Влияние вылеживания на температуры срабатывания термочувствительного элемента с памятью формы

УДК 669.018.2

М.А.Хусаинов, О.Ю.Волнянская, В.А.Андреев ВЛИЯНИЕ ВЫЛЕЖИВАНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРЫ СРАБАТЫВАНИЯ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

The results of experimental investigations of the effect of the resting period of the thermorelay thermosensitive element upon operation temperatures are adduced. It is shown that after breaks or a shut-down in the thermorelay operation, nominal operation temperature jumps always appear. Critical temperatures and resting time having the most effect upon the indicated parameters, are revealed. Conditions of additional sorts of treatment thermotraining and low temperature thermomechanic treatment (LTTT) making the alloy structure more stabile and ensuring stability of the thermorelay operation on the base of 105-106 thermocycles, are determined.

Введение

Возможность использования сплавов с памятью формы в качестве активных термочувствительных элементов в мартенситных приводах различного назначения [1,2] в основном определяется величиной обратимой деформации и термоциклической стабильностью структуры и функциональных свойств. Опыты показали [3], что нестабильное механическое поведение термоэлементов из сплавов на основе никелида титана не может обеспечить устойчивую и длительную работу механизма при теплосменах. Каждый раз после остановки (перерыва) в работе активного элемента с памятью формы имеет место скачок температуры срабатывания [4]. Однако до сих пор не уделялось должного внимания эффектам, связанным с вылеживанием сплавов на различных этапах работы коммутирующих устройств, хотя в общем виде влияние вылеживания на память формы рассматривалось в работе [5].

Нами проведены систематические исследования влияния вылеживания на температуры срабатывания термореле с термочувствительным элементом из сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ).

Материалы и методики исследования

Исследования проводились на образцах, вырезанных из листового материала после прокатки со степенью обжатия 55%. Образцы с размерами Ixbxh = (19x2x0,45) мм подвергались отжигу при 500°С, 30 мин, для задания прямолинейной формы и памяти. Сплав, легированный медью, предварительно закаливался в воде с 900°С, 15 мин, а затем отжигался при 500°С в течение 30 мин. Эти виды обработки определяли исходное состояние. Дополнительно к ним применяли:

— термотренинг, заключающийся в деформировании образца в мартенситном состоянии на е = 1,3%, жестком защемлении и последующем термоциклировании через полный интервал мартенситных превращений;

— низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) осуществлялась путем прокатки при Т = 0°С со степенью обжатия 7% и старения при 420°С, 1,5 ч.

Влияние термической обработки на устойчивость структуры мартенситной и аусте-нитной фаз изучали на сплавах трех составов, отличающихся друг от друга типом мартен-ситной реакции, температурами мартенситных превращений (МП) и уровнем обратимой деформации. В качестве характеристики обратимого эффекта памяти формы принимался коэффициент обратимости к = еопф /епр, где епр — величина предварительной деформации

после реализации двух-, трехкратного эффекта памяти формы. В табл. показаны максимальные значения обратимой памяти формы (е опф), при которых к = 1.

Структурно-чувствительные характеристики сплавов ТіМ после различных видов обработки

Состав сплава Вид доп. обработки Температу ры МП, °С Тип мартен-ситной реакции ^ в о 0х- Н 20 н ц , кг/мм2

Мн Мк Ан Ак Т* ДТ

Ті-50,4 ат.% Мі Исходное состояние 12 4 32 40 23 28 В2^Я^Б19' 5,5 430

Термотренинг (ем = 1,3%, К—<х>, 15 цикл.) 15 6 30 39 24 В2^Б19' 5,0 435

НТМО ( еобж = 420°С, 1,5 ч) 20 8 34 48 25 28 В2^Я^Б19' 5,6 450

Ті№-10 ат.%Си Исходное состояние 32 25 51 59 27 В2^Б19^Б19' 4,5 200

Термотренинг (ем = 1,3%, К—<Х>, 15 цикл.) 35 25 49 58 23 В2^Б19^Б19' 4,3 215

НТМО ( еобж = 7%, 420°С, 1,5 ч) 32 24 52 64 28 В2^Б19^Б19' 5,0

Ті-49,6 ат.%№ Иходное состояние 63 54 84 93 30 В2^Б19' 4,0 380

Термотренинг (ем = 1,3%, К——^, 15 цикл.) 63 57 85 91 28 В2^Б19' 3,5

НТМО ( е обж 7%, 420°С, 1,5 ч) 65 55 84 94 30 В2^Б19' 4,4 400

Температуры МП определялись методом трехточечного изгиба, а продукты мартен-ситного превращения — с помощью дифрактометра ДРОН-2,0 в кобальтовом Кх-излучении.

Результаты исследования и обсуждение

Из приведенной таблицы следует, что если термотренинг уменьшает ширину петли гистерезиса и частично подавляет память, то НТМО расширяет петли, повышает температуры МП и способствует увеличению восстанавливающейся деформации. Наиболее высокий уровень обратимой деформации демонстрирует сплав Т1 -50,4 ат.% N1 с последовательностью мартенситного перехода В2—Я—Б19'. Мартенситный переход В2—Я данного сплава всегда сопровождается полным восстановлением формы. Ниже температуры Тк легко стимулируется второй переход Я—Б19'. Однако образование Я-фазы идет не до конца вследствие параллельного развития МП в структуру Б19' [6]. Обратимая деформация такого сплава достигает 5-6%. Меньшая доля восстанавливаемой деформации у сплава Т1№, легированного медью, и Т1№, обогащенного титаном. В целом дополнительные виды обработки приводят к упрочнению сплавов Т1№. Об этом свидетельствуют данные по микротвердости.

Рис.1. Изменение температур срабатывания относительно их номинальных значений (Тср,Тср ) при

еМ = 1,45% и К = 0,37 кг/мм после вылеживания в течение 10 ч при температурах: о — (-9)°С, • — 15°С, ◊ — 40°С, х —150°С. Сплав ТІ-50,4 ат.% ІМІ; а — исходное состояние, б — после термотренинга

Образцы, установленные на серийно выпускаемых микропереключателях, выполняют роль термочувствительного и одновременно термосилового элемента при нагреве до

заданной температуры срабатывания Т ^ и охлаждении до Т °рл в условиях упругого противодействия. Методика исследования функциональных свойств сплавов предусматривала: непрерывное термоциклирование элемента с ЭПФ в заданном интервале температур в сопряжении с упругим контртелом постоянной жесткости 0,37 кг/мм, остановку (прекращение работы) и вылеживание при заданной температуре и длительности, затем повторное включение коммутирующего устройства на рабочий режим и т.д.

Шл _ _ _ _ охл

рис.1 приведены данные по влиянию температуры вылеживания на Тср ,Тср на

различных этапах термоциклирования. Видно, что вылеживание термоэлемента из сплава Ті-50,4 ат.% N1 исходного состояния при температуре 40°С не влияет на температуры срабатывания (рис.1а). После вылеживания при температурах 15°С и -9°С наблюдается резкое

изменение температуры срабатывания (скачок) Т^ при неизменном значении Т^р™. Наибольший скачок Тнр — после вылеживания при -9°С. Вылеживание при 150°С приводит к снижению температуры срабатывания в полуцикле как нагрева, так и охлаждения. Максимальное изменение Тср имеет место на этапе охлаждения термочувствительного элемента. Однако если до 1,5-104 циклов наблюдается лишь скачок температуры срабатывания после вылеживания, а на последующем цикле Тср вновь возвращается к исходному уровню, то

при нарастании термоциклов (>2-104) кинетика возврата к рабочим температурам срабатывания соответствует кривым А-С при температуре вылеживания Тв = -9°С и кривой М-Ы при Тв = 150°С.

Термотренинг элементов с ЭПФ существенно уменьшает отклонения Тср от номинальных (рабочих) значений, не изменяя характерного поведения (рис.1б).

Влияние длительности вылеживания хв на температуры срабатывания термореле на различных этапах термоциклирования показаны на рис.2. Видно, что с увеличением време-

лут н _

ни вылеживания Т ср монотонно возрастает, достигая максимального значения при выдержке тв = 2 ч. Далее, даже после года вылеживания, температура срабатывания не изменяется. Термотренинг не влияет на кинетику (рис.2б), но более чем в два раза уменьшает

скачки температур от номинального значения Тнр по сравнению с исходным состоянием. Одновременно обращается внимание на то, что на первых 10 000 циклах изменение Тср

незначительное (не более 1°С) независимо от длительности вылеживания на базе 6-104 циклов. Различие в эффектах вылеживания наблюдается только в сплавах без термотренинга (рис.2а). Термотренинг приводит все сплавы к одному состоянию, при котором отклонение

Т ср от номинального значения не превышает двух градусов в течение многократных тепло-смен (более 105 циклов).

Рис.2. Зависимость температуры срабатывания в полуцикле нагрева (Т^ ) от длительности вылеживания (тв) при -9°С на различных этапах термоциклирования в интервале неполного МП (0,22-0,15) кг при

єМ = 1,45% и К = 0,37 кг/мм. Сплав ТІ-50,4 ат.%1\1; а — исходное состояние, б — после термотренинга. 1 — (100-200) ц, 2 — (2000-5000)ц., 3 — (5000-10000) ц., 4 — (10000-20000) ц., 5 — (20000-40000) ц

Типичные кривые термоциклической устойчивости активных элементов из сплавов Т1№ в зависимости от вида обработки проиллюстрированы на рис.3. Видно, что дополнительные виды обработки заметно сужают интервал срабатывания, уменьшают температурные скачки и практически ликвидируют нестабильное поведение термоэлементов на первых циклах. Из этих данных следует, что наиболее эффективное влияние на структуру сплава оказывает НТМО. Слабый наклеп (5-7%), созданный при прокатке мартенсита, в большей степени активизирует мартенситное превращение сплава Т1№, обогащенного никелем, а последующее старение стабилизирует аустенит. В результате усиливается роль ориентированных микронапряжений, релаксация которых в процессе прямого МП приводит к увеличению обратимой памяти формы как одного из необходимых условий стабилизации структуры сплава. Термотренинг после НТМО ликвидирует начальную неустойчивую стадию, уменьшает температурный интервал срабатывания с 20°С до 12°С и закрепляет эффект стабилизации мартенситной и аустенитной фаз.

т °с

Г=150°С, 2 ч.

• •

2 6

2-103 6103

2104

т,°с

50

40

30

20

Т/С

50

40

30

20

4104 а)

150'

За

Т=(-9ГС Юч

'•V«

о*

*-ор—

8104

1 =210 Ы?Ц

2 б 2-103 6103

2104

т= -9)" С,1 |_ Л Оч г=с- .10 1 ч 1ч Г=(- 9ГС , 10 1^1 ч

-э— О % • | * < \ 1 ' / 1 111

Т^ЗО0^. 2 Т=1Ч 0°? 2ч.

. X- тОХЛ Лсъ

<г£ т 1 1 1 1 1 •

4104 б)

10°

31СР N,4

О т1* г ^(-9 ГС Юч п \-У1 К

* 1 * о

хл Т= 150° С,2 1

г X р

1 1 1

103

т?°с

50

40

30

20

в)

Т ГС Юч л Т=(-9)°СЛ0ч Г=(-9 Юч .. т= =(-9 101 ГС 1

и- -и- -и 0-^-1 ь-О >• грО Дев & ч- » #— т г-Н =15( • )°С, 2 ч —*

X)* ->— -Э— -о О—1 и> >-* •— —о—< К-Н —а -и- • •— • • —*

1 1 I 1

г)

Рис.3. Характерные кривые изменения температур срабатывания (Т^ ,Т°рл ) при теплосменах в интервале усилий (0,22-0,15) кг и К = 0,37 кг/мм. Сплав Ть50,4ат.%1\Л; а — исходное состояние, б — после термотренига, в — после НТМО, г — после НТМО + термотренинг

Выводы

1. Впервые выполненные исследования показали, что после вылеживания, как правило, изменяется температура срабатывания термореле. Наибольшее влияние на Т ср оказывает выдержка при -9°С и 150°С, минимальное — при 15°С, и совсем не изменяется Т ср при

Тв = 40°С, т.е. в интервале температур фазового перехода.

2. Установлено, что при выдержке более двух часов температурные скачки после вылеживания остаются на одном и том же уровне.

3. Дополнительные виды обработки (термотренинг и НТМО) стабилизируют структуру сплавов, обеспечивая узкий интервал срабатывания и высокую температурную устойчивость.

1. А. с. № 1732744 от 08.01.1992. Приоритет 17.06.1988. / Тепловой двигатель. М.А.Хусаинов и др. 6 с.

2. Пат. РФ № 2200267 от 10.03.2003. Приоритет 24.01.2000. / Запорный клапан с термочувствительным управлением / М.А.Хусаинов, Б.Я.Тамбулатов. Бюл.№7. 3 с.

3. Хусаинов М.А., Волнянская О. Ю. // Вестник НовГУ. 2001. №17. С.19-22.

4. Хусаинов М.А., Волнянская О.Ю., Андреев В.А. // Тр. ХЬ Междунар. семинара «Актуальные проблемы прочности», 30 сентября-4 октября 2002. В.Новгород, 2003. С.216-219.

5. Лотков А.И., Гришков В.Н. // Изв. вузов. Сер.: Физика. 1985. С.106-132.

6. Хмелевская И.Ю., Логунова М.И., Прокошкин С., Капуткина Л.М. // XXX Междунар. семинар «Акту-

альные проблемы прочности», 16-19 мая 1994. Новгород, 1994. Ч.1. С.121-125.