СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
METHOD OF DETERMINING THERMOMECHANICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS WITH SHAPE MEMORY EFFECT

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов с памятью формы, а именно сплавов на основе никелида титана, и может быть использовано во всех областях народного хозяйства для определения и контроля радиальных напряжений термомеханического возврата, необходимых для обеспечения работоспособности соединений при сборке конструкций с помощью муфт из материала с эффектом памяти формы.
Известен способ определения прочности материалов, включающий предварительное нанесение удара по эталонной гладкой поверхности образца из исследуемого материала, нанесение удара в контролируемый участок исследуемого материала со скоростью, равной скорости нанесения удара по эталонной поверхности, измерение величины импульса силы удара, дополнительное нанесение удара в контролируемый участок поверхности со скоростью, отличной от заданной, измерение величины импульса силы этого удара, учитывание при определении прочности материала этих двух измеренных величин (SU, патент №1762219, G01N 29/00, 1990).
Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения термомеханических характеристик в материалах с памятью формы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения термомеханических характеристик материалов с памятью формы, включающий установку образца с подведенной к нему термопарой на опоры стола, подведение к нему датчика линейных перемещений, растягивание образца при температуре существования мартенситной фазы до заданной деформации, нагрев до температуры существования аустенитной фазы, регистрацию изменения длины образца и температуры образца с получением зависимости деформации образца от температуры, определение с помощью метода касательных температуры фазовых превращений и величины восстанавливаемой деформации (RU №2478928, G01N 3/18, 2011).
Недостатком данного способа является невозможность определения величины термомеханических напряжений возврата, возникающих в радиальном направлении в термомеханических соединениях, осуществляемых с помощью муфт, изготовленных из материала, обладающего эффектом памяти формы.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание способа определения величины термомеханических напряжений возврата, возникающих в радиальном направлении в термомеханических соединениях, осуществляемых с помощью муфт, изготовленных из материала с эффектом памяти формы.
Технический результат достигается за счет того, что в способе определения термомеханических напряжении возврата в материале с памятью формы, включающем измерение линейных размеров испытываемого образца, охлаждение его до перехода первоначальной аустенитной структуры в мартенситную, деформирование образца, перевод его структуры в аустенитное состояние путем нагрева, с последующим измерением термомеханических характеристик материала, согласно изобретению испытанию подвергают полый цилиндрический образец круглого сечения с аустенитной структурой, предварительно определив размеры его внутреннего диаметра и высоты, после этого образец охлаждают до температуры образования в нем мартенситной структуры, затем образец подвергают деформации путем раздачи его внутренней полости на стержне с диаметром на 2-8% больше диаметра внутренней полости образца, измеренной в первоначальном состоянии, затем образец со стержнем нагревают до температуры образования аустенитной структуры и после этого прикладывают усилия для разъединения стержня и образца и в момент начала страгивания стержня фиксируют величину приложенного усилия, а напряжение термомеханического возврата определяют из соотношения
где P - усилие страгивания образца со стержня;
k - коэффициент трения;
π=3,14;
d - диаметр стержня,
h - высота полости цилиндрического образца круглого сечения.
Деформация образца осуществляют путем раздачи его внутренней полости на стержне диаметром на 2-8% больше диаметра внутренней его полости, измеренной в первоначальном аустенитном состоянии, производят после охлаждения его в жидком азоте, когда образец приобретает мартенситную структуру, что необходимо для создания напряжения возврата, возникающего в термомеханических соединениях, за счет стремления материала, обладающего эффектом памяти, восстановить свою первоначальную форму при последующем нагревании, что позволяет определить величину радиальных напряжений возврата в термомеханических соединениях.
Деформации образца путем вдавливания во внутреннюю его полость стержня диаметром более чем на 8% больше диаметра цилиндрического образца, измеренного в первоначальном аустенитном состоянии, может привести к его саморазрушению за счет создания высоких радиальных напряжений термомеханического возврата в процессе восстановления его формы.
После деформации образец вместе со стержнем нагревают для перевода его мартенситной структуры в аустенитную и приступают к извлечению стержня из внутренней полости образца.
Приложение усилия для извлечения стержня из внутренней полости образца позволяет преодолеть силы трения покоя за счет возникающего напряжения термомеханического возврата с сохранением неизменяемой площади контакта внутренней поверхности образца с поверхностью стержня в момент существования аустенитной фазы материала образца.
Затем прикладывают к образцу или стержню усилие для разъединения стержня из внутренней полости образца и в момент страгивания стержня (образца) фиксируют величину усилия.
Величина усилия страгивания стержня из внутренней полости образца зависит от величины деформации этой полости и возрастает с увеличением степени деформации.
Определение усилия страгивания стержня из внутренней полости образца необходимо для определения радиального напряжения термомеханического возврата формы.
Конкретный пример реализации способа определения напряжения термомеханического возврата формы материалов, обладающих эффектом памяти формы
Полый цилиндрический образец круглого сечения из никелида титана, обладающего эффектом памяти формы, в качестве которого используют кольцо с полированной внутренней поверхностью с внутренним диаметром 0,01335 м, высотой h=0,005 м, находящийся в аустенитном состоянии, погружают в среду жидкого азота для перехода его в мартенситное состояние. В мартенситном состоянии образец подвергают деформированию за счет раздачи его внутреннего диаметра на стержне с полированной наружной поверхностью:
- с диаметром до 0,01442 м, что обеспечивает деформацию образца на 8%;
- с диаметром до 0,01415 м, что обеспечивает деформацию на 6%;
- с диаметром до 0,01362 м, что обеспечивает деформацию внутреннего диаметра образца на 2% по сравнению с первоначальными размерами в аустенитном состоянии.
Затем образец и стержень извлекают из жидкого азота и образец насаживают с силой на стержень. После этого за счет естественного подвода тепла образец и стержень нагреваются до комнатной температуры. При этом образец при нагревании переходит в первоначальное аустенитное состояние и стремится восстановить первоначальную форму, плотно прижимаясь к стержню, за счет напряжений термомеханического возврата формы.
После двухчасовой выдержки в нормальных условиях при комнатной температуре стержень с образцом устанавливают на опорный элемент с цилиндрическим отверстием, диаметр которого составляет 0,015 м, т.е. больше диаметра стержня. Далее к стержню прикладывают усилие, которое фиксируют в момент начала страгивания стержня из внутренней полости образца, а напряжение термомеханического возврата определяют из соотношения
где P - усилие страгивания образца со стержня, Н;
k - коэффициент трения;
π=3,14;
d - диаметр стержня, м;
h - высота полости цилиндрического образца круглого сечения, м.
Расчет конкретной величины термомеханического напряжения возврата формы приведен ниже, исходя из конкретных данных.
Напряжение термомеханического возврата формы σ при деформации полости образца на 2% составит:
при P=2200 Н (Н Ньютон), коэффициенте трения k=0,12, π=3,14, d=0,01362 м, h=0,005 м
Напряжение термомеханического возврата формы при деформации внутренней полости образца на 6% составит:
при P=10000 Н, коэффициенте трения k=0,12, π=3,14, d=0,01415 м, h=0,005 м
Напряжение термомеханического возврата формы σ при деформации полости образца на 8% составит:
при P=11000 Н, коэффициенте трения k=0,12, π=3,14, d=0,01442 м, h=0,005 м
Предлагаемым изобретением решается задача определения напряжения термомеханического возврата в соединении, создаваемом материалом, обладающим эффектом памяти формы, необходимого для обеспечения надежной работоспособности соединений в качестве входного контроля перед изготовлением термомеханических муфт с эффектом памяти формы.
Предлагаемый способ определения термомеханических характеристик материалов, обладающих эффектом памяти формы, позволяет повысить точность определения напряжений термомеханического возврата за счет создания схемы жесткой измерительной системы, моделирования напряжений, возникающих в радиальном направлении в термомеханических соединениях, и сохранения постоянного значения площади контакта внутренней поверхности образца с поверхностью стержня в момент нагрева до температуры существования аустенитной фазы материала образца. Предлагаемый способ прост в исполнении, экологичен и экономичен в реализации и применим для определения напряжения возврата в радиальном направлении в термомеханических соединениях с помощью муфт из материалов, обладающих эффектом памяти формы, для обеспечения их надежной работоспособности.