Автореферат (1149134), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Исследования проводили на различных макетах-моделяхтермомеханических соединений (ТМС). Первый тип моделей описан в Разделе2.2.1. Они представляли собой ТМС с муфтами различной высоты (5, 10, 35 мм)из низкотемпературного сплава TiNiFe с внутренним диаметром 19,3 мм. Муфтыохлаждали в жидком азоте до 77К.
После охлаждения муфты деформировалидорном, в результате чего их внутренний диаметр увеличивался до 20 мм, затеммуфты надевали на сплошные стальные стержни с диаметром 19,8 мм. При10нагреве до комнатной температуры в результате эффекта памяти формы муфтыплотно охватывали стержни, образуя ТМС. Соединения были собраны в 1987году С.Р. Шиманским. Второй тип макетов ТМС описан в Разделе 2.2.2. Для нихиспользовали муфты из сплава TiNiFe, собранные со сплошнымицилиндрическими стержнями из различных материалов (алюминий, латунь,сталь 3, сталь 12Х18Н10Т).
Диаметр стержней – 20,4 мм. Муфты с внутреннимдиаметром 19,8 мм аналогичным образом дорновали при температуре 77 К додиаметра 21,15 мм и надевали на стержни. При комнатной температуре врезультате ЭПФ муфты образовывали ТМС. Макеты также были собраны в 1987году С.Р. Шиманским. Третий тип моделей ТМС описан в Разделе 2.2.3 ипредставлял собой муфты разной толщины из низкотемпературного (Аs=143К)сплава CuZnAl, собранные со сплошными стальными цилиндрами. Исходныйвнутренний диаметр всех муфт составлял 13,6 мм, высота – 30 мм.
Наружныедиаметры муфт составляли 16,5, 17,0, 17,5, 18,0, 19,0 и 20,0 мм. Муфтыдеформировали дорном диаметром 14 мм в жидком азоте, затем свободнонадевали на стержни диаметром 13,7 мм и нагревали до комнатной температуры.В результате ЭПФ при нагреве муфты образовывали ТМС. Соединения былисобраны в 1987 году А.И. Разовым. Динамика изменения реактивныхнапряжений оценивалась косвенно – по усилиям, необходимым для страгиваниямуфт по поверхности цилиндра. В течение 30 лет периодически проводилисьиспытания на сдвиг муфт по стержням и были измерены необходимые для этогоусилия.Для муфт из сплава TiNiFe было показано, что почти во всех случаях сила,необходимая для страгивания муфт по поверхности цилиндра, с течениемвремени растет.
Так, например, в ТМС со стальным стержнем усилия,необходимые для страгивания муфты из сплава TiNiFe по поверхностицилиндра, выросли с 27800 Н до 35800 Н за 30 лет. Это говорит о том, чтостержни деформируются под действием постоянных напряжений со сторонымуфт, ползут. Это может быть связано с тем, что реактивные напряжения вмуфтах из никелида титана слабо релаксируют, в виду того, что сплав TiNiFe ваустенитном состоянии, практически не подвержен ползучести. Чем меньшевысота муфты – тем сильнее увеличение силы страгивания, поскольку в этомслучае концентрация напряжений выше. Так в ТМС со стальными стержнями имуфтами из сплава TiNiFe высотой 5 мм усилия выросли в два раза за 30 лет, апри использовании муфт высотой 35 мм усилия выросли на 50% за 30 лет.
Лишьв одном случае наблюдалось уменьшение силы страгивания – в макете ТМС состержнем из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Сталь 12Х18Н10Т практически неподвержена ползучести и по всей видимости, небольшой спад усилий связан срелаксацией реактивных напряжений в муфте.
Показано, что за 30 лет усилиянеобходимые для страгивания муфты по поверхности стержня уменьшились с23200 Н до 21400 Н. Поскольку зависимость между усилиями страгивания инапряжениями на поверхности соприкосновения муфты и стержня линейна,11можно утверждать, что релаксация реактивных напряжений в никелиде титанасоставляет не более 8% за 30 лет.В муфтах из сплава CuZnAl наблюдалась явная релаксация напряжений втечение всего процесса длительного хранения (рисунок 3) и была предпринятапопытка теоретически описать этот процесс. Начальные напряжения быливычислены по формуле для соединений с натягом: = 0 = 2, где δ – натяг (в нашем случае – 0,1 мм), E1, μ1, E2,221(1−1 )+(2 2 −2+2 )μ2 – модули юнга и коэффициенты Пуассона стержня и муфты соответственно,R – внешний диаметр муфты.а)а)б)Экспериментб)ТеорияРис.
3. Зависимость напряжения на контактной поверхности муфты из CuZnAl истального стержня от времени.Внешний диаметр муфт:а) 16,5 (■),17 (●) и 17,5 мм (▲), б) 18 (■),19 (●) и 20 мм (▲).Изменение реактивных напряжений во времени было описано в рамкахпредположений И.А. Одинга [5]. Общая формула имеет вид: = 1 − ( ′ − 2 ),где 1 = 0 −⁄1+ – напряжения первого этапа релаксации, вызванной12′диффузионными межзеренными процессами, 2 = +(0 − ) ⁄0 −⁄0 –напряжения на втором этапе релаксации, вызванной внутрезереннымипроцессами, где 0 – начальное напряжение, – предел релаксации (в теорииМаксвелла считается = 0), 0 – время второго этапа, ′ - напряжение в началевторого этапа релаксации, k, p – коэффициенты, которые выбираются взависимости от материала и условий процесса релаксации.
Видно, чтоэкспериментальные и теоретические кривые с достаточной степенью точностисовпадают (рисунок 3).В Разделе 2.3 показано влияние времени на ЭПФ на примере образцов –свидетелей реальных приводов для рычажного устройства фермы «Рапана»,изготовленных в 1992 году. Приводы представляли собой проволоку из сплаваTiNi диаметром 2 мм, длиной около 2 м с характеристическими температурамиMf=34оС, Мs=66оС, Аs=81оС, Аf=94оС. Приводы претерпели термомеханическуюобработку, которая заключалась в охлаждении под напряжением 290 МПа инагреве под напряжением 25 МПа в течение 6 циклов, седьмой цикл охлаждения– взведение образца, а седьмой цикл нагрева – рабочий ход.
Ферма с рычажнымиустройствами с ЭПФ-приводами была установлена в 1993 году на станции«МИР». Образцы-свидетели, претерпевшие такую же термомеханическуюобработку, хранились в мартенситномсостоянии с 1992 года. В 2016 году в 5образцах свидетелях был реализован 7й цикл нагрева, то есть почти 25 летспустя после изготовления. На рисунке4 показаны зависимости величинэффекта пластичности превращения иэффекта памяти формы от номерацикла. Почти 25 лет спустя величинаэффекта памяти формы в образцахсвидетелях из эквиатомного сплава TiNiРис.4.
Зависимости величин эффектаникак не деградировала.пластичности превращения и памятиВ Разделе 2.4 показано влияниеформы от номера термоциклавремени на обратимую памяти формы⬛ - 1992 год, ♢- 2016 год.на примере двух типов образцов,описанных в Разделах 2.4.1 и 2.4.2. В качестве первого типа образцов быливыбраны кольцевые образцы из сплава TiNiCu с характеристическимитемпературами Ms=65oC, Mf=55oC, As=87oC, Af=98oC. Деформирование образцовпроизводилось дорнованием с помощью бойка диаметром d=24,4 мм прикомнатной температуре. Кольца были деформированы в 1987 году А.И.
Разовым.После деформирования было проведено шесть циклов нагрева и охлаждениячерез интервалы температур прямого и обратного мартенситного превращения.Первый термоцикл реализовал эффект памяти формы. Последующие пятьтермоциклов пришлись на реализацию эффекта обратимой памяти формы. В132016 году было проведено аналогичное термоциклирование в том же самоминтервале температур.На рисунке 5 приведена зависимость величины обратимой памяти формыот номера цикла в кольцах TiNiCu. После длительного вылеживаниянаблюдается особенность: в первом цикле после хранения величина эффектаобратимой памяти формы увеличивается примерно на 10%.
Последующеетермоциклирование уменьшает величинуОПФ, однако она все равно остаетсянесколькобольше,чемпереддолговременным хранением образцов вдеформированноммартенситномсостоянии.Второй тип образцов, описанный в Разделе2.4.2 представлял из себя цилиндрическиеобразцы из сплава TiNi высотой идиаметром 5 мм. Цилиндры былиРис.5. Зависимость величиныотожжены при температуре 500oC в течениеэффекта обратимой памяти формыв кольцевых образцах из сплава TiNiCu часа и деформированы сжатием прикомнатной температуре в 1999 году. Послеот номера цикла.деформирования образцы были дважды⬛ - 1987 год, ♢ - 2016 год.термоциклированы, таким образом, вобразцах был реализован эффект памятиформы и один цикл обратимой памятиформы.
Спустя 17 лет, в 2016 году,половина образцов в количестве 4-х штукбыла подвергнута серии термоциклов ваналогичном 1999-му году интервалетемпературпрямогоиобратногомартенситного превращения (рисунок 6).Испытания показали, что в первом циклепосле длительного хранения образцов вРис.6. Зависимости величинымартенситном состоянии наблюдаетсяобратимой памяти формы в сплавеувеличение эффекта обратимой памятиTiNi от номера цикла.формы.ПоследующиетермоциклыНагрев до 150оС.приводят кнебольшому снижению♢ – 1999 год, ⬛ – 2016 год.величины ОПФ, но она все равно остаетсясущественно больше, чем до длительного хранения.
Вторая половина образцовбыла термоциклирована в более широком интервале температур (рисунок 7).Точно так же в первом цикле после длительного хранения наблюдаетсяувеличениеэффектаобратимойпамятиформы.Последующеетермоциклирование приводит к сильному уменьшению величины ОПФ: нагревдо более высоких температур при термоциклировании приводит к релаксации14внутренних напряжений, которые инициируют рост ориентированныхкристаллов мартенсита на этапе охлаждения.
Чем меньше внутренниенапряжения – тем меньшая доля ориентированных кристаллов зарождается наэтапе охлаждения, что приводит к менее выраженному формовосстановлениюпри последующем нагреве.В Разделе 2.5 содержатся выводы поглаве. Показано, что релаксация реактивныхнапряжений в муфтах из сплава TiNiFeкрайне мала и составляет не более 8% за 30лет.
Реактивные напряжения в муфтах изсплава CuZnAl естественным образомрелаксируют, а процесс релаксации можетбыть теоретически описан в рамках гипотезИ.А. Одинга.Экспериментальноустановлено, что эффект памяти формыРис.7. Зависимость величинывеличиной в 5% в сплаве TiNi эквиатомногообратимой памяти формы в сплавесостава с достаточной степенью точностиTiNi от номера цикла.не изменяется за время хранения вНагрев до 230оС.мартенситном состоянии в течение 25-ти♢ – 1999 год, ⬛ – 2016 год.лет. Обнаружена особенность поведенияОПФ в сплавах на основе TiNi, заключающаяся в увеличении ОПФ последлительного хранения в мартенситном состоянии.
Единственное, что можетпроисходить в материале с течением времени, если в нем не происходитструктурных изменений, связанных с превращением – это релаксациявнутренних напряжений. В таком случае увеличение ОПФ со временем можнообъяснить релаксацией внутренних напряжений, которые противодействоваливозврату деформации во время протекания обратного превращения.В Главе 3 выполнено компьютерное моделирование влияния временидлительного хранения на эффекты памяти в сплаве TiNi.
Для теоретическогомоделирования была выбрана микроструктурная модель, основанная наструктурно-аналитической теории прочности [6-10]. В Разделе 3.1 приведенаформулировка и основные положения использованной модели. Ключевоймомент в том, что прежде в рамках модели предлагалось наличие двух видовдефектов: рассеянных и ориентированных, связанных с ростоммикропластической деформации. Микропластическая деформация реализуетсячерез образование и движение дефектов, создающих ориентированныедальнодействующие поля напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
