§ 8. Оловянная чума и открытие Г. В. Курдюмова и Л. Г. Хандроса

Хотя мартенситное превращение связано со значительными сдвиговыми смещениями атомов, форма тела при закалке в целом не изменяется. Дело в том, что аустенит сопротивляется росту в его среде новой фазы, заставляя мартенситную фазу разбиваться на отдельные кристаллы, так чтобы направления сдвиговых смещений в соседних кристаллах были противоположны. Это снижает общий уровень напряжений, возникающих в ходе мартенситного превращения из-за сильных деформаций решетки и различия в удельных объемах двух участвующих в нем фаз. Упрощенно эта картина изображена на рис. 77. Форма тела в целом не изменилась, но первоначально плоские поверхности стали ребристыми. Появился рельеф - непрехменный спутник мартенситного превращения.

Рис. 77

В некоторых случаях превращение сопровождается огромным объемным эффектом, и это приводит подчас к трагическим последствиям. Яркий пример этого - превращение в олове, высокотемпературная модификация которого (белое олово) имеет удельный объем на 25% меньший, чем низкотемпературная (серое олово). Переход белого олова в серое обычно происходит при низких температурах и тогда мягкий, пластичный металл внезапно превращается в серый порошок. Серое олово очень хрупко и не может выдержать напряжений, возникающих в ходе превращения.

Именно это превращение послужило одной из причин гибели антарктической экспедиции Р. Скотта, покорившей 18 января 1912 г. Южный полюс. Путешественники погибли на обратном пути из-за отсутствия топлива. Сосуды с горючим прохудились, так как белое олово, которым они были пропаяны, "не выдержало мороза" и рассыпалось.

В сущности это было непростительной небрежностью, поскольку о такой опасности в Европе знали уже двести лет назад. То, что происходило с оловом при сильных морозах, назвали "оловянной чумой", которая в свое время оставила "трактиры без ложек и мисок, а солдат без пуговиц". Но превращение в олове - это одна крайность, а нас сейчас больше интересует другая.

Г. В. Курдюмов и Л. Г. Хандрос первыми экспериментально обнаружили новый тип мартенситного превращения в алюминиевой бронзе. Как и предсказывал Г. В. Курдюмов, при благоприятном сочетании определенных условий превращение аустенита (А) в мартенсит (М) приобретает особые черты. Оно становится, как выразился Г. В. Курдюмов, "термоупругим". Этот термин отражает необычные особенности такого мартенситного превращения. Если прекратить охлаждение, то и превращение сразу прекращается на той стадии, на которой его застигла температурная остановка, а если начать нагревать образец, то оно вскоре начинает идти в обратную сторону. Это значит, что мартенсит снова превращается в аустенит, все сдвиговые смещения атомов идут в обратном направлении, а сами атомы возвращаются точно в свои исходные позиции, соответствующие решетке аустенита.

Рис. 78

В сплавах, испытывающих термоупругое превращение, приложением внешнего напряжения можно вызвать повышение температурного интервала мартенситного превращения, но главное в этих сплавах - наличие внешней нагрузки особенно резко меняет геометрическую картину превращения.

Если напряжение приложено так, как показано на рис. 77, то увеличивается доля кристаллов 1, в которых направление сдвиговых смещений атомов согласуется с направлением действия нагрузки, а доля кристаллов 2 уменьшается. В предельном случае при А переходе реализуется только один вариант смещений атомов (рис. 32, 33), и мы получаем значительную общую деформацию образца, которая соответствует относительному удлинению 10% и более.

Как мы уже знаем, по своей величине эта деформация намного превышает предельную упругую деформацию обычных металлов, но она накапливается не за счет необратимых сдвигов в аустените или мартенсите, а за счет направленного превращения А→М. Внешнее напряжение упорядочивает смещения атомов при этом превращении. Если теперь вызвать обратное превращение М→А, то вся эта огромная деформация исчезнет, так как атомы обязаны вернуться в исходные положения, которые они занимали в решетке аустенита.

В термоупругих сплавах обратное превращение М→А можно вызвать двумя способами. В первом случае оно развивается при уменьшении внешнего напряжения, которое стимулировало А→М-переход и привело к изменению формы тела. Значит, первый способ - это просто разгрузить образец. Вся накопленная деформация при этом исчезает, т. е. мы имеем дело со сверхупругостью.

Во втором крайнем случае после разгрузки структура сплава остается мартенситной, следовательно, сохраняется и вся накопленная в ходе нагружения деформация. Обратное превращение М→А протекает при нагреве в определенном интервале температур, и деформация исчезает - образец "вспоминает" исходную форму.

Можно получить, разумеется, и любое сочетание этих двух основных вариантов, любую комбинацию сверхупругости и запоминания формы. Сумма соответствующих деформаций при этом, конечно, не может превышать той предельной величины, которая соответствует каждому из двух эффектов в отдельности. Эта предельная величина целиком определяется соотношением параметров решеток аустенита и мартенсита и геометрией перестройки одной решетки в другую при А→М→А-превращении.

В настоящее время известны сотни сплавов, проявляющих эффект Курдюмова. Регулируя их состав или режим обработки, мы можем смещать интервал А→М→А-превращений по температурной шкале. Например, сделаем так, чтобы точка М_н - температура начала А→М-превращения при охлаждении была немного ниже комнатной температуры, а А_н - температура начала обратного М→А-превращения при нагреве - немного выше. Тогда небольшое напряжение, приложенное при комнатной температуре, вызовет превращение А и значительное изменение формы тела, а при нагреве до температуры 50 - 100°С оно вспомнит свою исходную форму. Можно "спустить" интервал превращений в глубокий холод. Тогда задавать новую форму нужно будет при низкой температуре, а вспоминать прежнюю форму металл будет в ходе отогрева до температуры окружающей среды. Варьируя интервал превращений, мы можем также при нужной температуре привести сплав в сверхупругое состояние или получить необходимое сочетание эффектов сверхупругости и запоминания формы,