Эффект памяти формы

 

Рис. 13. Величины обратимой деформации, которые накапливаются в процессе охлаждения при прямом МП соответственно под напряжение 100 МПа (1) и (2) – напряжении согласно кривой (3), квадрат частоты свободных колебаний в момент МП (4) в сплавах TiNi-TiCu (a) и TiNi-TiPd (б) [19].

Наиболее  перспективным из этой группы сплавов  являются сплавы с медью на основе композиции Ti₅₀Ni₄₀Cu₁₀. Сплав имеет высокие характеристики ВФ не только при всех видах ЭПФ [19], но и СУ [3]. Например, он проявляет полную СУ (ε_н»ε_в~6% при растяжении) при σ^н_н = 600 МПа и гистерезис всего в 100 МПа. Его структура чувствительна к термической обработке, что позволяет управлять характеристиками ВФ в довольно широких пределах. Характеристические температуры МП могут быть понижены по сравнению с базовым составом путем легирования Ni взамен Ti при некотором ухудшении характеристик ВФ [3,7 ].

2 Материалы и  методика исследования

Объектом исследования являлся  сплав никелида титана состава Ni – 50.5 Ti – 49.5 (ат. %).

 Исследованный образец  перед каждым испытанием с  заданным значением предварительной  деформации подвергали отжигу  с последующей закалкой от  температуры 850 °C, при выдержке 60 минут, охлаждение в воде. После термической обработки образец имеет однофазную мартенситную структуру (рисунок 14).

 

Рис. 14 – Структура сплава Ni_50.5Ti_49.5(закалка от 850 °C, охлаждение в воде). Увеличение ×250.

 

Нагрев образца для  отжига и закалки проводили в  вакуумированной кварцевой трубке в трубчатой печи. Характеристики формовосстановления при деформации кручением (1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8 %) определяли на установке, разработанной на кафедре ФММ ТулГУ на основе обратного крутильного маятника РКМ-ТПИ (рис.15) [25]. Рабочая длина образца при измерении характеристик формовосстановления на установке – 40 мм, диагональ квадратного сечения образца – 1,35 мм. Погрешность определения характеристик ЭПФ, определенная по многократным испытаниям, не выходит за пределы допустимой технической нормы 5 %.

 

Рисунок 15 – Иллюстрация установки для определения характеристик формовосстановления при деформации кручением, разработанной на кафедре ФММ ТулГУ на основе обратного крутильного маятника РКМ-ТПИ: 1 – основание; 2 – электродвигатель; 3 – редуктор; 4 – шкала; 5 – стрелка; 6 – стопор; 7 – нижний (неподвижный) и верхний (подвижный) зажимы; 8 – образец; 9 – масляная ванна с нагревателем

 

Образец 8 зажимали в нижний (неподвижный) зажим 7, после чего, ставили  стрелку 5 шкалы 4 на нулевое значение и фиксировали в данном положении  стопором 6. Цена деления шкалы – 5º. Угол поворота стрелки определялся с точностью 2,5°.

Затем образец зажимали в  верхний (подвижный) зажим 7 и, с помощью  электродвигателя 2 и редуктора 3, закручивали  на угол φ, который определяли из формулы (1) при заданном значении предварительной деформации γ_пр.

                           

                 (1)

 

где φ – угол закрутки образца, γ – деформация, %; r – радиус сечения образца, мм; l – рабочая длина образца, мм.

После закрутки образца, стопор вынимали и записывали величину остаточного угла φ_ост. По формуле (2) вычисляли угол упругого раскручивания φ_упр.

 

                          φ_упр = φ_пр – φ_ост,     (2)

 

где φ_пр – значение предварительного угла закрутки образца.

По формуле (1) рассчитывали значение упругой γ_упр и остаточной γ_ост деформаций образца.

В непосредственной близости от образца закрепляли конец термопары, соединенной с измерителем температур фирмы «ОВЕН» и помещали образец  в масляную ванну с нагревателем 9, подключенным к вольтметру. Подавая  необходимое напряжение, образец  нагревали, а затем охлаждали  в интервале температур от Т_комн (комнатная температура) до Т_max, не превышающей отметки в 85 °C. Средняя скорость нагрева составляла примерно 0,5 °C/мин. Охлаждение не регулировалось и осуществлялось естественным путем, то есть скорость охлаждения уменьшалась вместе с температурой от 4 до 1 °C/мин. Для каждого значения предварительной деформации нагружение образцов проводили в 3 различных структурных состояниях:

1. Полностью в мартенситном состоянии
2. В А+М состоянии.
3. Полностью в аустенитном состоянии.

 В процессе температурного  нагрева, следили за изменениями угла раскручивания образца. Снятие показаний проводили через каждые три минуты.

Из результатов измерений, по формуле (1), находили значения восстановленной  γ_в и невосстановленной γ_н деформаций и, по формуле (3), коэффициент формовосстановления K:

 

                                         K = (γ_пр – γ_н) / γ_пр           (3)

 

После каждого проведенного цикла строили графики зависимости  γ (T) (рис. 16) при помощи которых проводили визуальное определение характеристик восстановления формы образца.

Рисунок 16 – Характеристики формовосстановления, определяемые по зависимости γ (Т)

По графикам устанавливали  температуры начала и конца формовосстановления образца: А_н и А_к – при нагреве; М_н и М_к – при охлаждении.

 

Список использованной литературы

1. http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3910/
2. http://korelium.ru/method5.html
3. М.С. Блантер, И.С. Головин, С.А. Головин , А.А Ильин, В.И. Саррак Механическая спектроскопия металлических материалов.- М.: «МИА», 1994.- 256с.
4. Лихачев В. А., Кузьмин С. Л., Каменцева 3. П. Эффект памяти формы.— Л.: Издательство Ленинградского университета, 1987.—216 с.
5. Ильин А. А., Алексеев В. В., Коллеров М. Ю. Скворцова С. В. Влияние фазового состава и структуры на эффекты неупругого поведения сплавов на основе титана. - Изв. вузов. Цв. металлургия. 1985. № 3. С. 97—104.
6. Ильин А. А. Сплавы с эффектом запоминания формы (обзор) Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка.— М.: ВИНИТИ. 1991. Т. 25. С. 3—59.
7. К. Ооцука, К. Симидзу, Ю. Судзуки и др./ Под ред. Фунакубо Х.: Пер. с японск. Спалвы с эффектом памяти формы.- «Металлургия», 1990.- 224с.
8. Лушанкин И. А., Мартынов В. В., Хандрос Л. Г. Тепловые эффекты при мартенситных и межмартенситных превращениях в сплавах Cu-Al-Ni. - ФММ. 1987. Т. 63; № 5.— С. 981—986.
9. Мусиенко P. Я., Коломыцев В. M., Коваль Ю. Я. и др. Структурные и фазовые изменения в сплавах Cu-Al-Zn на начальных стадиях старения.- Металлофизика. 1989. Т. 11, № 6. С. 8—15.
10. Маторин В. И., Винтайкин Е. 3., Удовенко В. А. // Металлургия: проблемы, поиски, решения. М.— 1989. С. 156—165.
11. Коваль Ю. H.. Структура реальных металлов: Сб. науч. тр.— Киев. Наукова Думка, 1988. С. 132—158.
12. Кокорин В. В. Мартенситные превращения в неоднородных твердых растворах. Киев: Наукова думка. 1987.— 168 с.
13. Корнилов И. И., Белоусов О. К., Качур Е. В. Никелид титана и другие сплавы с эффектом «памяти».— М.: Наука, 1977.— 180 с.
14. E.Zanaboni. One Way and Two Way Shape Memory Effect: Thermo – Mechanical Characterization of Ni- Ti wires. - Anno Accademico 2007/2008. – 81p.
15. Yang H. Voigt A. Liu, Y. Thermal analysis of the effect of aging on

the transformation behaviour of ti50.9at.% ni. Materials Science and

Engineering A, 2003.

16. Ren X. Otsuka, K. Physical metallurgy of ti-ni–based shape memory

alloys. Progress in Materials Science, 2005.

17. Akdogan A. Huang W.M. Nueveren, K. Evolution of trasformation

characteristics with heatingcooling rate in niti shape memory alloys.

Journal of materials processing technology, 2008.

18. Чернов Д. Б., Паскаль Ю. И., Гюнтер В. Э., Монасевич Л. А. Диаграммы структурных превращений сплавов на основе никелида титана и эффекты памяти формы. - Изв. вузов. Физика. 1981. Т. 24, № 3. С. 93—96.
19. Хачин В. Н., Пушин В. Г., Кондратьев В. В. Никелид титана: структура и свойства.— М.: Наука, 1992.— 160 с.
20. Ильин А. А., Скворцов В. //., Староверов А. Г., Новиков С. П. // Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и инструментальных сталей и сплавов.— Л.: ЛДНТП. 1980. С. 88—90.
21. Винтайкин Е. В. Мартенситные превращения // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Металловедение и термическая обработка. 1983. № 17. С. 3—63.
22. Лихачев В. А., Помыткин С. П., Шимановский С. Р. // Металловедение и термическая обработка металлом. 1989. № 8. С. 11—17.
23. Эффект памяти формы в сплавах / Пер. с англ., ред. Займовского В. А.,— М.: Металлургия, 1979.—472 с
24. Ильин А. А., Газенко Н. Н., Скворцов В. И., Никитич А. С. Структурные изменения в сплавах на основе никелида титана при деформации и их влияние на характеристики восстановления формы.- 
    Изв. вузов. Цв. металлургия. 1987. № 4. С. 88—93.