Диссертация (1149136), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Обратимая память формыаустенитного типа после сжатия проявляется, при более низких температурахиспытания, чем после растяжения.Все это свидетельствует о различной чувствительности фазового идислокационного каналов неупругой деформации к скорости предварительногодеформирования.42Глава 2. Влияние времени длительного хранения нафункциональные свойства рабочих элементов из сплавов сэффектом памяти формыРабочие элементы на основе сплавов с эффектом памяти формыиспользуютсявсамыхразныхобластяхтехники.Дляобеспеченияфункциональности устройств на основе сплавов с памятью формы и самих рабочихэлементов необходимо быть уверенным в надежности и стабильности устройстваво времени.
Необходимо, чтобы устройство на основе материала с ЭПФсрабатывало спустя и год и десять лет. Особенно это актуально для устройств,задействованных в космической технике, для них зачастую необходимо иметьгарантию работоспособности в 15-20 лет. Устройство может не использоватьсягодами, но при необходимости обязано гарантированно срабатывать должнымобразом.2.1.Аналитический обзорВ мировой научно-технической литературе есть совсем небольшоеколичество работ, которые бы затрагивали вопрос изменения функциональныхсвойств сплавов с памятью формы во времени.
Так, например, в работеМ.А. Хусаинова с коллегами [52] рассмотрен вопрос влияния вылеживания натемпературы срабатывания термореле с термочувствительным элементом изсплава с ЭПФ. Влияние длительности вылеживания на температуры срабатыванияустройства показано на рисунке 2.1. В качестве материала исследованияиспользовался сплав Ti-50,4ат.%Ni.
Образцы подвергали термотренингу, которыйзаключался в деформировании образца в мартенситном состоянии, жесткомзащемлении и термоциклировании через интервалы прямого и обратногомартенситного превращения. Согласно исследованию видно, что с увеличениемвремени выдержки температура срабатывания возрастает. Через 2 часа онадостигает максимального значения и остается на этом уровне все остальное время.43Показано, что термотренинг качественно не влияет на поведение температуры(рисунок 2.1(б), но количественно более чем в два раза уменьшает ее скачок.Рис.2.1. Зависимость температуры срабатывания при нагреве (Тнср ) отдлительности вылеживания (τв) при – 9оС(а) исходное состояние, (б) после термотренинга.1 - (100–200) ц, 2 - (2000–5000)ц., 3 - (5000–10000) ц., 4 - (10000–20000) ц., 5 (20000–40000) ц [52].ВдругойработеМ.А.
Хусаиновссоавторами[53]исследовалиработоспособность сферических рабочих элементов (рисунок 2.2) из никелидатитана после вылеживания при различных температурах. В исследовании быларассмотрена стабильность функциональных свойств сферических элементов взависимости от продолжительности выдержки при различных температурах: 20°С,4°С, –15°С в свободном состоянии и в защемленном после срабатывания.
Показано,что величина температуры срабатывания не изменяется в течение года, еслиматериал хранится при комнатной температуре. Однако, хранение при температуре44ниже нуля приводит к уменьшению силы хлопка элемента и температурысрабатывания. Особенно наглядно это видно в сплаве Ti-50,35ат%Ni (рисунок 2.3.).а)б)Рис.
2.2. Общий вид элемента (а) и устройство для измерения высоты отскокасферического сегмента от нагретой поверхности (б): 1 - корпус; 2 сферический сегмент; 3 - нагревательный элемент [53].Рис.2.3. Зависимость силы удара сферического сегмента (Руд) о препятствие итемпературы срабатывания Тхл от длительности вылеживания притемпературе –15°С. Сплав Ti-50,35ат%Ni [53].В работах [54,55] тоже было рассмотрено влияние выдержки при различныхтемпературах на характеристические температуры материала. В исследовании45рассматривали не температуру начала или окончания обратного мартенситногопревращения, а температуру пика обратного мартенситного превращения накалориметрическойкривойА р.В качествеобъектаисследованиябылаиспользована проволока из сплава Ti-54.4wt%Ni.Результаты испытаний показали, что температура и время старенияоказывают заметное влияние на испытуемые образцы.
Более высокие температурыстарения приводят к более сильному смещению значений температуры AP. СкачокAp имеет максимальное значение в первом испытании после длительноговылеживанияпривысокойтемпературе.МаксимальноеповышениеА p-температуры в 29,8 К было получено в образцах, состаренных при температуре140°С в течение 1560 дней. Здесь следует отметить, что использованные в этихработах сплавы имели избыток никеля по сравнению с эквиатомным составом.Рис. 2.4.
Максимальный сдвиг температуры Ap при первом нагреве TiNiпроволоки после старения при разных температурах в течение 1560 дней[54].В работе С.Д. Прокошкина с коллегами [56] было показано влияние длительноговылеживания на величину и стабильность эффекта обратимой памяти формы. Вкачестве объекта исследования был использован сплав Ti49.9at%Ni. Образцыактивно деформировали в аустенитном и мартенситном состоянии, задав темсамым обратимую память формы обоих типов. После деформирования проводили46термоциклирование, как и после длительного вылеживания в течение 9 лет.
Нарисунке 2.5 показаны величины ОПФ обоих типов до и после вылеживания. Изпредставленных зависимостей видно, что величина ОПФ мартенситного типапосле выдержки понижается. Величина ОПФ аустенитного типа с выдержкой неменяется. Стабилизация эффекта обратимой памяти при термоциклировании послевыдержки достигается за меньшее число циклов.Рис. 2.5. Изменение величины ОПФпри термоциклировании.----- – ОПФ до вылеживания––– – ОПФ после вылеживания1 – ОПФ мартенситного типа2 – ОПФ аустенитного типа.В работе [34] Батурин А.А. с коллегами исследовал влияние вылеживаниянаводороженных образцов на структурно-фазовые превращения в двойных сплавахна основе никелида титана. Наводороженные образцы вылеживали в течениеполугода.
Исследования показали деградацию свойств наводороженного сплава стечением времени.В целом обзор показывает, что рассчитывать на разнообразие работ,посвященныхвопросувлияниядлительногохраненияматериаловнафункциональные свойства, не приходится. Лишь несколько статей, посвященныхтемпературам и одно упоминание эффекта обратимой памяти формы. Тем болеенет работ, которые бы изучали влияние вылеживания на длительных промежуткахвремени в несколько десятков лет.47С целью выяснить влияние временных факторов на функциональностьразличных рабочих элементов из сплавов с эффектом памяти формы, былоисследовано влияние времени на реактивные напряжения и эффекты однократнойи обратимой памяти формы.2.2.Реактивные напряженияИсследование влияния времени на реактивные напряжения проводили наразличных макетах-моделях термомеханических соединений.2.2.1.
Первый тип моделей ТМСПервый тип моделей представляет собой термомеханические соединения смуфтами различной высоты из низкотемпературного сплава ТН-IК (TiNiFe), свнутренним диаметром 19,3 мм. Муфты охлаждали в жидком азоте до 77К. Послеохлаждения муфты деформировали дорном, в результате чего их внутреннийдиаметр увеличивался до 20 мм, затем муфты надевали на сплошные стальныестержни с диаметром 19,8мм. При нагреве до комнатной температуры в результатеэффекта памяти формы муфты охватывали стержни, образуя термомеханическиесоединения (рисунок 2.6.). ТМС были собраны в 1987 году.Рис.2.6. Термомеханическоесоединение. Муфты из сплава TiNiFeразличной высоты собранные состальными стержнями.Динамика изменения реактивных напряжений оценивалась косвенно – поусилиям, необходимым для страгивания муфт по поверхности цилиндра.
Попрошествии времени проводили испытания на сдвиг муфт по стержням и измерялинеобходимые усилия (таблица 2.1.).48Таблица 2.1. Усилия, необходимые для страгивания муфт из сплава TiNiFeразличной высоты по поверхности стального стержня.Высота муфты, мм Усилие черезУсилие черезУсилие через1 час, Н1000 ч, Н30 лет, Н53950670097001013000160002830035430506300066500Примечание: данные, относящиеся к 1987 году, получены С.Р.Шиманским.С течением времени сила, необходимая для страгивания муфт поповерхности цилиндра, растет. Это говорит о том, что стальные стержнидеформируются под действием постоянных напряжений со стороны муфт, ползут.Это может быть связано с тем, что реактивные напряжения в муфтах из никелидатитана практически не релаксируют, в виду того, что сплав TiNi в аустенитномсостоянии, практически не подвержен ползучести.
Так как края муфт являютсяконцентраторами напряжений, то чем меньше высота муфты – тем сильнееувеличениесилыстрагивания,посколькумуфтагенерируетболееконцентрированные напряжения.2.2.2. Второй тип моделей ТМСВо втором типе моделей ТМС использовали муфты из сплава ТН-1К (TiNiFe)одинаковой высоты, собранные как термомеханические соединения со сплошнымицилиндрическими стержнями из различных материалов. Диаметр стержней – 20,4мм. Муфты с внутренним диаметром 19,8 мм аналогичным образом дорновали притемпературе 77 К до диаметра 21,15 мм и надевали на стержни.
При комнатнойтемпературе в результате ЭПФ муфты охватывали стержни, образовываятермомеханические соединения (рисунок 2.7.). ТМС были собраны в 1987 году.49Рис.2.7. Термомеханическоесоединение. Муфты из сплаваTiNiFe одинаковой высоты,собранные со стержнями изразличных материалов.Аналогично, по прошествии времени после сборки проводили испытания насдвиг муфт по стержням и измеряли необходимые усилия (таблица 2.2.).Таблица 2.2.
Усилия, необходимые для страгивания муфт из сплава TiNiFeпо поверхности различных стержней.Материал стержня Усилие через 1Усилие черезУсилие через 30час, Н1000 ч, Нлет, НАлюминий247002800031700Латунь236002740032650Сталь 3278003270035800Сталь 12Х18Н10Т232002300021400Примечание: данные, относящиеся к 1987 году, получены С.Р.Шиманским.Увеличение силы, необходимой для страгивания муфт с течением времени впервых трех случаях также говорит о том, что стержни подвержены ползучести поддействием постоянных напряжений со стороны муфты. Муфты вследствиеползучести стержней «выдавливают» материал стержней, что приводит кувеличению силы страгивания. Стержень же из нержавеющей стали 12Х18Н10Тпрактически не ползет, и, по всей видимости, небольшой спад усилий все-такисвязан с релаксацией реактивных напряжений со стороны муфты.
Видно, что за 30лет усилия необходимые для страгивания муфты по поверхности стержняуменьшились на 1800 Н. Поскольку зависимость между усилиями страгивания и50напряжениями на поверхности соприкосновения муфты и стержня линейна, можноутверждать, что релаксация реактивных напряжений в никелиде титана составляетне более 8% за 30 лет (180023200≈ 0,08 = 8%). Можно заключить, что втермомеханических соединениях с использованием никелида титана бòльшую рольдля обеспечения длительной работоспособности играет ползучесть материаласоединяемых элементов.2.2.3. Третий тип моделей ТМСТретий тип моделей ТМС представляет собой муфты разной толщины изнизкотемпературного (Ан=143К) сплава CuZnAl, собранные со сплошнымистальными цилиндрами (рисунок 2.8.). Исходный внутренний диаметр всех муфтсоставлял 13,6 мм, высота – 30 мм.
Наружные диаметры муфт составляли 16,5, 17,0,17,5, 18,0, 19,0 и 20,0 мм. Муфты деформировали дорном диаметром 14 мм вжидком азоте, затем свободно надевали на стержни диаметром 13,7 мм и нагревалидо комнатной температуры. В результате ЭПФ при нагреве муфты образовывалитермомеханические соединения. ТМС были собраны в 1987 году.Рис.2.8. Термомеханическоесоединение. Муфты из сплаваCuZnAl разной толщины,стальные стержни.После сборки в течение 30 лет периодически проводили испытания на сдвигмуфт по стержням и рассчитывали давления на контактной поверхности, они же –реактивные напряжения, по формуле =2ℎ, где P – сдвиговое усилие, r –радиус контактной поверхности, h – высота муфты, f – коэффициент трения(рисунок 2.9.).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
