Вернуться на страницу <Model Vision Studium>

Архив разработки (1,61 Mб)

(модель работы, выполненная в Model Visual Studium)

   Материалы с эффектом памяти формы являются прототипами “интеллектуальных” материалов будущего. Лабораторная работа посвящена определению основных параметров сплавов с эффектом памяти формы для создания принципиально новых механических устройств на их основе.

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение

1. Описание лабораторной работы

1.1.Цель лабораторной работы

1.2. Объект лабораторной работы

1.3.Описание установки и способы измерения параметров

1.4. Определение основных параметров - напряжение, деформация и температура.

1.5. Методика проведения лабораторной работы.

1.6. Итоговая отчетность

Выводы

Список литературы.

ПРИЛОЖЕНИЕ. Примеры применения материалов с эффектом памяти формы

Материалы с эффектом памяти формы являются прототипами так называемых “интеллектуальных” материалов будущего. “Интеллектуальные” материалы, помимо обычных, например, для металлов - механических свойств, присущих традиционным материалам, обладают также функциональными свойствами. Одним из наборов функциональных свойств являются свойства датчика (сенсора) - свойство, которое позволяет материалу реагировать на изменение окружающей среды; свойство процессора, т.е. возможность оценить ситуацию и сделать выводы и, наконец, исполнительное свойство (актуатор) при котором материал совершает действие или подает сигналы.

Эффект памяти формы (ЭПФ) металлов - это физическое явление, при котором пластически деформированный металл восстанавливает свою первоначальную форму, обычно при нагреве.

Так, к примеру, если взять обычную металлическую проволоку и пластически изогнуть ее, то никаким другим путем, кроме как снова деформировать проволоку в обратном направлении, не вернуть проволоке ее первоначальное состояние. Что происходит с проволокой, которая обладает эффектом памяти формы?

Эффект памяти формы проиллюстрирован на рис.1

Эффект памяти формы задается проволоке (прутку) специального металла при высокой температуре (рис.1а). После его охлаждения из высокотемпературного состояния, называемого аустенитным (рис.1а) получается охлажденное состояние металла (рис.1b), называемое мартенситом. Для металлических сплавов различие этих состояний в различии кристаллических решеток, при этом оба состояния стабильны при соответствующих температурах.

Рис.1. Иллюстрация эффекта памяти формы

В мартенситном состоянии проволока легко пластически деформируется (рис.1c). Теперь, если проволоку нагреть, перевести в аустенитное состояние (рис.1d), то проволока “вспомнит” свое первоначальное состояние, данное ей при высокой температуре. При этом вся пластическая деформация (строго говоря, восстанавливаемая пластическая деформация является заданной для каждого материала с ЭПФ) исчезнет, при этом образец может совершить достаточную механическую работу, например, поднять груз или привести в действие выходное звено механического устройства. Такой процесс называется прямым и обратным мартенситным превращением в материале при термоциклировании, соответственно при охлаждении и нагреве материала.

Этот принцип заложен при проектировании современных технических устройств с использованием сплавов с эффектом памяти формы для создания малогабаритных, приводов и устройств, способных развивать сравнительно большие усилия и моменты. Для проектирования таких устройств необходимо в первую очередь знать параметры сплава с ЭПФ, а именно:

• деформацию или величину перемещения сплава с памятью при мартенситных превращениях;
• генерируемое сплавом напряжение или возможное развиваемое усилия для совершение механической работы;
• характеристические температуры или интервал начала и конца мартенситных превращений;
• скорость протекания мартенситных превращений;
• циклическую прочность или количество циклов срабатывания и т.д.

1. Описание лабораторной работы

1.1. Цель лабораторной работы

Цель работы в определении таких основных параметров сплава с ЭПФ как накапливаемая и возвращаемая деформация (e ), генерируемое напряжение (s ), а также характеристические температуры превращений (Т).

Результаты проведенных испытаний, характеризующих эффект памяти формы исследуемого сплава с ЭПФ, должны быть получены в виде зависимостей деформации образцов от температуры для различных значений действующего напряжения (нагрузки на образец). Типичная термодеформационная кривая e -Т, для одного из значений приложенного напряжения, приведена в демонстрационном показе и на рис.2а для монокристаллического сплава CuAlNi. Точки перегиба графика определяют характеристические температуры начала и конца превращений.

Рис.2

Величина максимальной деформации e _max (что соответствует максимальному прогибу балки), отвечающая эффекту пластичности превращения, для различных напряжений изображена на рис.2б. Как можно видеть из этого рисунка уже небольшие напряжения (нагрузка на образец) приводят к накоплению больших (прогибов) деформаций (5-8%). При напряжениях от 50 МПа и более прослеживается тенденция к насыщению, темп прироста деформации значительно уменьшается и в широком диапазоне напряжений деформация пластичности превращения находятся в пределах 9-10%.

Следует отметить, что генерируемое напряжение влияет на температуры прямого и обратного мартенситного превращения. Так, для сплава CuAlNI с увеличением напряжения наблюдается смещение характеристических температур превращения (Мн, Мк, Ан, Ак) в сторону более высоких значений.

Исследованные особенности изменения характеристических температур превращений под влиянием напряжений необходимо учитывать при создании конструкций с силовыми элементами, обладающими ЭПФ.

Объектом лабораторной работы является сплав с эффектом памяти формы. Наиболее перспективными сплавами с ЭПФ являются сплавы TiNi, CuAlNi, CuZnAl.

Для данной работы взяты образцы либо поликристаллического TiNi либо монокристаллического CuAlNi.

Исследования параметров сплава с эффектом памяти формы проводились методом трехточечного изгиба. Образцы сплава с ЭПФ имели вид балки (прутка) круглого сечения диаметром 2,0 мм и длиной 35 мм. Балка опиралась на две опоры, расстояние между опорами составляло 20 мм. На балку в средней части образца на равных расстояниях от опор прикладывалась нагрузка, навешиванием на образец грузов требуемого веса. Для измерения температур непосредственно к образцу крепилась термопара хромель-копель.

Исследования выполнялись в режиме фиксированной нагрузки на образец. Нагрузка передавалась на образец с помощью тонкого стержня с проушиной, в которую помещался образец. Этот стержень был механически связан с датчиком перемещения измерительной системы. Таким образом, изменение прогиба при изгибе образца под действием груза, фиксируется датчиком, и данные передаются на его блок управления.

Нагрев образца осуществляется пропусканием тока от источника питания через нагреватель, выполненный из нихромовой проволоки, намотанной на керамический изолятор, в который помещен деформируемый образец. Напряжение термо-э.д.с. с термопары фиксируется вольтметром.

Напряжение s и деформация e рассчитывается для внешнего волокна образца в точке приложения нагрузки по формулам:

s = 3? P? l₀ /d³ [Па], (1)

e = (4? f? d/(4? f² + l₀²))? 100% [%], (2)

где d - диаметр образца [м],

l_O - расстояние между опорами [м],

f - прогиб образца [м],

P - нагрузка [Н].

Значение температуры, измеряемое с помощью термопары, в общем случае, определяется с помощью градуировочного графика. График представляет собой зависимостью показаний вольтметра (от 0 до примерно 20 мВ) от температуры (от 0 до примерно 200С). В момент измерения, определяя напряжение термо-э.д.с. термопары, по графику, однозначно, определяется температура нагрева образца. Градуировочная кривая термопары хромель-копель - имеет почти линейную зависимость. В данной лабораторной работе приводится как показание вольтметра, так и значение температуры, соответствующее этому показанию.

Охлаждение образца под постоянным напряжением в интервале температур от 100⁰С до 20⁰С сопровождается интенсивным накоплением деформации (увеличение прогиба балки). Процесс начинается при некоторой температуре Мн и заканчивается при температуре Мк. Нагрев образца под тем же напряжением сопровождается обратным процессом - практически полным восстановлением накопленной на стадии охлаждения деформации (эффект памяти формы). Деформация начинает возвращаться при некоторой температуре Ан и завершается возврат при температуре Ак. Температуры прямого и обратного превращения (Мн, Мк, Ан, Ак) при термоциклировании при различных напряжениях s определяются методом касательных (точки перегиба графика, см. рис.2а). Исследуется зависимость величины деформации превращения от значения приложенного напряжения.

1. Проверка правильности экспериментальной установки и заданных начальных параметров.
2. Нагружение балки первым (небольшим) грузом P₁ (диапазон заданных грузов от 300 грамм (3Н) до 3000 грамм (30Н). Определение s ₁ для заданной P по формуле (1)
3. Изменение температуры T (нагрев до 100С и охлаждение до 20С) окружающей среды (печки) и измерение ее с помощью теромопары. Измерение проводить в не менее 10 точках при нагреве и 10 точках при охлаждении.
4. Измерение прогиба f балки.
5. Определение деформации e по формуле (2).
6. Определение деформации e _max для s ₁ .
7. Построение графика e в зависимости от температуры Т для s ₁ .
8. Определение характеристических температуры мартенситных превращений (Мн, Мк, Ан, Ак) для s ₁ .
9. Повторение эксперимента для данного груза.
10. Нагружение балки следующим грузом P₂ , большим чем P₁ .
11. Повторение пп.2-8.
12. Нагружение грузом P₃ , большим чем P₂ .
13. Повторение пп.2-8.
14. Всего использовать 5 грузов Р (пять значений s ).
15. Сведение всех графиков зависимости e от температуры Т (пп.7) для пяти разных s на один.
16. Построение графика e _max в зависимости от пяти s (пп.6).
17. Построение графика зависимости характеристических температур Т для всех s (пп.8).

Результатами лабораторной работы являются:

1. График зависимости деформации e в зависимости от температуры Т для пяти значений s (на одном графике должно быть пять термодеформационных кривых e -Т для разных значений приложенного напряжения).
2. График зависимости e _max от значений s .
3. График изменения характеристических температур мартенситного превращения в зависимости от значений s .

Возможно использование таблиц для заполнения параметров в ходе лабораторной работы, например:

Величины накопленной (e _max) и остаточной деформации (e _ост) в зависимости от задаваемого действующего напряжения s и номера опыта.

Величины характеристических температур мартенситного превращения в зависимости от задаваемых значений s и номера опыта.

Основными результатами лабораторной работы являются:

1. Определение величины обратимых и остаточных деформаций.

2. Исследование влияния действующих напряжений на величину фазовой пластичности при термоциклировании через интервал мартенситного превращения.

3. Проведение исследований влияния механических напряжений на характеристические температуры мартенситных превращений.

На основании анализа результатов проделанной работы можно сделать следующие выводы:

• Сплав с эффектом памяти формы способен к накоплению и возврату деформации до _______%, причем небольшие напряжения (_________МПа) приводят к накоплению больших деформаций (_______%).

• Температуры превращений в сплаве с ЭПФ под напряжением смещаются с разным темпом (указать как именно, для Мн, Мк, Ан, Ак), что приводит к (увеличению или уменьшению) ширины температурного интервала превращения.

• Накопленная при термоциклировании под напряжением деформация обратима (полностью или частично). Величины остаточных деформаций не превышают _______%.

1. Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. /Под.ред.Лихачева В.А. - Т.1-4.-СПб.: НИИХ СпбГУ, 1997 -1998.
2. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1987. 216 с.
3. Сплавы с эффектом памяти формы/ Оцука К.. Симидзу К.// М.: Металлургия. 1990. 224 С.
4. И.Э. Вяххи, А.И. Прядко, С.А. Пульнев Приводы и устройства, основанные на использовании монокристаллов CU-AL-NI с эффектом памяти формы.// Материалы IX научно-технической конференции " Экстремальная робототехника", СПб., 1998, c. 362-367.

www.sma-inc.com

www.memorycrystals.ru

www.tec-hitech.com/esma

Для построения технических устройств нового типа на базе сплавов с ЭПФ можно использовать сплавы, которые работают на изгиб, растяжение, сжатие или кручение.

Так, работа сплавов с ЭПФ на растяжение или сжатие позволяет создавать большие усилия, при этом, однако, их перемещения будут относительно небольшими. Для создания в этом случае больших перемещений, потребуются сплав достаточно большой длины, либо дополнительный механизм трансформации перемещений.

Сплавы, работающие на изгиб, как показано на рис.1, обеспечивают большие перемещения, а выбор диаметра сплава позволяет создавать получить усилия на выходе привода.

Поскольку в данном случае организация создания усилий и перемещений, реализуется на уровне кристаллической решетки металла, то мы имеем дело с устройствами принципиально нового типа, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными: электрическими, электромагнитными, пневматическими или гидравлическими.

Устройства на базе сплавов с эффектом памяти формы:

• более просты по конструкции и в эксплуатации;
• имеют во много раз меньшие массогабаритные показатели при равных мощностях;
• не требуют большого количества передаточных звеньев и редукторов;
• более эффективны, по сравнению с традиционными, при функционировании в экстремальных условиях, в состоянии работать в условиях вакуума, невесомости, высокой радиации и в жидкой среде;
• могут находиться длительное время (многие годы) в ждущем режиме без регламентных работ, сохраняя при этом свою работоспособность;
• эффективны в аварийных системах пассивного типа, так как могут функционировать за счет энергии окружающей среды.

Рассмотрим линейный привод одностороннего действия, т.е. полезное усилие и перемещение создается в одном направлении. На рис.3 приведен прототип линейного привода.

Этот циклический привод работает следующим образом. На первой фазе термомеханического цикла (нагревании) силовой элемент (1) разгибается и перемещает выходной элемент 2 из положения “А” в положение “В”. На второй фазе (охлаждении) пружина 3 изгибает силовой элемент и тем самым возвращает выходной элемент в исходное положение “А”. Такой привод способен развивать усилие F только при перемещении выходного элемента X из положения “А” (рис.3а) в положение “В” (рис.3в).

На рис.4 показан линейный привод, а на рис.5 вращательный привод двухстороннего действия, полезное усилие и перемещение создается в двух направлениях. Поочередный нагрев силовых элементов 1 и 3, посредством намотанных нагревательных элементов, приводит в действие выходное звено 2. Выходное звено 2 переходит из положения А в положение В, при этом совершается поступательное или вращательное движение с совершением полезной работы. Нагрев силового элемента 3 возвращает звено 2 в исходное состояние А.

Рис.4	Рис.5

Вернуться на страницу <Model Vision Studium>