Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi
Исследованы деформационно-силовые характеристики кольцевых силовых пучковых элементов (КСПЭ) из сплавов TiNi при развитии эффекта памяти формы в процессе термоциклирования. Показана возможность регулирования этих характеристик путем варьирования температурных интервалов работы и изменения химическог...
Gespeichert in:
| Datum: | 2017 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2017
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168167 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi / Ю.Н. Вьюненко, Е.А. Хлопков, Г.А. Волков // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 4. — С. 65-72. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-168167 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1681672020-04-24T01:25:40Z Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi Вьюненко, Ю.Н. Хлопков, Е.А. Волков, Г.А. Исследованы деформационно-силовые характеристики кольцевых силовых пучковых элементов (КСПЭ) из сплавов TiNi при развитии эффекта памяти формы в процессе термоциклирования. Показана возможность регулирования этих характеристик путем варьирования температурных интервалов работы и изменения химического состава КСПЭ. Установлено, что одинаковое механическое воздействие на «металлические мышцы» при разных температурах приводит к значительным изменениям их силовых возможностей. The deformation-power characteristics of ring-shaped bundle force elements (RBFE) made of the TiNi alloys are tested under progressing shape memory effect in the course of thermal cycling. The possibility of the control of these parameters by variation of the temperature ranges of operation and chemical composition of is RBFE demonstrated. It is found that the same mechanical impact on the “metal muscles” at varied temperature results in substantial difference in the power abilities. 2017 Article Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi / Ю.Н. Вьюненко, Е.А. Хлопков, Г.А. Волков // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 4. — С. 65-72. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.40.+i, 62.90.+k, 81.30.kf http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168167 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Исследованы деформационно-силовые характеристики кольцевых силовых пучковых элементов (КСПЭ) из сплавов TiNi при развитии эффекта памяти формы в процессе термоциклирования. Показана возможность регулирования этих характеристик путем варьирования температурных интервалов работы и изменения химического состава КСПЭ. Установлено, что одинаковое механическое воздействие на «металлические мышцы» при разных температурах приводит к значительным изменениям их силовых возможностей. |
| format |
Article |
| author |
Вьюненко, Ю.Н. Хлопков, Е.А. Волков, Г.А. |
| spellingShingle |
Вьюненко, Ю.Н. Хлопков, Е.А. Волков, Г.А. Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Вьюненко, Ю.Н. Хлопков, Е.А. Волков, Г.А. |
| author_sort |
Вьюненко, Ю.Н. |
| title |
Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi |
| title_short |
Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi |
| title_full |
Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi |
| title_fullStr |
Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi |
| title_full_unstemmed |
Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi |
| title_sort |
управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава tini |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168167 |
| citation_txt |
Управление деформационно-силовыми свойствами «металлических мышц» из сплава TiNi / Ю.Н. Вьюненко, Е.А. Хлопков, Г.А. Волков // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 4. — С. 65-72. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT vʹûnenkoûn upravleniedeformacionnosilovymisvojstvamimetalličeskihmyšcizsplavatini AT hlopkovea upravleniedeformacionnosilovymisvojstvamimetalličeskihmyšcizsplavatini AT volkovga upravleniedeformacionnosilovymisvojstvamimetalličeskihmyšcizsplavatini |
| first_indexed |
2025-07-15T02:46:35Z |
| last_indexed |
2025-07-15T02:46:35Z |
| _version_ |
1837679347821969408 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
© Ю.Н. Вьюненко, Е.А. Хлопков, Г.А. Волков, 2017
PACS: 62.40.+i, 62.90.+k, 81.30.kf
Ю.Н. Вьюненко
1
, Е.А. Хлопков
2
, Г.А. Волков
3
УПРАВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-СИЛОВЫМИ СВОЙСТВАМИ
«МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МЫШЦ» ИЗ СПЛАВА TiNi
1
ООО «ОПТИМИКСТ ЛТД», Санкт-Петербург, РФ
2
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, РФ
3
Институт проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербург, РФ
Статья поступила в редакцию 18 октября 2017 года
Исследованы деформационно-силовые характеристики кольцевых силовых пучко-
вых элементов (КСПЭ) из сплавов TiNi при развитии эффекта памяти формы в
процессе термоциклирования. Показана возможность регулирования этих харак-
теристик путем варьирования температурных интервалов работы и изменения
химического состава КСПЭ. Установлено, что одинаковое механическое воздей-
ствие на «металлические мышцы» при разных температурах приводит к значи-
тельным изменениям их силовых возможностей.
Ключевые слова: эффект памяти формы, кольцевые силовые пучковые элементы,
деформационно-силовые свойства, температурные режимы работы, никелид титана
Работа КСПЭ в установках «ШеР» показала перспективность использова-
ния «металлических мышц» в технологических процессах [1]. Однако во
время наблюдения за поведением силовых элементов в технологических
операциях были отмечены особенности в развитии деформационных явлений
в области температур мартенситных превращений, претерпеваемых материа-
лом КСПЭ. В условиях силового взаимодействия «металлических мышц» с
пакетом обрабатываемых изделий при нагреве наблюдается формоизменение,
направленное противоположно эффекту памяти формы [2]. Это явление зави-
сит от уровня силового контакта [2] и скорости изменения температуры [3].
Кроме того, на деформационно-силовые характеристики «металлических мышц»
оказывают влияние их химический состав [4] и режимы термомеханической
обработки КСПЭ [5]. Перечисленные факторы могут быть использованы при
разработке способов управления поведением силовых элементов.
В работах [6,7] представлены результаты исследования деформационных
свойств образцов из никелида титана при частичном переходе материала из
мартенситного состояния в аустенитное или в обратном направлении. Авто-
ры указанных работ добивались этого остановкой нагрева (или охлаждения)
при различных температурах внутри интервала превращения, что приводило
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
66
к изменению деформационных эффектов. Следствием анализа указанных дан-
ных стала гипотеза о возможности использования частичного мартенситного
превращения в качестве фактора, управляющего работой «металлических
мышц». Для проверки такого предположения была проведена серия опытов
по определению деформационно-силовых характеристик КСПЭ при разви-
тии эффекта памяти формы во время термоциклирования с различной степе-
нью перевода материала силовых элементов в мартенситное состояние.
Конструкция «металлических мышц» в виде КСПЭ представляет собой
бухту различной формы, состоящую из нескольких витков проволоки. Дефор-
мационно-силовые характеристики КСПЭ исследовали с помощью дина-
мометра ЛИНД (рис. 1). Поскольку в технологических устройствах типа
«ШеР» используется пара «металлических мышц», проводили испытания
одновременно двух силовых элементов 1, расположенных в параллельных
плоскостях симметрично относительно контртела 2.
Силовое воздействие на «металлические мышцы» регулировали сжатием
контртела, которое определялось изменением расстояния между подвижны-
ми пластинами 3 и 4. Необходимо отметить, что после достижения требуе-
мого уровня сопротивления контртела нижнюю пластину 4 жестко фиксиро-
вали. Температурную зависимость деформационно-силовых параметров оп-
ределяли, нагревая ЛИНД в термостате от 293 до 403 K. Охлаждение до 279
и 271 K проводили в холодильных камерах.
Исследованные силовые элементы изготовлены из проволоки диаметром
2 mm. Материалы проволоки – сплавы никелида титана с содержанием Ni
50.45 и 50.35 at.%. Конструкция КСПЭ состояла из пяти круговых витков.
Их внутренний диаметр равен 63 mm. Предварительно силовые элементы
отработали в технологических операциях не менее 30 раз с целью стабили-
зации температурных интервалов прямого и обратного превращений [8,9].
«Металлические мышцы» устанавливали в ЛИНД при комнатной темпе-
ратуре после нагрева в свободном состоянии до 403 K и охлаждения до 271 K.
В динамометре КСПЭ и контртело приводили в состояние силового взаимо-
Рис. 1. Схема нагружения КСПЭ в дина-
мометре ЛИНД: 1 – КСПЭ, 2 – контрте-
ло (спиральная пружина), 3 – подвижная
пластина, 4 – регулирующая подвижная
пластина, 5 – измерительная система;
d(t) – характеристический размер КСПЭ
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
67
действия. При этом происходило изменение формы силовых элементов (рис. 2)
от исходной формы круга (a). Во всех экспериментах условия нагрева и ох-
лаждения сохранялись постоянными. Зависимость температуры от времени
приведена на рис. 3.
а б в
Рис. 2. Формы КСПЭ на различных стадиях эксперимента: а – круговая (исходная),
б – эллиптическая (после начального деформирования), в – эллиптическая (в про-
цессе восстановления формы)
Охлаждение силовых элементов вместе с ЛИНДом проводили в изотер-
мических условиях холодильных камер. При минимальной температуре
«металлические мышцы» выдерживали не менее 10 h. В этих температурных
условиях наращивали силовое воздействие на КСПЭ и выполняли следую-
щий термоцикл. Во время нагрева следили за изменением величины
1 ( )d d t (см. рис. 2), что позволило оценивать формовосстановление,
обусловленное эффектом памяти формы, и генерацию усилий «металлически-
ми мышцами». При повышении силового воздействия на КСПЭ перед нагре-
вом увеличивается значение d1. Вторая стадия возрастания этой величины от-
мечена в термоцикле во время охлаждения. После реализации эффекта памяти
формы при нагреве в процессе понижения температуры до интервала прямого
превращения материал силовых элементов оказывается в состоянии, свойст-
вом которого является пластич-
ность превращения. Это позво-
ляет контртелу не только восста-
новить значение d1, но и, как пра-
вило, заметно его увеличить.
Графики на рис. 4 иллюстри-
руют развитие деформационных
процессов при силовом взаимо-
действии КСПЭ с контртелом на
уровнях 250 N (I) и 430 N (II).
Для сплава с содержанием Ni
50.45 at.% (рис. 4,I,II,a) формоиз-
менение КСПЭ начинается прак-
тически сразу с повышением тем-
Рис. 3. Временная зависимость температуры
КСПЭ в процессе нагревания в термостате
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
68
пературы. При понижении температуры деформационной подготовки «ме-
таллических мышц» к работе происходит возрастание максимального значе-
ния ∆ при T = 403 K. Лишь при начальном силовом взаимодействии с контр-
телом F0 = 430 N разница в конечной величине ∆ на кривых 1 и 2 (рис. 4,II,a)
существенно меньше, чем при F0 = 250 N (рис. 4,I,a). Обращает на себя вни-
мание и тот факт, что при обоих значениях F0 при минимальной температу-
ре термоциклов Tmin = 279 и 271 K различия в деформационных характерис-
тиках КСПЭ (TiNi50.45 at.%) в результате действия эффекта памяти формы
незначительны в сравнении с разницей в величинах ∆ при Tmin = 299 K.
Кривые 1 на рис. 4,I,II,б показывают изменение во времени параметра ∆
при Tmin = 299 K для сплава TiNi50.35 at.%. В отличие от двух других темпе-
ратурных интервалов термоциклирования в данном случае деформационные
I
а б
II
а б
Рис. 4. Развитие эффекта памяти формы КСПЭ из сплавов TiNi50.45 at.% (а) и
TiNi50.35 at.% (б) в течение времени t при нагрузке F ~ 250 N (I) и F ~ 430 N (II)
при различных температурах T, K: кривые 1 (◆) – 299, кривые 2 (■) – 279, кривые 3
(▲) – 271
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
69
процессы начинаются одновременно с нагревом установки ЛИНД в термо-
стате при силе противодействия F = 250 и 430 N. Различие в изменении па-
раметра ∆ при нагреве для этих опытов невелико. Деформационные эффек-
ты формовосстановления КСПЭ на этапе повышения температуры от 279 K
(кривые 2 на рис. 4,I,II,б) и от 271 K (кривые 3, там же) существенно больше.
Процесс интенсивного деформирования начинается через 20–30 min после
начала нагрева. При силовом взаимодействии с контртелом F ~ 250 N на
этапе роста температуры от 271 K в результате эффекта памяти формы пара-
метра ∆ = 2.3 mm (кривая 3, рис. 4,I,б). В аналогичной ситуации после дефор-
мирования КСПЭ при 279 K ∆ = 3.5 mm (кривая 2, рис. 4,I,б).
Иное соотношение параметров формовосстановления наблюдается при си-
ловом контакте «металлических мышц» и контртела F ~ 430 N. При нагреве
силовых элементов от 279 K максимальное значение ∆max = 4 mm (кривая 2,
рис. 4,II,б), а после деформирования КСПЭ при 271 K нагрев приводит к росту
∆ до 5 mm (кривая 3, рис. 4,II,б). Таким образом, при меньшем усилии про-
тиводействия развитию эффекта памяти формы нагрев от 279 K дает боль-
шую степень восстановления формы по сравнению с термоциклом, имею-
щим Tmin = 271 K (рис. 4,I,б). При усилии F ~ 430 N соотношение значений
∆ противоположное.
В отличие от исследований, проводимых на традиционных образцах, де-
формирование «металлических мышц» описываемой конструкции вызывает
индивидуальное распределение полей напряжений и деформаций почти в
каждом проволочном сечении. Видимо, и соотношение аустенитной и мар-
тенситной фаз во всех трех случаях различно. По данным, приведенным в
[10], при 299 K материал обеих химических композиций КСПЭ может нахо-
диться полностью в аустенитном состоянии. В пользу этого можно привести
зависимости d1 от приложенной силы F, полученные в изотермических усло-
виях (рис. 5). Кривые 1 на рис. 5,a и б показывают почти линейную взаимо-
а б
Рис. 5. Взаимозависимость размера d1 и растягивающего усилия F для КСПЭ из
сплавов TiNi50.45 at.% (а) и TiNi50.35 at.% (б) при различных температурах T, K:
кривые 1 (▼) – 403, кривые 2 (◆) – 299, кривые 3 (■) – 279, кривые 4 (▲) – 271
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
70
зависимость F и d1 при 403 K. Близким к линейному является и соотноше-
ние этих параметров при 299 K. Однако при такой температуре коэффициент
пропорциональности линейной зависимости F(d1) в 2 раза меньше для сплава
TiNi50.35 at.%. Для сплава TiNi50.45 at.% изменение этого коэффициента
равно приблизительно 2.5. Это может быть результатом «дефекта» модуля уп-
ругости, отмечаемого в никелиде титана вблизи температур превращения [11].
В отличие от первых двух кривых на рис. 5, указывающих на высокотем-
пературное состояние материала, графики, отражающие соотношение F и d1
при температурах 279 K (кривые 3) и 271 K (кривые 4), оказались намного
сложнее. Участки взаимосогласованного роста d1 и F чередуются с наличи-
ем «площадок текучести», когда d1 увеличивается при почти постоянном
значении F. Их можно наблюдать при F ~ 250 N на кривой 3, рис. 5,a и б и
при F ~ 590 N на кривой 3, рис. 5,б. На кривой 4, рис. 5,a такой участок от-
мечается при F ~ 470 N, а на кривой 4, рис. 5,б аналогичную площадку мож-
но наблюдать при F ~ 440 N. По-видимому, наличие такой «площадки теку-
чести» при F ~ 250 N привело к тому, что в аналогичном силовом взаимо-
действии КСПЭ с контртелом формовосстановление после деформирования
при 279 K оказывается значительней эффекта, полученного после нагруже-
ния силовых элементов из TiNi50.35 at.% при 271 K.
Такое соотношение деформационных эффектов сохраняется до уровня
начального силового воздействия на КСПЭ F0 = 330 N (кривая 2, рис. 6,б).
Дальнейший рост начальной нагрузки на «металлические мышцы» приводит
к тому, что формовосстановление при нагреве от 271 K становится больше
(кривая 3, рис. 6,б). Кривая 1 на рис. 6,б показывает, что при нагружении
КСПЭ при 299 K деформационный эффект варьируется от 1 до 1.8 mm. Та-
ким образом, генерация дополнительного усилия варьируется от 100 до 175 N.
Это может быть использовано в технологических процессах, требующих
строгого ограничения силового воздействия на обрабатываемые объекты.
а б
Рис. 6. Зависимость максимального значения параметра ∆ от начального усилия F0 при
различных температурах T, K: кривые 1 (◆) – 299, кривые 2 (■) – 279, кривые 3 (▲) – 271
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
71
Для сплава TiNi50.45 at.% «площадка текучести» при F0 = 250 N может
обеспечивать значительный прирост величины ∆ при минимальной темпера-
туре цикла Tmin = 279 K (см. рис. 4,I,a, кривая 2). Для этого сплава характер-
на также близость к постоянству величины прироста силового взаимодейст-
вия с контретелом при F0 > 200 N как при Tmin = 271 K, так и при Tmin = 279 K
(рис. 6,а). А при 299 K обнаружен максимум деформационного эффекта
вблизи значения F0 = 450 N. Превышение этого уровня F0 приводит к воз-
никновению силового воздействия на КСПЭ со стороны контртела F ~ 950 N,
препятствующего нарастанию деформаций эффекта памяти формы.
Таким образом, полученные данные показывают эффективность управле-
ния деформационно-силовыми параметрами «металлических мышц» по-
средством задания условий подготовки их к работе в области температур
прямого мартенситного перехода.
Приведенные результаты также свидетельствуют о возможности разра-
ботки приводов и силовых конструкций, использующих «дефект» модулей
упругости.
1. Ю.Н. Вьюненко, Матер. Междунар. симп. «Перспективные материалы и техно-
логии», УО «ВГТУ», Витебск (2011), с. 182–184.
2. А.А. Тихомиров, И.В. Артемьев, Ю.Н. Вьюненко, Тр. конф. «XXI Петербургские
чтения по проблемам прочности», Соло, Санкт-Петербург (2014), с. 248–250.
3. Ю.Н. Вьюненко, Матер. Междунар. симп. «Перспективные материалы и техно-
логии», НШ «ВГТУ», Витебск (2015), с. 291–293.
4. Ю.Н. Вьюненко, Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и
технические науки 18, 2023 (2013).
5. Ю.Н. Вьюненко, Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и
технические науки 21, 791 (2016).
6. Ю.И. Паскаль, Л.А. Монасевич, ФММ 52, 1011 (1981).
7. С.П. Беляев, М.Ю. Демина, Л.Н. Курзенева, Вестник Тамбовского университета.
Серия: Естественные и технические науки 3, 300 (1998).
8. А.И. Лотков, В.Н. Гришков, С.В. Анохин, А.В. Кузнецов, Изв. вузов. Физика 25,
№ 10, 11 (1982).
9. S. Miyazaki, Y. Igo, K. Otsuka, Acta Metall. 34, 2045 (1986).
10. И.М. Корнилов, Е.В. Качур, О.К. Белоусов, ФММ 32, 420 (1971).
11. Ю.Н. Вьюненко, Б.С. Крылов, В.А. Лихачев, Ю.И. Мещеряков, ФММ 49, 1032
(1980).
Yu.N. V’yunenko, E.A. Khlopkov, G.A. Volkov
THE CONTROL OF DEFORMATION-POWER PROPERTIES
OF THE TiNi «METAL MUSCLES»
The deformation-power characteristics of ring-shaped bundle force elements (RBFE)
made of the TiNi alloys are tested under progressing shape memory effect in the course of
thermal cycling. The possibility of the control of these parameters by variation of the
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 4
72
temperature ranges of operation and chemical composition of is RBFE demonstrated. It is
found that the same mechanical impact on the “metal muscles” at varied temperature re-
sults in substantial difference in the power abilities.
Keywords: shape memory effect, ring-shaped bundle force elements, deformation-power
properties, temperature modes, titanium nickelide
Fig. 1. RBFE’s strain scheme in dynamometer LIND: 1 – RBFE, 2 – counter-body (coil
spring), 3 – movable plate, 4 – regulating movable plate, 5 – measuring system, d(t) –
characteristic size of RBFE
Fig. 2. RBFE shape at different stages of the experiment: a – round shape (the initial
one), б – elliptic shape (after the initial deformation), в – elliptic shape (in the course of
the shape recovery)
Fig. 3. Time dependence of the RBFE temperature in the course of heating within the
thermostat
Fig. 4. Evolution of the shape memory effect in the RBFE made of the alloys of
TiNi50.45 at.% (а) and TiNi50.35 at.% (б) during the time t under the strain F ~ 250 N
(I) and F ~ 430 N (II) at the varied temperature T, K: curves 1 (◆) – 299, curves 2 (■) –
279, curves 3 (▲) – 271
Fig. 5. Interrelation of the size d1 and tension force F effect in the RBFE made of the al-
loys of TiNi50.45 at.% (а) and TiNi50.35 at.% (б) at varied temperature T, K: curves 1
(▼) – 403, curves 2 (◆) – 299, curves 3 (■) – 279, curves 4 (▲) – 271
Fig. 6. The maximum of the parameter ∆ vs the initial force F0 at varied temperature T, K:
curves 1 (◆) – 299, curves 2 (■) – 279, curves 3 (▲) – 271
PACS: 62.40.+i, 62.90.+k, 81.30.kf
Статья поступила в редакцию 18 октября 2017 года
Yu.N. V’yunenko, E.A. Khlopkov, G.A. Volkov
|