Введение к работе
Актуальность работы.
Материалы с эффектом памяти формы ввиду своих уникальных свойств находят широкое применение во многих .областях техники Наиболее часто 8-качестве термочувствительных элементов используют никелид титана и сплавы на его основе В ряду материалов с обратимыми мартенситными превращениями сплавы на основе TiNi занимают особое место вследствие уникального сочетания механических и физических свойств и высоких показателей эффекта памяти формы Однако наличие температурного гистерезиса, составляющего 40-60 К, усложняет задачу использования материала с ЭПФ в устройствах, поддерживающих заданный температурный режим в узком интервале 5-15 К (датчики-реле, приборные контейнера, термостаты и т.д )
Значительно уменьшить гистерезис превращения за счет изменения химсостава сплава или пластической и термической обработки не удается Единственно возможный путь выполнения регулирующих функций термосиловыми элементами из никелида титана в узком температурном диапазоне состоит в реализации эффектов памяти формы, генерации и релаксации реактивных напряжений в условиях неполного фазового превращения В связи с этим возникает проблема управления функционально-механическими свойствами сплавов с ЭПФ в интервале температур неполного фазового перехода и прогнозирования деформационно-силового поведения материала в данных условиях Актуальность задачи определяется еще тем, что свойства памяти формы при тепло-сменах в интервале неполного мартенситного превращения (НМЛ) практически не изучены Отсутствуют систематические исследования по влиянию структурного состояния материала, условий нагружения, интервала теплосмен на деформационно-силовые эффекты памяти формы Не изучены закономерности изменения функционально-механических свойств в условиях НМЛ при многократном термоцикяировании. Без перечисленных данных невозможно проектирование и создание работоспособных механизмов и устройств, функционирующих в узком температурном диапазоне.
Целью работы является изучение возможностей использования Тг№ сплавов В качестве термочувствительных Элементов работающих в v-эклм интрпвз.
ле температур при реализации эффектов памяти формы, генерации и релаксации реактивных напряжений в условиях неполного мартенситпого превращения.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи
изучить влияние гистерезиса фазового превращения и структурного состояния сплавов TiNi на свойства памяти формы в условиях неполного мартен-ситного превращения,
исследовать изменение формы термомеханического гистерезиса неполного превращения (малая гистерезисная петля) в зависимости от интервала циклирования;
исследовать влияние приложенного напряжения, степени предварительной деформации и жесткости системы на деформационно-силовые эффекты при изменении температуры в интервале НМЛ,
провести теоретический анализ функционально-механических свойств сплавов TiNi в интервале неполного фазового перехода, используя структурно-аналитическую теорию прочности Лихачева В.А., Малинина В.Г.,
разработать основы инженерных расчетов геометрических параметрої термочувствительных элементов, обеспечивающих работу устройств и меха низмов в узком интервале температур
Научная новизна.
Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней на основе сие тематических исследований решается задача управления функциональна механическими свойствами сплавов TiNi в интервале неполного мартенситног превращения, имеющая самостоятельное практическое приложение, наприме}' в различного рода регулирующих и исполнительных механизмах одноразовог и многоразового действия.
Исследовано влияние предварительной и пластической обработки, прі ложенного напряжения, степени фазового превращения на деформационнь эффекты, проявляемые в условиях неполного мартенситного превращени Изучены закономерности генерации и релаксации реактивных напряжений зависимости от жесткости противодействия, величины предварительной д
формации и выбранного интервала теплосмен Проведен теоретический анализ термомеханического поведения сплавов с ЭПФ при изменении температуры в интервале неполного фазового перехода на основе структурно-аналитической теории прочности Показано, что накопление и возврат деформации в узком температурном интервале происходит только в структурно-неоднородных объ-. ектах, определяемых статистическим разбросом характеристических температур. Предложен инженерный метод расчета термочувствительных элементов из материалов с ЭПФ для работы в интервале неполного мартенситного превращения Впервые на базе 10' термоциклов исследована работоспособность реального объекта (датчика-реле), предназначенного для защиты обмоток электродвигателей от перегрева Показано, что процесс формоизменения термочувствительного элемента с нарастанием числа термоциклов, благодаря эффекту термотренинга, стабилизируется в строго заданном интервале температур неполного превращения
Достоверность полученных результатов основана на отображении многочисленных экспериментальных данных при достаточно хорошем согласовании с расчетными в разнообразных условиях термомеханического воздействия
Практическая ценность работы.
Полученные результаты использованы для развития механики твердых тел с термоупругими мартенситными превращениями, структурно-аналитической теории прочности, при проектировании конструкций и устройств, работающих в интервале неполного мартенситного превращения, некоторые из которых защищены авторскими свидетельствами. Результаты исследований необходимо учитывать в качестве практических рекомендаций по выбору способов предварительной обработки TiNi сплавов, обеспечивающих высокий комплекс функционально-механических свойств при изменении температуры в узком диапазоне Разработанный метод инженерного расчета может использоваться при проектировании устройств и механизмов для поддержания заданного теплового режима в различного типа объектах.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Закономерности влияния формы полного гистерезиса на формировани малых гистерезисиых петель. Ширина термомеханического гистерезиса непог ного превращения в сплавах с широкой петлей (соотношение характеристиці: ских температур М„<А„) всегда мало отличается от ширины гистерезиса nor ного фазового превращения. Накопление или возврат деформации не происхс дит, пока интервал теплосмен не превысит величину интерзала М,^А (М^А,,) В сплавах с узкой петлей (соотношение характеристических темпере тур МИ>А„) форма малой петли характеризуется узким гистерезисом Дефор мирование наблюдается при достаточно малых изменениях температуры. Пс этому оказывается весьма существенным для материалов "с памятью" взаим ное расположение характеристических температур, которое нельзя не учиты вать при разработке устройств и механизмов для работы в узком температур ном режиме 5-10С.
-
Влияние пластической и термической обработки, способа и условий на гружения, интервала теплосмен на размах деформаций и напряжений малы петель. Когда речь идет об изменениях температуры, охватывающих неполны интервал мартенситных превращений, существенное влияние на деформаци онно-силовые эффекты оказывает структурное состояние сплава Наклеп и де фекты, образующиеся в процессе пластической деформации, приводят к стати стическому разбросу характеристических температур по ширине гистерезиса і положению центра гистерезисной фигурь:, вследствие этого форма малой пет ли заметно изменяется. Эффекты памяти формы, генерации и релаксации ре активных напряжений при теплосменах в узком температурном интервале про являются только в структурно-неоднородных объектах
3. Закономерности термомеханического поведения сплавов с ЭПФ в не полном интервале мартенситного перехода на основе теоретических расчетов осуществленных методами структурно-аналитической теории прочности.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на постоянных Всесоюзны: семинарах "Актуальные проблемы прочности" (Новгород-Ленинград, 1989 г
Новгород-Боровичи, 1990 г.. Старая Русса, .1991 г), на межреспубликанских семинарах "Актуальные проблемы прочности" (С-Петербург, 1992 г, Псков, 1993 г; Новгород, 1994 г), на I Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1994 г ), на Международной конференции по мартенситным превращениям "ICOMAT-95" (Лозанна, 1995), на первом Аме: рикано-Российском семинаре "Актуальные проблемы прочности" (С.Петербург, 1995), на международной конференции "Память формы, псевдоупругость и технологии" (США, Калифорния, 1997)
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 15 работ, перечень которых приведен в конце автореферата
Объем и структура работы.