Способ термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а более конкретно - к способам термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов, и может быть использовано при исследовании механизмов и устройств с термочувствительными элементами (ТЧЭ) из материала, проявляющего эффект памяти формы (ЭПФ) и эффект пластичности превращения (ЭПП), например для исследования мартенситных двигателей, для исследования самих ТЧЭ, например для определения исходных данных для проектирования таких устройств Цель изобретения - повышение информативности путем определения распределения характеристической теплоты в диапазоне реализации неупругих деформа ций при различных механических напряже ниях Способ включает в себя нагруженир исследуемого ТЧЭ с изменением действую щих на ТЧЭ механических напряжений в различных сериях опытов, термоциклированиеТЧЭ в диапазоне температур превраще ния, и измерение изменения во времени деформации ТЧЭ, при каждом уровне на пряжений в фазе ЭПФ измеряют величину подводимой на нагрев ТЧЭ мощности По измеренному значению подводимой мощ ности определяют интервал времени соответствующий изменению энтальпии на выбранный значимый уровень изменения энтальпии По интервалу времени определяют изменение деформации при изменении энтальпии на каждый шаг значимого уровня, при этом отсчет изменения энтальпии начинают от момента начала формовосстановления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. сл к ю Ј 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 N 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4434794/25 (22) 01,06.88 (46) 07.01.91. Бюл. N t (71)Ленинградский кораблестроительный институт (72) А,В.Остапенко (53) 536.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 970131, кл. G 01 К 7/00, 1978, Авторское свидетельство СССР

М 1350576, кл. G 01 N 25/00, 1987. (54) СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫЫ И ЭФФ Е КТА ПЛАСТИЧ НОСТИ

ПРЕВРАЩЕНИЯ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛ6НЫХ ЭЛЕМ ЕНТОВ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, а более конкретно— к способам термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов, и может быть использовано при исследовании механизмов и устройств с термочувствительными элементами (ТЧЭ) из материала, проявляющего эффект памяти формы (ЭПФ) и эффект пластичности превращения (ЭПП), Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, конкретнее к технике для теплофизических измерений, и может быть использовано при исследовании механизмов и устройств с термочувствительными элементами (ТЧЭ) из материала, проявляющего эффект памяти формы (ЭПФ) и эффект пластичности превращения (ЭПП), например для исследования мартенситных двигателей (МД). для исследования самих ТЧЭ, например для on„„ Ы„„1619144 А1 например для исследования мартенситных двигателей, для исследования самих ТЧЭ, например для определения исходных данных для проектирования таких устройств.

Цель изобретения — повышение информативности путем определения распределения характеристической теплоты в диапазоне реализации неупругих деформаций при различных механических напряжениях. Способ включает в себя нагружение исследуемого ТЧЭ с изменением действующих на ТЧЭ механических напряжений в различных сериях опытов, термоциклирование ТЧЭ в диапазоне температур превращения, и измерение изменения во времени деформации ТЧЭ, при каждом уровне напряжений в фазе ЭПФ измеряют величину подводимой на нагрев ТЧЭ мощности. По измеренному значению подводимой мощности определяют интервал времени, соответствующий измененик, энтальпии на выбранный значимый уровень изменения энтальпии. По интервалу времени определяют изменение деформации при изменении энтальпии на каждый шаг значимого уровня, при этом отсчет изменения энтальпии начинают от момента начала формовосстановления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. ределения исходных данныхдля проектирования таких устройств.

Целью изобретения является повышение информативности за счет определения распределения характеристических теплот в диапазоне реализации неупругих деформаций при различных механических напряжениях.

На фиг. 1 показана схема измерений; на фиг. 2 — фрагмент осциллограммы и методика обработки результатов измерений; на

1619144

20

30

50 фиг. 3 — методика построения ДРЦ с адиабатами ЭПФ; на фиг. 4-5 — соответственно . ДРЦ ЭПФ и ДРЦ ЭПП никелида титана, полученные предлагаемым способом, На схеме измерений (фиг. 1) показан исследуемый ТЧЭ 1, который установлен с образованием петли вокруг ролика 2 и обоими концами закреплен на неподвижной опоре 3 токоиэолированно от последней изоляторами 4. Оба конца ТЧЭ 1 через шунт

5 и выключатель 6 соединены с источником электрической энергии U. В цепи нагрева

ТЧЭ 1 установлены вольтметры 7 и 8 (вольтметр 8 по падению напряжения на шунте 5 измеряет ток в цепи). В качестве вольтметра

7 используют, например, цифровой вольтметр типа В7-27А/1, что дает возможность путем установки переключателя рода работ измерять сопротивления ТЧЭ 1 в период между испытаниями. При испытаниях вольтметр 7 измеряет падение напряжения на

ТЧЗ 1, Вольтметры 7 и 8 электрически соединены с .входом датчика 9 положения. Ролик 2 (выходное звено) кинематически связан с датчиком 10 положения, который также электрически соединен с входом шлейфного осциллографа 9.

Вместо выключателя 6 в цепи ТЧЭ 1 может быть установлена система 11 управления нагревом (пунктир), которая автома.тически включает (пунктир) и отключает нагрев в нижнем положении ролика 2. Верхнее и нижнее положения определяют при предварительной настройке указанной системы управления. В случае, если система 11 управления нагрева установлена, сигнал с датчика 10 положения также поступает на последнюю, Кинематическая связь датчика 9 с выходным звеном-роликом 2 осуществляется, например, путем установки датчика 9 под роликом 2 и соединения штока датчика 9 с роликом 2.

Измерения производят следующим образом, ТЧЭ нагружают нагрузкой Р, что вызывает его удлинение. При замыкании выключателя 6 ТЧЭ 1 нагревается и происходит его частичное формовосстановление—

ЭПФ. При размыкании выключателя 6 в процессе охлажден :я ТЧЭ 1 за счет реализации

ЗПП ТЧЭ 1 снова удлиняется. Полное формовосстановление исходной длины ТЧЭ 1 при реализации ЭПФ произоидет только при его разгрузке. Частичный недовозврат исходной длины ТЧЭ 1 в АС обусловлен его упругими деформациями под нагрузкой, Перемещение выходного звена (ролик 2), а также характерные моменты протекания электрического тока регистрируются во времени датчиком-осциллографом 9.

На фиг. 2 показана типичная осциллограмма, на которой линия 12 соответствует изменению во времени деформации ТЧЭ 1, а линия 13 — изменению падения напряжения на ТЧЭ 1.

На осциллограмме можно выделить следующие характерные моменты времени: t>— время полного цикла; т — фаза ЭПФ;гз фаза ЭПП; t4 — время холостого нагрева; и†время рабочего нагрева; т6 — время холостого охлаждения; тт — время рабочего охлаждения.

ЭПФ и ЭПП обусловлены протеканием в материале ТЧЭ 1 термоупругого обратимого мартенситного превращения. При этом обратное мартенситное превращение (ЭПФ) протекает с поглощением тепла — эндотермическая реакция, а прямое превращение ЭПП протекает с выделением тепла— экзотермическая реакция. Холостой нагрев обусловлен тем обстоятельством, что ТЧЭ 1 нагревается от температуры испытаний до температуры начала обратного превращения, а холостое охлаждение обусловлено тем, что ТЧЗ 1 остывает от температуры окончаний обратного превращения до температуры начала прямого превращения, На фиг. 2 индексы присвоены в соответствии с фазой цикла, Например, ques — удельное количество тепла, подведенное к ТЧЭ в фазе нагрева, Однако удельная теплота формовосстановления является часто недостаточной при исследовании ТЧЭ 1 и устройств с такими ТЧЭ, поскольку это среднеинтегральная оценка за весь цикл.

Удельное тепло, подводимое к ТЧЭ, определяем по формуле

1О 12 R 02т; п„ц

Ч = т = +i= =, (1)

Rm гп где n — удельная мощность, подводимая на нагрев ТЧЭ 1;

q — удельная теплота, подведенная в 1-и фазе цикла;

I — ток в цепи ТЧЭ 1;

U — падение напряжения на ТЧЭ 1:

m — масса ТЧЗ 1.; тi — продолжительность i-й фазы;

R — электрическое сопротивление ТЧЭ.

В соответствии с (1) количество подводимого к ТЧЗ 1 тепла можно определять как прямым измерением электрической мощности (ток и напряжение) и времени, так и измерением до начала исследования электрического сопротивления ТЧЭ 1, тока или напряжения и времени, B этом случае шунт 5 и вольтметр исключаются из схемы измерений. Кроме того, в холостых фазах цикла

16191<4 (tp и ts) тепловое состояние ТЧЭ 1 изменяется только за счет изменения его внутренней энергии. Механическая. работа на этих участках отсутствует.

На участках с изменением деформации 5 (t5, t? ) совершается механическая работа.

Поэтому с точки зрения термодинамики на этих участках изменяется энтальпия, т.е, изменяется тепловое состояние как за счет изменения внутренней энергии, так и эа 10 счет совершения механической работы.

Для получения точечных оценок изменения энтальпии на различных участках фазы формовосстановления (+) выбирак т интервал значимого для решения данной задачи или удобный для практического использования интервал изменения энтальпии h< (например 1;2,5,10 кДж/кг) и определяют время, за которое к ТЧЭ подводится данное количество тепла. 8 соответ- 20 ствии с (1) это время будет равно

Ь 10 (2)

Далее от момента начала рабочего нагрева т откладывают участки времени, равные то, переносят на линию 12 изменения деформации точки, кратные интервалу времени to, и определяют значения изменения деформации за соответствующие отрезки времени Di + дз (фиг, 2).

Таким образом, после указанных операций на участке формовосстановления определяются в ряде точек (число точек определяется требованиями по точности) значения изменения деформации при изменении энтальпии на выбранный значимый уровень h< при данном уровне нагрузки.

Повторив указанную операцию при различных уровнях нагрузки (т.е. изменяя величину груза P), результаты измерений переносят на график в координатных осях напряжение — деформация (фиг. 3). Для этого проводят горизонтальные линии, соответствующие разным уровням напряжения при испытаниях (например;ст, о2, оз, фиг. 3), и на них откладывают степень деформации

ТЧЭ1 в АС и MC при соответствующих уровнях напряжения. Соединив между собой точки, соответствующие деформации ТЧЭ 1 в АС и МС, получают ДРЦ, которая характеризует величину формоизменения в зависимости от нагрузки (соответственно линли А и M на фиг. 3). Затем от линии М откладывают измеренные значения деформации, соответствующие выбранному значимому уровню изменения энтальпии при соответствующих нагрузках. Например, е1, . 8з. 61 переносят с фиг. 2 на фиг. 3, После этого соединяют линиями точки, соответствующие одинаковой величине изменения энтальпии. 8 соответствии с положениями термодинамики эти линии являются адиабатами h>, hp, Ьз, М, hg (фиг. 3) и соединяют точки на ДРЦ с одинаковым теплосодержанием, т.е. полученный график представляет ДРЦ с адиабатами ЭПФ.

В диапазоне холостого нагрева г с одной стороны количество тепла определяется из уравнения (1), а.с другой стороны

Щ

=С„(А — Т„), (3) где Cp — удельная изобарная (т.е. при постом янном напряжении) теплоемкость ТЧЭ 1 в

МС;

01

А„— температура канала обратного мартенситного превращения при данной нагрузке;

Тн — температура проведения испытаний.

Сопоставив (1) и (3), получим м оп 74

С„=.-- ---- (4)

О, m (А„-. Т„) или

n„z

Ац =Т„1-- (5)

m C

Таким образом, измерив температуру окружающей среды, и воспользовавшись дополнительнои информацией — значенияо1 ми С> или A„можно получить любой из этих двух недостающих параметров. Как правило, зависимость смещения темпера гуи ры А„от нагрузки уже известна. Кроме того, ее можно получить, используя известный способ, поскольку по предлагаемому способу присутствует информация в объеме, достаточном для его реализации. Значения удельной темплоемкости в зависимости от нагрузки не исследованы из-за отсутствия соответствующих методик.

При холостом охлаждении (интервал тв )

ТЧЭ-1 остывает от температуры окончания ц обратного превращения Ак до температу01 ры начала прямого превращения Ак при данной нагрузке. ТЧЭ 1 находится в АС и, соответственно, изменения деформации не происходит, хотя ТЧЗ 1 отдает тепло в окружающую среду. Количество тепла, отдаваемого в окружающую среду (изменение внутренней энергии), определяем как

Gl CTi al цб «Ср (Ак Мн ), (б) где Cp — удельная изобарная теплоемкость

А

ТЧЭ в АС.

1619144

Oj

Таким образом при определении q6 также используется дополнительная информаOj 0j ция, а именно С>, и А» и Мн Однако

Oj изменение внутренней энергии q6 может быть определено по результатам измерений теплового потока с поверхности ТЧЭ 1 либо. другими методами.

Определив удельное количество тепла

Oj холостого охлаждения q6 и используя предварительно полученную ДРЦ ЭПФ, определяем теплосодержание ТЧЭ 1 к началу прямого превращения ЭПП как

Oj Oj Oj

1 7 = 2 С16 (7) где с — уровень напряжений при испытаниях, То есть к началу прямого превращения теплосодержания ТЧЭ 1 при различных наcrj грузках будет определяться величиной h7

Далее при прямом и обратном превращениях кристаллографические изменения и термодинамическое состояние в ТЧЭ 1 в точности повторяются, но только с гистерезисом. При наблюдении в электронный микроскоп было отмечено, что первая появляющаяся при охлаждении ламель мартенсита при нагреве исчезает последней.

Наоборот, последняя из появившихся при охлаждении ламелей при нагреве исчезает первой. Поэтому, зная теплосодержание

Oj

ТЧЭ к началу ЭПП h7 и ДРЦ ЭПФ, совершенно аналогично строят ДРЦ ЭПП. Для

Oj этогоотлинииАивеличины h7 приданной нагрузке (например, ol, ст, оз, фиг. 3) на полученной к этому моменту ДРЦ ЭПФ последовательно отнимают измеренные на фиг, 2 значения деформации, соответствующие изменению энтальпии на значимый уровень, Получив при различных значениях нагрузки точки с одинаковым теплосодержанием, их соединяют между собой и получают ДРЦ с адиабатами ЭПП, Реализация способа закончена, Полученные результаты характеризуют взаимосвязь нагрузки с формоизменением и теплосодержанием ТЧЭ 1 при реализациях ЭПЦ и ЭПП, На фиг. 4 показана ДРЦ ЭПФ, а на фиг. 5 — ДРЦ ЭПП с уровнем значимости

10 кДж/кг, полученные на никелиде титана примерно эквиатомного состава.

Использование предлагаемого изобре-. тения позволит: повысить информативность способа, т.е, обьем получаемой s результате .проведения исследований информации, по

10

45

50 зации эффекта памяти формы; а о распреде55 лении характеристических теплот судят по

30 сравнению с известными способами, что позволяет оценить взаимосвязь напряжений. формоизменения и энергетических показателей ТЧЭ; повысить точность результатов исследования, поскольку все параметры, используемые по способу, получаются путем прямых измерений, а не на основе корреляционных зависимостей; при реализации способа наличие или отсутствие в ТЧЭ поля ориентированных напряжений не имеет значения; результаты исследования получить в компактной форме, удобной для практического использования.

Формула изобретения

1. Способ термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов, включающий в себя нагружен ие исследуемого элемента с измене ием действующих на элемент напряжений в различных сериях в условиях термоциклирования элемента в диапазоне температур мартенситного превращения и измерение изменения во времени деформацииэлемента,отл ича ющийся тем, что, с целью повышения информативности за счет определения распределения характеристик теплот в диапазоне реализации неупругих деформаций при различных механических напряжениях, при каждом уровне напряжений в фазе реализации эффекта памяти формы дополнительно измеряют величину проводимой на нагрев элемента мощности, по измеренному значению подводимой мощности определяют интервал времени, соответствующий изменению энтальпии элемента на выбранный значимый уровень, и определяют изменение деформации за данный интервал времени изменения энтальпии на значимый уровень, отсчет изменения энтальпии начинают от момента начала формовосстановления, а в фазе реализации эффекта пластичности превращения при каждом уровне напряжений определяют энтальпию элемента к моменту начала прямого превращения, при этом о прямом превращении судят по началу накопления деформации, о величине изменения деформации, соответствующей изменению энтальпии на выбранный значимый уровень судят по изменению деформации на этот же уровень при реаливеличине деформации элемента при различных механи еских Напряжениях, соответствующих его одинаковой энтальпии.

2. Способ по и. 1, о тл и ч а о щи йс я тем, что энтальпию элемента к началу пря10

1619144

ФИГ.2 мого превращения определяют иэ выражения и Ol йт =hz -ц6, Q где Пт — удельная энтальпия элемента к началу прямого превращения при напряжении oi;

Oi

hz — удельная энтальпия элемента к окончанию обратного превращения при напряжении ei;

5 ол — изменение удельной внутренней энергии элемента при охлаждении от темпе ратуры окончания обратного превращения до температуры начала прямого превраще10 ния начала прямого превращения при напряжении (Jj.

1619144 ф

Ы(ФМР. 3

МЭ

4/ М rgo

ФИГ. 4

ФИГв5

Составитель В, Филатова

Редактор Л. Гратилло Техред М,Моргентал Корректор Т. Палий

Заказ 42 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101