Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время достаточно широкое практическое применение в различных отраслях современной техники и промышленности находят сплавы, проявляющие эффект памяти формы (ЭПФ). К ним относятся сплавы на основе AuCd, CuAlNi, CuZnAl, CuSn, TiNi, MnCu, CuZn, FeMn, TiNiCu, FePd и др. Для данных материалов характерен ряд уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, выделяющих их из класса обычных конструкционных металлов и сплавов. Прежде всего, к этим свойствам относится способность материала восстанавливать большие неупругие деформации до 10-15 % при изменении температуры. Их используют в приборостроении, космических технологиях, машиностроении, медицине в качестве функциональных материалов нового поколения. В частности, они используются в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функционального назначения, тепловых реле, в строительных конструкциях, в качестве термочувствительных и силовых элементов в циклически действующих устройствах и др.
Одной из актуальных проблем применения сплавов с памятью формы является проблема обеспечения стабильной многоцикловой работы элементов исполнительных силовых механизмов. Решение этой проблемы связано с необходимостью исследования деформационных характеристик в процессе термоциклирования при смене режимов термосилового воздействия при переходных процессах. Анализ публикаций и результатов исследований различных авторов показывает, что особенности механического поведения сплавов с памятью формы, а также физические и математические модели для определения деформационных характеристик при смене режимов термосилового воздействия исследованы и разработаны в недостаточной степени. В связи с этим, разработка и развитие расчётно-экспериментальных методов и адекватных математических моделей, позволяющих исследовать деформационные характеристики при переходных процессах в сплавах с памятью формы, представляет собой актуальную проблему механики деформируемого твёрдого тела.
В настоящей работе разрабатывается и практически реализуется расчётно-экспериментальный метод, позволяющий получать стабильные деформационные характеристики за счёт переходных процессов и прогнозировать эволюцию изменения механического поведения сплавов с памятью формы. Необходимо отметить, что в большинстве случаев материалы с эффектом памяти формы при термосиловом воздействии демонстрируют качественно сходное поведение при управлении их деформационными характеристиками, что позволяет изучать общие закономерности поведения на конкретных модельных материалах, таких, как TiNi, TiNiCu и CuAlMn. Это обстоятельство используется в диссертационной работе при проведении экспериментальных исследований и разработке на основе полученных результатов адекватных математических моделей для определения деформационных характеристик в сплавах с памятью формы, используемых в исполнительных силовых механизмах многоразового действия. Этим определяется актуальность настоящей работы.
Целью работы является разработка расчётно-экспериментального метода определения деформационных характеристик при переходных процессах в сплавах с памятью формы под действием постоянных и различных напряжений на этапах нагревания и охлаждения. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
– проведены экспериментальные исследования деформационных характеристик при переходных процессах под действием постоянных и различных напряжений на этапах нагревания и охлаждения, на примере сплава из никелида титана;
– исследован эффект термомеханической обработки (ТМО) с учётом влияния соотношения величин максимальных напряжений термомеханической обработки и фазового предела текучести;
– получена оценка степени достоверности полученных результатов исследований деформационных откликов при переходных процессах;
– разработана феноменологическая модель для расчёта коэффициента термомеханической обработки при переходных процессах в сплавах с памятью формы под нагрузкой.
Научная новизна работы:
– разработана оригинальная методика экспериментального определения деформационных характеристик при переходных процессах для сплавов с памятью формы;
– исследован способ получения зависимости эффекта ТМО от соотношения максимальных напряжений термомеханической обработки и напряжений фазового предела текучести;
– получена оценка степени достоверности деформационных откликов при переходных процессах с помощью использования статистических методов;
– разработана новая феноменологическая модель, позволяющая рассчитывать коэффициент термомеханической обработки при переходных процессах для сплавов с эффектом памяти формы.
Достоверность результатов и адекватность разработанной математической модели, методика исследований деформационных характеристик при переходных процессах в сплавах с памятью формы основывается на фундаментальных законах и положениях механики деформируемого твёрдого тела. Обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается хорошим совпадением теоретических результатов, полученных по предложенной аналитической зависимости, с экспериментальными данными для различных сплавов с памятью формы.
Практическая ценность и внедрение результатов. Проведённые исследования деформационных характеристик при переходных процессах в сплавах с памятью формы позволяют получать и регулировать стабильные деформационные отклики при нагрузках, что приводит к стабильной многоцикловой работе элементов силовых исполнительных механизмов многоразового действия.
Результаты диссертационной работы внедрены в расчётную практику заинтересованных предприятий, что подтверждено двумя актами внедрения от организаций: 1. Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ», г. Ухта, 2011 г. 2. ФГБОУ ВПО УГТУ, г. Ухта, 2011 г.
На защиту выносятся:
расчётно-экспериментальный метод определения деформационных характеристик при переходных процессах;
результаты исследования зависимости эффекта ТМО от соотношения величин максимальных напряжений термомеханической обработки и напряжений фазового предела текучести;
анализ деформационных откликов при переходных процессах с применением методов математической статистики;
разработанная феноменологическая модель, позволяющая рассчитывать коэффициент термомеханической обработки при переходных процессах в материалах с памятью формы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, семинарах, форумах и конвентах: 1. Международная молодёжная научная конференция «Севергеоэкотех-2009» УГТУ, г. Ухта, 2009 г. 2. Международная молодёжная научная конференция «Севергеоэкотех-2010» УГТУ, г. Ухта, 2010 г. 3. Международная молодёжная научная конференция «Севергеоэкотех-2011» УГТУ, г. Ухта, 2011 г. 4. Научно-техническая конференция молодёжи ОАО «Северные магистральные нефтепроводы» ОАО «Северные МН», г. Ухта, 2009 г. 5. XVII Международная конференция «Физика прочности», г. Самара, 2009 г. 6. Конференция сотрудников и преподавателей УГТУ, г. Ухта, 2009 г. 7. Конференция сотрудников и преподавателей УГТУ, г. Ухта, 2010 г. 8. Конференция сотрудников и преподавателей УГТУ, г. Ухта, 2011 г. 9. XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2010 г. 10. VI Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2010 г. 11. Международный молодёжный форум-олимпиада по приоритетным направлениям развития Российской Федерации, МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва, 2010 г. 12. Молодёжный инновационный конвент «Молодёжь – будущему Республики Коми», УГТУ, г. Ухта, 2011 г. 13. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ, г. Москва, 2011 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, включая 4 статьи, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов (заключения), списка литературы из 154 наименований и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов проведённых исследований. Общий объём диссертации 147 страниц, включая 57 рисунков и 14 таблиц.
