Диссертация (1149136), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Из графиков видно, что сдвиговые усилия, следовательно,реактивные напряжения, релаксируют, приближаясь к своему пределу релаксациив течение 100-200 часов и остаются около него по истечении 30 лет.51а)б)Рис.2.9. Зависимость напряжения на контактной поверхности муфты из сплаваCuZnAl и стального стержня от времени.Внешний диаметр муфт:а) 16,5 (■),17 (●) и 17,5 мм (▲), б) 18 (■),19 (●) и 20 мм (▲)Примечание: данные, относящиеся к 1990-м годам, получены А.И.Разовым.С другой стороны, давление на контактной поверхности, без учета релаксации,оно же реактивное напряжение в муфте, можно оценить теоретически по формулесоединения с натягом:=222(1 − 1 ) + ( 2+ 2 )12 − 2где δ – натяг (в нашем случае – 0,1 мм), E1, μ1, E2, μ2 – модули юнга и коэффициентыПуассона стержня и муфты соответственно, R – внешний диаметр муфты.Расчетныеиэкспериментальныезначенияреактивныхнапряженийприведены в таблице 2.3.Таблица 2.3.
Расчетные и экспериментальные (через 1 час после сборки)значения реактивных напряжений.Внешний диаметр муфты, мм 16,5Расчет, МПаЭксперимент, МПа1764,4 78,568,58817,51819208883,596,812483,883,69710652Как видно из таблицы расчетные значения реактивных напряженийдостаточно хорошо совпадают с экспериментальными, полученными через 1 часпосле сборки ТМС. Была предпринята попытка теоретически оценить измененияреактивных напряжений во времени. В рамках предположения И.А. Одинга [57],релаксация делится на два этапа с различными механизмами. Общая формулаимеет вид: = 1 − ( ′ − 2 ), где 1 = 0 −⁄1+ – напряжения первого этапарелаксации, вызванной диффузионными межзеренными процессами, 2 =′ +(0 − ) ⁄0 −⁄0 – напряжения на втором этапе релаксации, вызваннойвнутрезеренными процессами, где 0 – начальное напряжение, – пределрелаксации (в теории Максвелла считается = 0), 0 – время второго этапа, ′ напряжение в начале второго этапа релаксации, k, p – коэффициенты, которыевыбираются в зависимости от материала и условий процесса релаксации.
Результатрасчета по описанным формулам приведен на рисунке 2.10.а)б)Рис.2.10. Зависимость напряжения на контактной поверхности моделитермомеханического соединения от времени. Внешний диаметр муфт:а) 16,5;17 и 17,5 мм, б) 18;19 и 20 мм.Таким образом видно, что экспериментальные и теоретические кривые сдостаточной степенью точности совпадают, значит, в материале CuZnAl во времярелаксации напряжений отсутствуют процессы, не свойственные привычномуповедению материала, так как процесс полностью теоретически описывается в53рамках стандартной гипотезы. В ТМС наблюдается естественная релаксациянапряжений со стороны муфты. Наиболее интенсивная релаксация происходит впервые 100-200 часов. Стоит отметить, что напряжения во всех образцахпонизились на 20-25 МПа, вне зависимости от толщины муфт.
После релаксациисплав CuZnAl сохраняет существенные напряжения (до 80% от первоначальных)на протяжении многих лет. В совокупности это означает, что термомеханическиесоединения с муфтами из сплава CuZnAl могут быть использованы как обычныесоединения с натягом с той лишь разницей, что эффект памяти формы облегчаетпроцессформированиясоединения,нетребуяособогооборудованиянепосредственно в момент сборки соединения.2.3.Эффект памяти формыВлияние времени на эффект памяти формы было исследовано на примеререальных ЭПФ-приводов для рычажного устройства фермы «Рапана» (рисунок2.11.(а)), изготовленных в 1992 году вместе с проволочными образцамисвидетелями.
В 1993 ферма была установлена на станции «МИР» (рисунок2.11.(б)).Привод представлял собой проволоку из сплава TiNi диаметром 2 мм, длинойоколо 2 м с характеристическими температурами Mк=34оС, Мн=66оС, Ан=81оС,Ак=94оС.Приводыпретерпелитермомеханическуюобработку,котораязаключалась в охлаждении под напряжением 290 МПа и нагреве под напряжением25 МПа в течение 6 циклов, седьмой цикл охлаждения – взведение образца, аседьмой цикл нагрева – рабочий ход, который осуществляли уже в ходетрансформирования ферменной конструкции. Охлаждение под напряжениемреализовало эффект пластичности превращения, последующий нагрев реализовалэффект памяти формы.54а)б)Рис.2.11.а) рычажное устройство фермы«Рапана»б) ферма «Рапана» на бортустанции МИР.В 5 образцах свидетелях 7-й цикл нагрева был реализован в 2016 году, то естьпочти 25 лет спустя после изготовления.
На рисунке 2.12. представлен график,иллюстрирующий восстановление деформации при реализации эффекта памятиформы в одном из образцов-свидетелей.Рис.2.12. График,иллюстрирующий эффектпамяти формы в образцесвидетеле. 2016-й год.55На рисунке 2.13 показаны зависимости величин эффекта пластичностипревращения и эффекта памяти формы, усредненные по пяти измерениям отномера цикла.Рис.2.13.
Зависимости величинэффекта пластичностипревращения и памяти формыот номера термоцикла⬛ - 1992 год,♢- 2016 год.Примечание: данные, относящиеся к1992 году, получены А.И.Разовым.Как видно, почти 25 лет спустя величина эффекта памяти формы в образцахсвидетелях из эквиатомного сплава TiNi никак не деградировала, из чего сдостаточной степенью точности можно утверждать, что время хранения вдеформированном мартенситном состоянии не влияет на такую величину эффектапамяти формы в эквиатомном сплаве TiNi.2.4.Эффект обратимой памяти формыВлияние длительного хранения на проявление обратимой памяти формыбыло исследовано на примере различных сплавов: кольцевые образцы титанникель-медь, и никелид титана, представленный в виде цилиндрических образцов.Образцы отличались не только формой, но и видом предварительной деформации.2.4.1.
Кольцевые образцыВ качестве одного из объектов исследования были выбраны кольцевыеобразцы из сплава TiNiCu с характеристическими температурами Ms=65oC,Mf=55oC,As=87oC,Af=98oC.Деформированиеобразцовпроизводилосьдорнованием с помощью бойка диаметром d=24,4 мм при комнатной температуре.56Кольца были деформированы в 1987 году А.И.Разовым. Геометрическиепараметры образцов до и после деформирования указаны в таблице 2.4.Таблица 2.4.
Размеры кольцевых образцов из сплава TiNiCu до и последеформирования12Высотадо, mm8,258,05Ø внутр.до, mm22,522,45Ø внешний Высотадо, mmпосле, mm29,98,1129,97,8Ø внутр.после, mm24,0524Ø внешнийпосле, mm31,231,3537,9522,529,9524,0531,35№7,8После 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.
В 2016году было проведено аналогичное термоциклирование в том же самом интервалетемператур (рисунок 2.14.).а)б)Рис.2.14. Пять циклов нагрева и охлаждения кольцевых образцов из сплаваTiNiCu через интервал температур прямого и обратного мартенситногопревращения. Обратимая память формы: а) 1987 год. б)2016 год.На рисунке 2.15. приведена зависимость величины обратимой памяти формыот номера цикла.57Рис.2.15. Зависимость величины эффекта обратимой памяти формы вкольцевых образцах из сплава TiNiCu от номера цикла.⬛ - 1987 год, ♢ - 2016 годКаквидно,последлительноговылеживаниявдеформированноммартенситном состоянии наблюдается особенность: в первом цикле послехранения величина эффекта обратимой памяти формы увеличивается примерно на10%.
Последующее термоциклирование уменьшает величину ОПФ, однако она всеравно остается несколько больше, чем перед долговременным хранением образцовв деформированном мартенситном состоянии. Во избежание ошибочных выводованалогичное исследование было проведено еще на одной серии образцов.2.4.2. Цилиндрические образцы. Влияние скорости деформированияПомимо кольцевых образцов исследование влияния времени на ОПФ былопроведено на цилиндрических образцах из эквиатомного сплава TiNi высотой h =5 мм и диаметром d = 5 мм.
Цилиндры были отожжены при температуре 500oC втечение часа и деформированы сжатием с различными скоростями при комнатнойтемпературе. Высокоскоростное сжатие производили в 1999 году на установке,реализующей метод Кольского для разрезного стержня Гопкинсона со скоростью103 с-1.
Квазистатическое сжатие проводили на универсальной испытательноймашине Instron со скоростью 10-3 с-1 [41]. В среднем остаточная деформациярассматриваемых образцов после динамического деформирования и послеквазистатического была практически одинаковая и составляла порядка 6,5%58Образцы были подготовлены в 1999 году для исследования влияния скоростидеформирования на проявления однократной и обратимой памяти формы. С этойцелью сразу после деформирования в 1999 году образцы были дваждытермоциклированы в интервале температур прямого и обратного мартенситногопревращения.
Таким образом, в образцах был реализован эффект памяти формы иодин цикл обратимой памяти формы (рисунок 2.16).Рис.2.16. Термоциклирование образцаиз сплава TiNi, 1999 год. Эффектпамяти формы и эффект обратимойпамяти формы.Спустя 17 лет, в 2016 году, половина образцов в количестве 4-х штук былаподвергнута серии термоциклов в аналогичном 1999-му году интервале температурпрямого и обратного мартенситного превращения. Вторая половина образцов былатермоциклирована в более широком интервале температур до более высокоговерхнего предела температуры цикла (рисунок 2.17.).а)б)Рис.2.17. Термоциклирование образцов из сплава TiNi в 2016 году. Обратимаяпамять формы.а) Верхний температурный предел цикла - 150оС.б) Верхний температурный предел цикла - 230оС.59На рисунке 2.18.
приведены графики, позволяющие проследить изменениеэффекта обратимой памяти формы за время выдержки, при термоциклировании до150оС, для случаев высокоскоростного и квазистатического деформирования.Первый цикл на диаграммах – реализация эффекта обратимой памяти формы в 1999году, последующие – реализация эффекта обратимой памяти формы в 2016 году.Испытания показывают, что в первом цикле после длительного храненияобразцов в мартенситном состоянии наблюдается увеличение эффекта обратимойпамяти формы на 12 и 25% в случае квазистатического и высокоскоростногодеформированиясоответственно.Последующеетермоциклыприводяткнебольшому снижению величины ОПФ, но она все равно остается существеннобольше, чем до длительного хранения.а)б)Рис.2.18. Зависимости величины обратимой памяти формы в сплаве TiNi отномера цикла.
Нагрев до 150оС. ◇ – 1999 год, ⬛ – 2016 год.а) Скорость деформирования 10-3с-1 б) Скорость деформирования 103с-1.На рисунке 2.19. приведены графики, на которых можно видеть изменениевеличины эффекта обратимой памяти формы от времени при термоциклированиидо более высокой верхней температуры цикла (230оС) для обоих режимовпредварительного деформирования. Аналогично предыдущему рисунку первыйцикл на графиках демонстрирует реализацию эффекта обратимой памяти формы в601999 году, последующие – реализацию эффекта обратимой памяти формы в 2016году.а)б)Рис.2.19. Зависимости величины обратимой памяти формы в сплаве TiNi отномера цикла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
