Диссертация (1149136), страница 13
Текст из файла (страница 13)
∙ 1,21 ∙ 10−6С учетом того, что коэффициент сдвига характеристических температурk 0,13 К/МПа, то таким образом можно ожидать смещения температур навеличину порядка 13 градусов.При последующем выборе материала необходимо учесть не только этот сдвигтемператур от рабочих усилий, но и сдвиг температур в результате взведениярабочего элемента, например, за счет известного явления стабилизации мартенсита[83,84], которое существенно увеличивает температуры формовосстановления.3. Выбор материала с эффектом памяти формы и определение егофункционально-механических свойств.В качестве материала-кандидата для изготовления привода был рассмотренсплав TiNi с эффектом памяти формы типа ТН-1, проволока диаметром 1,1 мм изкоторого была изготовлена ООО «Промышленный центр МАТЭК-СПФ». Былирассмотрены два варианта термообработки сплава: отжиг при температуре 500оС втечение одного часа и охлаждения с печью и отжиг при температуре 650оС в92течение 30 минут и закалка в воде.
Зависимость выделения и поглощения тепла приохлажденииинагревании,полученныеспомощьюдифференциальнойсканирующей калориметрии, представлена на рисунке 4.15.а)б)Рис.4.15. Тепловыделение и теплопоглощение сплава после термообработки500оС в течение одного часа и охлаждения с печью (а) и 650оС в течение 30минут и закалки в воде (б).Характеристические температуры прямого и обратного мартенситногопревращения после обеих термических обработок практически не отличаются. Дляданной задачи принципиальное значение имеют температуры обратногомартенситного превращения, которые составляют: As ≈ 84°C, Аf ≈ 103°C.С учетом сдвига характеристических температур под напряжением на 13оС,предполагается что эти температуры охватят необходимый диапазон от 100 до110оС.Далее полуфабрикат - проволока диаметром 1,1 мм выбранного сплава TiNi,был исследованы для определения его механических и функциональных свойств.На рисунке 4.16.
приведены диаграммы деформирования материала послетермообработки – отжига при температуре 500оС в течение одного часа,охлаждения с печью и после отжига при температуре 650оС в течение 30 минут,закалки в воде. Из диаграмм деформирования видно, что механические свойствасплава при обоих указанных термообработках практически не имеют различий.93Фазовый предел текучести составляет порядка 170-180 МПа, дислокационныйпредел текучести около 500 МПа.а)б)Рис.4.16.
Диаграмма деформирования сплава TiNi в мартенситном состояниипосле отжига при температуре (а) 500оС в течение одного часа и охлаждения спечью (б) 650оС в течение 30 минут и закалки в воде.Для определения функциональных свойств материал был деформирован до10% в мартенситном состоянии и термоциклирован. На рисунке 4.17. приведеныграфики проявления эффекта памяти формы после активного деформирования дляобоих вариантов предварительной термической обработки материала.а)б)Рис.4.17. Эффекты однократной и обратимой памяти формы сплава TiNi послеактивного деформирования до 10% в мартенситном состоянии.Термообработка 500оС в течение одного часа и охлаждения с печью (а) и 650оСв течение 30 минут и закалки в воде (б).94Эффект памяти формы реализует порядка 5% восстановления деформации,как и было предположено при теоретическом описании.
Однако, в материале послеотжига при 500оС эффект памяти проявляется сильнее чем во втором случаепримерно на 0,5% и можно предположить, что термообработка 500оС в течениеодного часа и охлаждение с печью предпочтительнее.Вследствие эффекта стабилизации мартенсита смещение характеристическихтемператур обратного мартенситного превращения весьма существенно иприводит к тому, что эффект памяти формы проявляется при значительно болеевысокой температуре, до 150оС, и не охватывает необходимый интервалтемператур. Следовательно, такой способ накопления деформации в выбранномматериале для нашей задачи не подходит.
Обойти эту проблему можно, используядля накопления неупругой деформации эффект пластичности превращения.Эффект пластичности превращения можно получить, нагрузив образец из сплава сэффектом памяти формы в аустенитном состоянии и охладив через интервалпрямого мартенситного превращения. При охлаждении наблюдается интенсивноенакопление неупругой деформации, связанное с ростом ориентированныхкристалловмартенсита.Послеснятиянагрузкинакопленнаянеупругаядеформация сохраняется.
При последующем нагревании деформированногообразца через интервал температур обратного мартенситного превращениядеформация восстанавливается в результате реализации эффекта памяти формы, нов этом случае смещение температур обратного мартенситного превращения принаших незначительных рабочих напряжениях, практически, отсутствует [84].Дляопределенияпредпочтительнойтермообработкипритакомдеформационном режиме необходимо сравнить проявления функциональныхсвойств материала. На рисунке 4.18. приведены значения накопленной ивосстановленной деформации в материале после отжига при 500оC и 650оC, припроведении шести циклов под напряжениями 200, 250 МПа.
Охлаждение черезинтервал прямого мартенситного превращения проходит под соответствующимнапряжением, нагрев через интервал обратного мартенситного превращения95проходит под напряжением 10 МПа, которое обусловлено особенностямиконструкции испытательной установки. Термодеформационный цикл повторялинесколько раз.а)б)Рис.4.18.
Зависимость пластичности превращения и ЭПФ от номера цикла.а) напряжение 200 МПа на этапе охлаждения, б)250 МПа на этапе охлаждения▼ – деформация, накопленная в результате ЭПП (отжиг при 650оC)▲– эффект памяти формы (отжиг при 650оC)♦ – деформация, накопленная в результате ЭПП (отжиг при 500оC)■ – эффект памяти формы (отжиг при 500оC).Видно, что материал, который претерпел отжиг при 500оС, как и в случае сактивным деформированием в мартенситном состоянии, сильнее проявляет эффектпамяти формы, в отличие от материала, который претерпел отжиг при 650 оС. Изэтого следует, что в качестве привода предпочтительней использовать материал,который претерпел отжиг при 500оС и охлаждался с печью.4. Выбор оптимального режима термомеханической обработки рабочегоэлемента с памятью формы для обеспечения его функциональности в заданномдиапазоне температур.Определившись с термообработкой материала необходимо определитьоптимальный термодеформационный режим подготовки рабочего элемента кфункционированию.
Проявление функциональных свойств сплава TiNi зависит от96величины предварительной нагрузки и числа термодеформационных циклов. Дляопределения оптимальной нагрузки и числа термодеформационных циклов былопроведено термоциклирование материала под различными напряжениями винтервале 150-250 МПа (рисунок 4.19.).а)б)Рис.4.19. Зависимость пластичности превращения и однократной памятиформы от напряжения во втором (а) и пятом (б) цикле.Сплав ТН-1 после отжига при 500оС 1 ч., охлаждение с печью.▲ – деформация, накопленная в результате ЭПП▼ – однократный эффект памяти формы.Было показано, что тренировка под напряжением 220 МПа дает максимальнуювеличину эффекта памяти формы, как и 225 МПа, однако, деформация,накопленная в результате эффекта пластичности превращения, во втором случаебольше.
Таким образом предполагается, что оптимальная нагрузка на этапеохлаждения должна быть 220 МПа.Было проведено различное количество термодеформационных цикловохлаждения под нагрузкой 220 МПа и нагрева без нагрузки. Показано, что для того,чтобы привести значения эффекта памяти формы и эффекта пластичностипревращения к установившейся величине, необходимо 10-11 циклов (рис.4.20.).97Рис.4.20. Зависимости величинпластичности превращения и памятиформы от числа циклов в материале,претерпевшем отжиг при 500 оC.Нагрузка – 220МПа.● – эффект пластичности превращения■ – эффект памяти формы.На рисунке 4.21.
приведены диаграммы деформация-температура в десятоми одиннадцатом термодеформационном цикле материала, отожженного притемпературе 500оС в течение одного часа и охлажденного с печью. Нагрузка приохлаждении - 220 МПа, нагрев – без нагрузки.а)б)Рис.4.21. Эффекты пластичности превращения и памяти формы в десятомцикле (а) и эффект пластичности превращения в одиннадцатом цикле (б).Из рисунка 4.21(а) видно, что после десяти термодеформационных цикловобщая необратимая деформация образца составляет порядка 16%. Деформацияэффекта пластичности превращения с учетом упругой разгрузки в 11 циклесоставляет порядка 7%. Если предположить, что в 11-м цикле материалвосстанавливает 6,2% деформации, как и в 10 цикле, то можно полагать, что мыимеем некий новый образец, длиной 0′ = 0 + 0,160 = 1,160 , в котором98реализуется эффект пластичности превращения и памяти формы.
Величинуэффекта пластичности превращения и эффекта памяти формы по отношению кдлине «нового» образца можно вычислить следующим образом:ЭПП′ = 0,080≈≈ 7%,0′1,160где – удлинение во время пластичности превращения в 11 цикле, 0 – начальнаядлина образца;ЭПФ′ =0,0620≈≈ 0,053 = 5,3%,0′1,160где – ход при восстановлении, 0 – начальная длина образца.Таким образом, мы получили тренированный материал, в котором реализуетсяпорядка 7% эффекта пластичности превращения и не менее 5% восстановленниядеформации. То есть, подготовив вышеописанным способом материал, мы пришлик почти полному соответствию с теоретическим предположением, приведенным вначале.На рисунке 4.22 изображена точечная диаграмма, демонстрирующаявеличину эффекта памяти формы по отношению к «новой» длине тренированногообразцаподнагрузкой220МПа,взависимостиотколичестватермодеформационных циклов.
Из рисунка 4.22 видно, что максимальная величинаэффекта памяти достигается при реализации одиннадцати термодеформационныхциклов.Рис.4.22. ЭПФ′ после различногочисла термодеформационныхциклов под напряжением 220МПа, действующем на этапеохлаждения99Таким образом был выбран оптимальный режим термомеханическойобработки рабочего элемента с память формы5. Термомеханическая обработка рабочего элемента и верификация егофункциональности в заданном интервале температур.Образцы были подвергнуты подобранной термомеханической обработке ипроверке функциональных свойств.На рисунке 4.23.
представлена зависимость возврата деформации рабочегоэлемента за счет эффекта памяти формы при нагревании через интервалтемператур обратного мартенситного превращения.Рис.4.23. Эффектоднократной памяти формыпри нагревании и обратимаяпамять формы (приохлаждении) по отношению кдлине деформированногообразца в сплаве ТН-1.Рисунок4.23показываетправильностьвыбораматериалаиеготермомеханической обработки. Интервал срабатывания температур 100-110оСохвачен. Минимальный необходимый процент восстановления деформации поотношению к длине готового привода при нагреве до 110оС достигается(ЭПФ′ =10′=9мм210мм≈ 4,2%).6. Проверка функционирования рабочего элемента в самом устройствеили его макете.Для проверки функциональности изготовленных рабочих элементов взаданном диапазоне температур был изготовлен макет, имитирующий работу100устройства, и проведено два полноразмерных эксперимента.
В собраннойконструкции один конец изготовленного проволочного привода фиксировался внеподвижном захвате, а второй – в подвижном с сопротивлением около 100Н.Конструкцию нагревали в термокамере универсальной испытательной машиныLloyd 30K Plus (рисунок 4.24) а температуру привода дополнительно измерялитермопарой. Этот эксперимент можно отнести к так называемым конструкторскодоводочным испытаниям.Рис.4.24 Макет устройства в термокамере.Размер рабочей части проволочного элемента соответствовал размеруреального привода – 210 мм. В результате первого эксперимента было установлено,что при нагревании до 100ºC рабочий ход привода составил 8,3 мм, а принагревании до 110ºC рабочий ход привода составил 10,4 мм.
В результате второгоэксперимента установлено, что при нагревании до 100ºC рабочий ход приводасоставил 8,1 мм, а при нагревании до 110ºC рабочий ход привода составил 10,7 мм.Таким образом, можно сделать вывод, что разработанная методика обеспечиваетфункциональность термочувствительного проволочного привода в заданноминтервале температур – обеспечивает необходимые рабочий ход с рабочимусилием в интервале температур от 100 до 110оС.1017. Изготовление рабочего элемента и его паспортизация.Поуказаннойоптимальнойтермомеханическойобработкебылаизготовлена партия приводов, каждый из которых был снабжен паспортом иобразцом-свидетелем, представляющим собой проволоку длиной 50 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
