Эффект потери устойчивости арки-полоски из сплава Ti-Ni c памятью формы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 539.3

ЭФФЕКТ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ АРКИ-ПОЛОСКИ ИЗ СПЛАВА Т1-№ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

© А.Б. Бондарев1*, М.А. Хусаинов2), В.А. Андреев1*, Н.В. Петров2*

1 Промышленный центр «МАТЭКС», г. Москва, Россия, e-mail: [email protected] 2) Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого, г. Великий Новгород, Россия,

e-mail: [email protected]

Ключевые слова: арка-полоска; потеря устойчивости; прощелкивание; жесткое защемление; хлопок Разработана методика исследования механического поведения арки-полоски из сплава 'П-М с эффектом памяти формы в связи с потерей устойчивости на этапе обратного мартенситного перехода (М^А) и возврата формы скачком (прощелкиванием). Показано, что явление прощелкивания арки-полоски с хлопком реализуется только при упругом смещении одного из концов арки. В работе приведены данные о распределении силового параметра (Руд) в сопоставлении с кривой нагружения (прогиба) арки-полоски в мартенситном состоянии.

ВВЕДЕНИЕ

Устойчивость прямоугольных пластинок, шарнирно закрепленных по концам в пределах закона Гука и за пределами упругости, подробно рассмотрены в литературе [1]. Однако вопросу устойчивости арки-полоски, изготовленной из сплавов Ть№ с памятью формы, должного внимания не уделялось. Такого рода объекты могли бы служить активными термочувствительными и термосиловыми элементами в термовыключателях, пожарных системах и других устройствах. Выпучивание опертой по концам арки-полоски при отогреве сопровождается развитием реактивных и продольных сил, вызывающих восстановление исходной формы. В работах [2, 3] было показано, что формирование арки становится неустойчивым в случае ее нагрева. Переход из неустойчивого состояния арки-полоски в устойчивое происходит скачком (прощелки-ванием), так же, как это наблюдается на сферических сегментах [4]. Кинетика развития реактивных сил в материалах этих объектов, связанная с явлением потери устойчивости, довольно близкая. Различие лишь в том, что арка-полоска прощелкивает только в случае стеснения с заданной жесткостью в шарнирных опорах для некоторого смещения арки вдоль продольной оси [5]. В то время как сферические сегменты, защемленные по краям, не прощелкивают. В данной работе приведены экспериментально полученные данные механического поведения арки-полоски при условии ее про-щелкивания в интервале фазового перехода мартенсит-аустенит.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Образцы в виде полоски вырезались из листовых заготовок сплавов Тк№, предварительно прокатанных вхолодную на двухвалковом стане с промежуточными отжигами при температуре 600 °С с выдержкой в течение 5 мин. до степени обжатия 8 = 45%. Затем они подвергались отжигу при 500 °С, 30 мин., в жестко защем-

ленном состоянии для задания прямолинейной формы и памяти. В результате такой обработки температуры мартенситных превращений имели следующие значения: Сплав Т1 - 50,4 ат. %№: Мн = 18 °С; Мк = 6 °С; Ан = 28 °С; Ак = 43 °С.

Для определения радиуса (Я0) арки использовалось соотношение Ь0 = Я0х81и(// Я0), где I - общая длина образца, Ь0 - расстояние между концами арки вдоль стягивающей ее хорды. Далее полоска заданной толщины (И) прогибалась в пресс-форме с радиусом кривизны Я0 и жестко защемлялась. Последующий отжиг при температуре 420 °С, 1,5 ч., сформировал вид арки-полоски (рис. 1) и способствовал проявлению эффекта памяти формы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Эксперименты по исследованию механического поведения арки-полоски в циклах прогиб зеркально исходной форме в мартенсите с последующим отогревом до температуры Ак выполнялись с помощью специального устройства, размещенного на нижней траверсе разрывной машины ЕР7-1.0.

На рис. 2 приведена характерная диаграмма зависимости между нагрузкой Р и стрелой прогиба / арки-полоски с заданными размерами /хЪхИхК = = 30x0,5x30 мм. Из рисунка следует, что нагрузка, прогибающая арку, возрастает до верхнего критического значения (РЪ). После этого она совершает небольшой скачок (хлопок) от равновесного положения В к положению С, после чего нагрузка вновь увеличивается по ветви ОБ, достигая максимального значения (РШах). Такому состоянию отвечает полный (зеркальный) прогиб арки-полоски в мартенсите. Обратный процесс, протекающий при нагреве, связан с возвратом формы. Однако формовосстановление может быть обычное, инициируемое эффектом памяти формы, либо восстановление формы произойдет скачком (прощелкивани-ем). Такой характер возврата формы арки представляет наибольший интерес в практических целях, хотя это

Рис. 1. Арка-полоска

Рис. 2. Диаграммы прогиба арки-полоски зеркально исходной форме (ЛБСЭ) и разгрузки ЭБ в мартенситном состоянии, где АИе1 - упругая составляющая полного прогиба; И - восстанавливаемая составляющая полного прогиба

Р,кг

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

А

Р1ІГІЗХ р тах О

ч"

/ ^ ІЗ /р

\\

' / / / .р ч уд

-р,/у

Рг- ■Гр Г

к ,ь а г| |м ¡к [Е

ч; ’дН і г, п

н=х - и

Рис. 3. Диаграммы прогиба арки-полоски зеркально исходной форме в мартенситном состоянии (ЛБСЭ) и распределения силовых характеристик при отогреве до температуры окончания обратного мартенситного превращения (Лк)

Рис. 4. Арка-полоска с возможностью смещения Ъ при отогреве

явление мало изучено [2, 3, 5]. Первые шаги, сделанные нами в указанных работах, позволили найти определяющие условия, необходимые для реализации эффекта прощелкивания арки-полоски. В частности, важным параметром является величина стеснения (нормируемая жесткость подкрепления концов или одного конца арки). Так, при предельном смещении арки Ъ = I - Ь0 и жесткости упругого тела к = Ру/Ъ, где Ру = (0,9-0,95)Рг, Рг, - реактивная продольная сила. Другим не менее важным параметром является длина полоски, чтобы не допустить волнообразное выпучивание при отогреве, т.е. обеспечить одну полуволну. Поэтому арка-полоска должна быть достаточно пологой (И/И < 6,0), и выпучивание должно быть ассимет-ричным. В работе [5] представлены некоторые соотношения, при которых реализуются условия прощелки-вания арки. В данной работе проведен анализ характера возврата формы после прогиба арки в мартенсите и дана количественная оценка эффекта скачка (прощелкивания) в физических единицах (кг). Экспериментально показано, что арка-полоска, прогнутая в мартенсите при нагреве до температуры, близкой к Ак, теряет устойчивость и прощелкивает с хлопком. Теперь если установить динамометр (препятствующее тело) на пути возврата формы в положение а, Ь, с, то арка-полоска совершит удар определенной силы. Из рис. 3 следует, что максимальной силы удар реализуется в области, близкой к положению точки а. При этом расстояние свободного возврата формы а - Е до препятствия составляет = 2/3 Нв. По диаграмме нагружения (ЛБСБ) эта область совпадает с верхней критической нагрузкой (Рв). В области потери устойчивости (точка Ы) эффект памяти формы подавляется препятствующим телом, поэтому арка-полоска не прощелкивает. Если увеличить свободное восстановление формы до точки а, затем до Ь и с, то арка каждый раз будет совершать скачок с хлопком и ударом о препятствие.

Ниже дан анализ развития силовых характеристик и условий прощелкивания. Показано, что при нагревании арки-полоски, прогнутой в мартенсите, происходит выпрямление арки за счет генерации реактивной силы

О,., развивающейся в ее материале (рис. 4). Одновременно на концах арки возникают сжимающие усилия (Р), которые дополнительно изгибают полоску, вызывая неустойчивость системы. Однако если концы арки жестко подкреплены (неподвижны), то она не прощел-кивает. Память формы не реализуется. Чтобы исключить такое поведение арки-полоски при отогреве, необходимо обеспечить некоторое смещение одного из концов полоски (см. рис. 4) за счет упругого элемента (пружины) заданной жесткости. Это позволит изменять величину зазора Ъ в целях регулирования величины стеснения (жесткости защемления). При стесненном формоизменении арки-полоски процесс прощелкива-ния имеет динамический характер.

Силовые характеристики при нагреве арки-полоски определялись с помощью устройства, представленного на рис. 5, после прогиба арки-полоски в мартенсите. Динамометр устанавливался последовательно в положения К, Ы, а, Ь, с. Затем осуществлялся нагрев арки-полоски до температуры Ак + 15 °С. Силы, развивающиеся аркой-полоской, фиксировались на шкале динамометра разрывной машины. Видно, что сила удара зависит от расстояния между полоской и препятствием (Н;). На рис. 3 приведена кривая распределения силовых характеристик арки-полоски при отогреве до

Рис. 5. Устройство для определения силовых характеристик арки-полоски: 1 - корпус; 2, 6 - неподвижная опора; 3 - болт крепления; 4 - верхняя траверса с динамометром; 5 - подвижная опора; 7 - нагреватель; 8 - нижняя траверса; а, Ь, с - положения препятствующего тела (динамометра); N - область потери устойчивости; М - арка-полоска после прогиба в мартенсите; О - характерная форма арки-полоски в момент потери устойчивости при нагреве; К - восстановленная форма арки после хлопка

аустенитного состояния. Видно, что вблизи точек К и N удар отсутствует, а реактивные усилия незначительные. Удар максимальной силы возникает в области верхней критической нагрузки (Рв) кривой прогиба арки-полоски в мартенситном состоянии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика исследования деформируемой системы в виде арки-полоски из сплава Ti-Ni с эффектом памяти формы.

2. Экспериментально изучены особенности механического поведения арки-полоски в циклах прогиб в мартенсите ^ отогрев до аустенитного состояния. Показано, что силовые параметры арки-полоски реализуется только в условиях стеснения (упругого сопротивления) Рупр ~ (0,9-0,95)Pr, с некоторым смещением подвижной опоры (Z).

3. Полученные данные в данной работе хорошо согласуются с теорией [5] и могут использоваться при проектировании термоустройств различного назначения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. М.: Наука,

1967. С. 394-469.

2. Хусаинов М.А. Устойчивость и механическое поведение арки-полоски из сплава с памятью формы // Вестник НовГУ. Сер. Естеств. и техн. науки. Новгород, 1998. № 10. С. 34-36.

3. Татаринов К.В., Смыслов В.А., Хусаинов М.А. Явление прощелки-вания арки-полоски с памятью формы // Вестник НовГУ. Сер. Естеств. и техн. науки. Новгород, 1999. № 13. С. 126-127.

4. Хусаинов М.А. Исследование эффекта осесимметричного выпучивания круглых пластин // ЖТФ. 1997. Т. 67. № 6. С. 118-120.

5. Малыгин Г.А., Хусаинов М.А. Анализ устойчивости механического поведения арки-полоски из никелида титана в условиях стесненного эффекта памяти формы // ЖТФ. 2004. Т. 74. Вып. 10. С. 57-63.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Bondarev A.B., Khusainov M.A., Andreev V.A., Petrov N.V. The stability loss effect of Ti-Ni shape memory arched strip. A method of mechanical behaviour research of Ti-Ni shape memory arched strip is worked up, which behaviour is caused by the loss of stability during reverse martensitic transformation (M^A) and the shape recovery through clicking. It is shown that the arched strip clicking with a clap is implemented only when the elastic displacement of one of the arch edges takes place. In the work there is the data for the impact force (Pimp) distribution versus the loading (bending) curve of the arched strip in martensitic state.

Key words: arched strip; loss of stability; clicking; rigid fixing; clap.