảng nhiệt độ 400°C đến 550°C, thời gian xử lý từ 4h đến 5h, mẫu đƣợc làm nguội cùng lò đến nhiệt độ môi trƣờng. Để đảm bảo không có sự chuyển biến từ pha NiTi mong muốn thành các pha không mong muốn nhƣ NiTi2 hay Ni4Ti3 và để cấu trúc B19’- Mactenxit có thể chuyển biến về cấu trúc B2 – Austenit.
Kết quả thử cơ tính (thể hiện bằng đƣờng cong ứng suất- biến dạng trên hình 4.15) cho thấy sau khi xử lý nhiệt, tính chất cơ học của vật liệu xốp NiTi đã có sự thay đổi rõ rệt. Khả năng biến dạng đàn h i đƣợc cải thiện, tăng lên khoảng 3,5%.
70
Sự chuyển biến về cấu trúc Austenit Mactenxit trở nên rõ ràng hơn, dẫn tới khả
năng biến dạng đàn hôi tăng lên. Mức độ biến dạng siêu đàn h i đạt đƣợc khoảng 2%. Điều này có đƣợc sau khi xử lý nhiệt, cấu trúc B19’ - Mactenxit đã có chuyển biến về cấu trúc B2- Austenit, làm tăng khả năng biến dạng của vật liêu, Hơn nữa, ứng suất dƣ trong vật liệu sau khi tổng hợp đƣợc khử bỏ, do đó vật liệu biến dạng dễ dàng hơn mà không bị phá hủy.
Hình 4.15. Đường cong ứng suất – biến dạng của mẫu NiTi xốp được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp = 400C) sau khi xử lý
71
Hình 4.16. Đường cong ứng suất – biến dạng khi nén phá hủy mẫu NiTi xốp tổng hợp bằng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền (Tp = 500C) sau quá
trình xử lý nhiệt ở Tn = 550C trong 4h khi nén phá hủy mẫu.
Đƣờng cong biến dạng khi chất tải và dỡ tải không trùng nhau, sự sai khác này tùy thuộc vào mức độ biến dạng khi thử nén với tốc độ dụng cụ biến dạng. Điều này là do khi chất tải vật liệu bị tác dụng của ứng suất nén. Sau khi dỡ tải, trong bản thân vật liệu t n tại ứng suất dƣ, do vậy có sự trễ nhất định khi vật liệu trở về hình dạng ban đầu. Mô đun đàn h i E của vật liệu (pha NiTi kiểu mạng B2 Austenit) sau khi sử lý nhiệt cũng có sự thay đổi so với trƣớc khi biến dạng, tuy nhiên rất nhỏ
(trong khoảng 6,5GPa 8,5GPa). Giới hạn bền của vật liệu xốp NiTi sau khi sử lý
nhiệt ứng suất chuyển biến đạt đƣợc khoảng MS = 150MPa, Giới hạn bền nén
khoảng b = 150 250MPa. tƣơng ứng với mức độ biến dạng khoảng max= 4,0%.
72
Hình 4.17. Kích thước các miếng đệm đốt sống nhân tạo.
Trên cơ sở kích thƣơc miếng đệm đốt sống nhân tạo, mẫu vật liệu xốp NiTi sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền đƣợc đem đi cắt dây theo kích thƣớc trên (hình 1.18). Sau đó các miếng đệm đốt sống tiếp tục đƣợc gia công và hiệu chỉnh.
Hình 1.18. Hình dạng miếng đệm đốt sống nhân tạo sau khi cắt tạo hình trên máy căt dây.
73