CC BY
35
УДК 539.38
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-791 -794
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИОННО-СИЛОВОГО ПОВЕДЕНИЯ «МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МЫШЦ» ИЗ СПЛАВА П№
© Ю.Н. Вьюненко
ООО «Оптимикст Лтд», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Показана возможность подготовки силовых элементов из материалов с эффектом памяти формы к заданным деформационно-силовым режимам работы.
Ключевые слова: эффект памяти формы; кольцевые силовые пучковые элементы (КСПЭ).
Деформационно-силовые характеристики кольцевых силовых пучковых элементов (КСПЭ) объясняют преимущества использования материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) в получении слоистых структур [1]. Как показано в [2], тридцатиграммовые «металлические мышцы» из сплава TiNi, используемые в специальном устройстве «ШеР», способны развивать усилия до 20 Н на грамм материала силового элемента.
Для дальнейшего изучения возможностей КСПЭ (рис. 1) был сконструирован динамометр ЛИНД, принципиальная схема которого представлена на рис. 2.
о
Рис. 1. Кольцевой силовой пучковый элемент
Рис. 2. Принципиальная схема эксперимента: 1 - силовые элементы; 2 - контртело (спиральная пружина); 3 - стопорные плоскости контртела
В этом устройстве моделируется взаимодействие силовых элементов (1) с технологическим объектом. Им может являться материал, деталь, узел и т. п., подвергаемый термосиловому воздействию. Как правило, такой технологический объект обладает упругими свойствами, которые необходимо учитывать в разработке режимов технологических процессов. Поэтому в качестве имитатора обрабатываемого изделия выбрана упругая спиральная пружина (2). Одновременно она является упругим контртелом, которое способно во время охлаждения деформировать «металлические мышцы» (1) при температурах прямого мартенситного превращения. Уровень силового взаимодействия КСПЭ и пружины регулируется степенью ее сжатия, т. е. расстоянием между стопорными плоскостями (3). Контртело находится в ЛИНДе на равном расстоянии от каждого из двух силовых элементов, расположенных в параллельных плоскостях.
Конструкция «металлических мышц» представляет собой бухту (в поперечном разрезе - пучок) из четырех витков проволоки. Диаметр проволоки - 2,5 мм, внутренний диаметр кольца (бухты) - 63 мм. Проволока изготовлена из никелида титана с содержанием № 50,2 вес.%.
Нагрев ЛИНДа проводили в термостате, моделируя технологическое использование КСПЭ. В процессе изменения температуры индикатором деформационных явлений служило изменение положения контрольной точки к. Конструктивные особенности ЛИНДа определили взаимосвязь к и << следующим образом:
к = 151 - <3 (мм).
На рис. 3а (кривая 1) представлена зависимость положения контрольной точки от времени при изменении температуры термостата (отражено кривой 2 на рис. 3а) после активного деформирования КСПЭ в мартенсит-ном состоянии. Начальная сила взаимодействия F0 «металлических мышц» с конртелом в опыте была равна 294 Н. После достижения термостатом температуры 80 °С начинается изменение положения контрольной точки. При этом в интервале температур 80-93 °С наблюдали увеличение параметра < . Происходит ослабление силового взаимодействия КСПЭ и контртела до
а
140 120
и
100
ti
IT 80
ti
0J
| 60
0J
I-
40 20 0
jr
2 \
Ii \
1
86 85 84 83 82 81 80 79
150 200 Время, мин
160
б
140 120
u
100
ti
IT 80
ti
0J
| 60
0J
I-
40 20 0
V
{У \
2 \
Л \
1
г
200 300
Время, мин
g 60
0J
I-
40 20 0
150 200 Время, мин
г
80 60
Jr^
2
м
1
и ■««« »«
150 200 250
Время, мин
84
s
83 1
82 i О
81 | X
80 § &
79 Ц
SC QJ
78 i 0J
77 в £
Рис. 3. Временная зависимость смещения контрольной точки к (1) и температуры (2) в первом (а), втором (б), третьем (в) и четвертом (г) термоциклах при Е0 = 294 Н
235,2 Н. После 93 °С изменяется направление смещения контрольной точки, обусловленное развитием эффекта памяти формы. Силовое взаимодействие «металлических мышц» на этом этапе нарастает. Контртело сжимается. В течение 30 мин. сила взаимодействия Е контртела и КСПЭ достигает 509,6 Н. После этого рост силовых характеристик значительно замедляется. Температура в течение 116 мин. медленно увеличивается. К концу нагрева Е достигает 578,2 Н.
В процессе охлаждения в изотермических условиях (~ 296 °С) контртело, деформируя силовые элементы, смещает контрольную точку к отметке 80,25 мм. Таким образом, с возрастанием < происходит ослабление силового взаимодействия до 142,1 Н.
Регулировочным винтом производится поджатие пружины до начального уровня Е0 при комнатной температуре. При этом < возрастает на 0,95 мм. Изменение к во втором термоцикле приведено на рис. 3б. В отличие от первого нагрева, при температурах 80-88 °С отмечено возрастание < лишь на 0,2 мм. Дальнейшее повышение температуры сопровождается формоизменением, обусловленным эффектом памяти формы. При этом к достигает величины 84 мм, что доводит силовое взаимодействие КСПЭ и пружины до 754,6 Н. Это значительно выше максимального значения Е в первом термоцикле. При остывании под воздействием упругой пружины силовые элементы деформируются до величины к, равной 78 мм. Изменение к в термоцикле составило 1,3 мм, а сила взаимодействия уменьшилась относительно Е0 на 127,4 Н. Очередная коррекция силового взаимодействия с доведением Е до 294 Н приводит к изменению к на 0,2 мм.
Во время третьего нагрева (рис. 3в) не наблюдали деформационные эффекты, приводящие к росту < . Де-
формация КСПЭ во время реализации эффекта памяти формы доводит силовое взаимодействие Е до 833 Н. А в процессе охлаждения силовые элементы вновь вытягиваются в вертикальном направлении во время прямого превращения. Величина к становится равной 77 мм, а Е = 215,6 Н.
При доведении силового взаимодействия до Е0 изменение величины к не превысило 0,05 мм. В четвертом цикле нагрева-охлаждения (рис. 3г) наблюдали развитие эффекта памяти формы с доведением силового воздействия на контртело до 911,4 Н. А при охлаждении восстановлено первоначальное положение контрольной точки и начальный уровень силового взаимодействия Е0. В пятом термоцикле деформационно-силовое взаимодействие КСПЭ и контртела не отличалось от предыдущего.
Если начальный силовой контакт повысить и довести до уровня 490 Н в мартенситном состоянии, то немонотонность деформационного процесса проявляется лишь в первом термоцикле (рис. 4а). Во время нагрева, после коррекции силового взаимодействия и повторного доведения Е0 до 490 Н, релаксационный процесс, определяющий возрастание < в интервале температур 80-95 °С и обусловленный «дефектом» модуля упругости [3], не заметен. Во время первого термоцикла величина < возрастает на 1,3 мм, при этом сила взаимодействия ослабевает на 127,4 Н, что существенно больше эффекта при Е0 = 294 Н.
Уже во втором термоцикле после деформирования «металлических мышц» в интервале температур прямого мартенситного превращения во время первого охлаждения максимальное значение Е достигает 999,6 Н. Это на 166,6 Н превышает максимальное силовое взаимодействие, отмеченное в первом термоцикле.
87
0
50
0
82
78
40
77
20
76
0
76
0
50
0
50
60 80 100 Температура, оС
а)
б)
Рис. 4. Температурные зависимости положения контрольной точки в первом (1) и втором (2) термоциклах (а) при F0 = 490 Н, и зависимость температуры термостата от времени при нагреве (б)
0 1 2 3 4 5 6
Номер цикла
Рис. 5. Изменение коэффициента к№ при термоциклировании
На рис. 5 показано изменение этого сило-силового коэффициента в первых пяти термоциклах. Эти данные указывают на то, что структура материала КСПЭ, сформированная в результате изотермической деформации «металлических мышц» в мартенситном состоянии, по-видимому, отличается от той структуры, которая возникает при деформировании во время охлаждении в гетерофазном состоянии. В этом случае силовые характеристики КСПЭ могут оказаться существенно выше.
На рис. 5 продемонстрировано совершенствование силовых характеристик «металлических мышц» в первых четырех термоциклах.
Таким образом, правильным выбором F0 и термо-циклированием с переходом из мартенсита в аустенит и обратно можно «тренировать» силовые элементы, повышая их «силоемкость».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
0
20
40
Из приведенных результатов следует, что повышение силовых возможностей КСПЭ возможно либо повышением F0, либо при сравнительно небольшом значении указанного параметра необходимо проводить многократное термоциклирование.
Представляется важным для многократных циклических силовых элементов отношение максимального значения Fм к начальному F0:
^РР = ¡м/ Р0.
1. Вьюненко Ю.Н. Применение ЭПФ в производстве слоистых материалов // Перспективные материалы и технологии: сборник статей Междунар. науч. симпозиума. Витебск: УО «ВГТУ», 2011. С. 182184.
2. Вьюненко Ю.Н. Исследование механических характеристик силовых элементов из материалов с ЭПФ // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 2023-2024.
3. Вьюненко Ю.Н., Лихачев В.А. Временная зависимость внутреннего трения в никелиде титана вблизи температур фазового превращения // Металлофизика. 1980. Т. 2. № 6. С. 52-56.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.38
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-791 -794
FEATURES OF THE STRAIN-FORCE BEHAVIOUR OF TINI-ALLOY "METAL MUSCLES"
© Y.N. Vyunenko
LLC "Optimikst Ltd", Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: [email protected]
There are shown the possibility of preparation of force shape memory alloy elements in order to secure the required displacement force regimes of functioning in specific technological processes. Key words: shape memory effect; ring power beam elements (RPBE).
REFERENCES
1. V'yunenko Yu.N. Primenenie EPF v proizvodstve sloistykh materialov. Sbornik statey Mezhdunarodnogo nauchnogo simpoziuma "Perspektivnye materialy i tekhnologii". Vitebsk, Educational Institution "Vitebsk State Technological University", 2011, pp. 182-184.
2. V'yunenko Yu.N. Issledovanie mekhanicheskikh kharakteristik silovykh elementov iz materialov s EPF. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2013, vol. 18, no. 4, pp. 2023-2024.
3. V'yunenko Yu.N., Likhachev V.A. Vremennaya zavisimost' vnutrennego treniya v nikelide titana vblizi temperatur fazovogo prevrashcheniya. Metallofizika - Metallofizika, 1980, vol. 2, no. 6, pp. 52-56.
Received 10 April 2016
Вьюненко Юрий Николаевич, ООО «Оптимикст Лтд», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected]
Vyunenko Yuriy Nikolaevich, LLC "Optimikst Ltd", Saint-Petersburg, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, e-mail: [email protected]
