Эффект памяти формы в нитиноловой пружине

ЛИТЕРАТУРА

1. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. 216 с.

2. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. и др. Сплавы с эффектом памяти формы / под ред. Х. Фунакубо; пер. с япон. М.: Металлургия, 1990. 224 с.

3. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: структура и свойства. М.: Наука, 1992. 160 с.

4. Андронов И.Н., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Термоциклическая ползучесть медно-марганцевых сплавов, связанная с ГЦК <=> ГЦТ превращениями // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1983. № 3. С. 84-88.

5. Андронов И.Н., Какулия Ю.Б., Лихачев В.А. Термоциклическая деформация сплава Си - 62,5 % Мп в условиях сложного нагружения // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1989. № 1. С. 88-92.

6. Андронов И.Н., Овчинников С.К. Эффекты обратимого формоизменения никелида титана при термоциклировании // Деформация и разрушение материалов. 2005. № 5. С. 28-30.

7. Андронов И.Н., Вербаховская Р.А., Овчинников С.К., Северова Н.А. Эффекты обратимой памяти формы и термоциклического возврата деформации в сплаве ТН-1 // Заводская лаборатория. Диагностика материала. 2007. Т. 73. № 2. С. 64-67.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Andronov I.N., Verbakhovskaya R.A. GROWTH OF NONCLOSENESS OF THERMOMECHANICAL HYSTERESIS ALLOY TN-1 DURING THERMAL CYCLING IN FIXED TEMPERATURE INTERVALS

Key words: mechanic cycling; shape memory alloys; nickelide titanium.

The non-closeness of thermo-mechanical hysteresis is researched.

УДК 539

ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В НИТИНОЛОВОИ ПРУЖИНЕ

© М.Ю. Демина, И.Н. Андронов, Л.С. Полугрудова

Ключевые слова: эффект памяти формы; пластичность превращения; нитиноловая пружина.

Проведено исследование эффектов памяти формы и пластичности превращения в цилиндрической спиральной пружине из нитинола (сплава с эффектом памяти формы), нагреваемой прямым пропусканием постоянного электрического тока.

Сплавы с эффектом памяти формы применяются в качестве рабочего элемента в различных устройствах, двигателях, приспособлениях. Форма элемента в зависимости от конструкции может быть любой: стержень, проволока, пружина и т. д. [1-2]. При растяжении-сжатии пружины на ее материал действуют силы кручения-изгиба, что позволяет получать большие деформации при незначительном изменении температур начала и конца мартенситно-аустенитного превращения [3].

В данном исследовании использовали цилиндрическую спиральную пружину, выполненную из проволоки сплава TiNi эквиатомного состава. Для данного материала температуры мартенситных переходов составляют: Мн = 323 К, Мк = 293 К, Ан = 328 К, Ак = 348 К. Пружина изготавливалась по следующей технологии. На металлический стержень (оправку) диаметром d = = 0,025 м плотно (виток и витку) наматывалась нитиноловая проволока диаметром d0 = 0,002 м. Натяжение проволоки при намотке поддерживали постоянным. Концы проволоки жестко закреплялись на стержне, затем пружина вместе со стержнем помещалась в камеру печи и отжигалась при температуре 773 К в течение 60 мин., после чего медленно охлаждалась вместе с печью до комнатной температуры. После снятия со стержня и освобождения концов пружина имела шаг, равный диаметру проволоки h = d, средний диаметр витка, равный D = d + d0 = 0,027 м, коэффициент упругости С = D/d = 13,5, количество рабочих витков 22 и оставалась однородной по всей длине.

Эксперимент проводили следующим образом: пружину нагревали до температуры = 363 К, нагружа-

ли в аустенитном состоянии и термоциклировали под постоянной осевой нагрузкой через интервал мартен-ситного превращения, определяя деформацию накапливаемую при охлаждении (эффект пластичности превращения) и восстанавливаемую на этапе нагрева (эффект памяти формы). При температуре Ттах пружину разгружали, затем снова проводили термоцикл через интервал превращений, но уже без нагрузки, определяя величину эффекта обратимой памяти формы.

Нагрев пружины осуществляли постоянным электрическим током, в экспериментальную установку входили источник тока со встроенным потенциометром, амперметр и вольтметр. Электрическое напряжение подавали на концы пружины, один из которых был зафиксирован в неподвижном захвате, а к противоположному прикладывалась осевая сила натяжения. Величину тока, пропускаемого через пружину, варьировали от 2 до 4 А, поддерживая постоянной скорость нагрева 1 К/мин.

Зависимость удлинения пружины при термоцикли-ровании, полученная при разных значениях осевой нагрузки, имеет вид петли гистерезиса (рис. 1). Высота петли, т. е. деформация, обусловленная пластичностью превращения, зависит от приложенного усилия и увеличивается с ростом нагрузки.

На рис. 2 приведена зависимость максимальной деформации, накапливающейся на этапе охлаждения и восстанавливающейся при нагреве под постоянной нагрузкой. Кривая, связывающая удлинение пружины и приложенную осевую нагрузку, имеет вид, близкий к прямой зависимости (величина достоверности аппрок-

2070

симации составляет 0,9954), причем функция оказывается практически одинаковой для нагрева и охлаждения. Таким образом, для пружины подтверждается закономерность пластичности превращения: прямо пропорциональная связь между приложенными напряжениями и возникающими деформациями [4].

80 - 4 Н

3,5 Н

60 3 Н =0

s 2,5 Н ^

^ 40 - 2 Н r-» ^

X

1,5 Н Г» У

20

1 н -T~*. х

0 І I г ІІИЦНМІК

280 300 320 340 360

Т, К

Рис. 1. Температурная зависимость абсолютного удлинения пружины при разных значениях осевой силы натяжения

Предварительное термоциклирование под нагрузкой через интервалы мартенситных превращений формирует в пружине из никелида титана эффект обратимой памяти формы, проявляющийся при последующем термоциклировании без внешних усилий (рис. 3). Повышение степени предварительной деформации усиливает эффект, величина которого вначале возрастает, а затем достигает максимального значения и практически не изменяется.

На этапе охлаждения под нагрузкой пружина значительно удлиняется, при этом уменьшается диаметр ее витков, и увеличивается расстояние между ними, значение которого линейно зависит от приложенной нагрузки (рис. 4). При наибольшей осевой силе, прилагаемой в проведенных опытах, относительное удлинение пружины достигало 14,5 %, относительное уменьшение диаметра витков - 22,2 %, максимальное расстояние между витками - 0,04 м. Наблюдалась определенная последовательность деформаций: при охлаждении пружина сначала раскручивалась, затем сжималась, а при нагреве сначала сжималась, затем закручивалась. Таким образом, имеется возможность управления формой траектории материалов с памятью формы в пространстве деформаций не только последовательностью предварительно приложенных усилий, а также приданием определенной формы образцу, например, в виде пружины.

Р, Н

Рис. 2. Зависимость эффектов пластичности превращения и памяти формы от осевой силы натяжения

Рп, Н

Рис. 3. Зависимость эффекта обратимой памяти формы от величины предварительной осевой силы натяжения

Р, Н

Рис. 4. Зависимость расстояния между витками пружины от осевой силы натяжения

ЛИТЕРАТУРА

1. The design of shape memory alloy actuator and their applications // Shape Memory Materials / eds. K. Otsuka, C.M. Wayman. Cambridge, 1998. P. 240-266.

2. Беляев С.П., Демина М.Ю. Термомеханические характеристики пружинного привода с рабочим элементом из сплава TiNi с памятью формы // Сплавы с эффектом памяти формы и другие перспективные материалы: труды 38 Международного семинара «Актуальные проблемы прочности». СПб., 2001. Ч. 2. С. 456-459.

3. Манджаванидзе А.Г., Барнов В.А., Джорджишвили Л.И.. Соболевская С.В. Появление двусторонней памяти формы в нитиноловой пружине при циклировании температуры и деформации // Журнал технической физики. 2008. Т. 78. Вып. 3. С. 95-98.

4. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л., 1987. 216 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Demina M.Y., Andronov I.N., Polugrudova L.S. SHAPE MEMORY EFFECT IN NITINOL SPRING

Shape memory effect and transformation plasticity in a cylindrical helical nitinol spring (shape memory effect alloy) heating directly by passing direct current are investigated.

Key words: shape memory effect; transformation plasticity; ni-tinol spring.

2071