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

(19) 01 М 21/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВТОРСКО ИДЕТЕЛЬСТВУ льный СР 7.СКИХ ИСЯТИ ФОРЧ НОСТИ ВИТЕЛЬХАНИЧЕТА ПАЛАСТИОЧУВС нтрольнонкретно - сследовармы и ращения и может нии меха- вительнытериала, мы (ЭПФ) ия (ЭПП),аааа ыхдля проестироаааа ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство ССМ 970131, кл. 6 01 К 7/00, 1978Авторское свидетельство ССМ 1350576, кл. 6 01 М 25/00, 19(54) СПОСОБ ТЕРМОМЕСЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕК ММЫ И ЭФФЕКТА ППРЕВРАЩЕНИЯ ТЕРМ ТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ(57) Изобретение относится к коизмерительной технике, а более кок способам термомеханических иний эффекта памяти фоэффекта пластичности превтермочувствительных элементов,быть использовано при исследованизмов и устройств с термочувстми элементами (ТЧЭ) из мапроявляющего эффект памяти фори эффект пластичности превращен 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 опнапример 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 напряже. ниях. 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 даннвания таких устройств.Целью изобретения является повышение информативности за счет определения распределения характеристических теплот в диапазоне реализации неупругих дефоомаций при различных механических напряжениях,На фиг. 1 показана схема измерений; на фиг. 2 - фрагмент осциллограммы и методика обработки результатов измерений; на10 20 30 35 45 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 О. 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 В 7-27 А/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 охлаждения 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 чэлектрического 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: ив время полного цикла; т 2 - фаза ЭПФтз фаза ЭПП; т 4 - время холостого нагрева; тц - время рабочего нагрева; тб - время холостого охлаждения; т 7 - время рабочего охлаждения.ЭПФ и ЭПП обусловлены протеканиемв 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, о 15 - 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 формулеО 18 О т; пппб;Ч = т 1 = T = =, (1)п 3 П 1 Яп) . Гпгде пп - удельная мощность, подводимая на нагрев ТЧЭ 1;с - удельная теплота, подведенная в 1-й фазе цикла;1 - ток в цепи ТЧЭ 1;О - падение напряжения на ТЧЭ 1: в - масса ТЧЗ 1.;т - продолжительность -й фазы;В - 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, В этом случае шунт 5 и вольтметр исключаются из схемы измерений. Кроме того, в холостых фазах цикла(т 4 и тв) тепловое состояние ТЧЭ 1 изменяется только за счет изменения его внутренней энергии. Механическая. работа на этихучастках отсутствует.На участках с изменением деформации 5(гЬ, Гг) совершается механическая работа.Поэтому с точки зрения термодинамики наэтих участках изменяется энтальпия, т.е, изменяется тепловое состояние как за счетизменения внутренней энергии, так и эа 1 Осчет совершения механической работы.Для получения точечных оценок изменения энтальпии на различных участках фазы формовосстановления (тЪ) выбирак тинтервал значимого для решения даннойзадачи или удобный для практического использования интервал изменения энтальпии Ьо (например 1;2,5,10 кДж/кг) иопределяют время, за которое к ТЧЭ подводится данное количество тепла. 8 соответствии с (1) это время будет равноЬО 1 О(2)Далее от момента начала рабочего нагрева тБ откладывают участки времени, равные то, переносят на линию 12 изменениядеформации точки, кратные интервалу времени то, и определяют значения изменениядеформации за соответствующие отрезкивремени дт, д 2, дз(фиг, 2),Таким образом, после указанных операций на участке формовосстановления определяются в ряде точек (число точекопределяется требованиями по точности)значения изменения деформации при изменении энтальпии на выбранный значимыйуровень Ьо при данном уровненагрузки.Повторив указанную операцию при различных уровнях нагрузки (т.е, изменяя величину груза Р), результаты измеренийпереносят на график в координатных осяхнапряжение - деформация (фиг. 3), Для этого проводят горизонтальные линии, соответствующие разным уровням напряженияпри испытаниях(например;сто, о 2, оз, фиг. 3),и на них откладывают степень деформацииТЧЭ 1 в АС и МС при соответствующих уровнях напряжения, Соединив между собойточки, соответствующие деформации ТЧЭ 1в АС и МС, получают ДРЦ, которая характеризует величину формоизменения в зависимости от нагрузки (соответственно линли Аи М на фиг. 3). Затем от линии М откладывают измеренные значения деформации,соответствующие выбранному значимомууровню изменения энтальпии при соответствующих нагрузках. Например,е 1, Ф, Яз, 61 переносят с фиг. 2 на фиг., 3,После этого соединяют линиями точки, соответствующие одинаковой величине изменения энтальпии. В соответствии с положениями термодинамики эти линии являютсяадиабатами Ьт, Ьр, Ьз, и т, М (Фиг. 3) и соединяют точки на ДРЦ с одинаковым теплосодержанием, т,е. полученный графикпредставляет ДРЦ с адиабатами ЭПФ,В диапазоне холостого нагрева тт с одной стороны количество тепла определяется из уравнения (1), а.с другой стороныЩ= См (А - Т), (3)где Ср - удельная изобарная (т.е. при постомянном напряжении) теплоемкость ТЧЭ 1 вМС;1А - температура канала обратногомартенситного превращения при даннойнагрузке;Тн - температура проведения испытаний.Сопоставив (1) и (3), получимм пп гт-О,ттт (А- Т)илии, ,Ан =Т, 1 (5)гтт фТаким образом, измерив температуруокружающей среды, и воспользовавшисьдополнительнои информацией - значенияо 1ми Ср или А, можно получить любой изэтих двух недостающих параметров. Какправило, зависимость смещения темпера туцры А, от нагрузки уже известна. Кроме того, ее можно получить, используя известныйспособ, поскольку по предлагаемому способу присутствует информация в объеме, достаточном для его реализации. Значенияудельной темплоемкости в зависимости отнагрузки не исследованы из-за отсутствиясоответствующих методик,При холостом охлаждении (интервал тб )ТЧЭ 1 остывает от температуры окончанияо 1обратного превращения Ак до температу.01ры начала прямого превращения Ак приданной нагрузке. ТЧЭ 1 находится в АС и,соответственно, изменения деформации непроисходит, хотя ТЧЗ 1 отдает тепло в окружающую среду. Количество тепла, отдаваемого в окружающую среду ( изменениевнутренней энергии), определяем какС 5 Я Ццб =Ср (Ак Мн , (б)где Ср - удельная изобарная теплоемкостьАТЧЭ в АС, 1619144ЩТаким образом при определении ц 6 также используется дополнительная информащ цция, а именно Ср, и А и Мн, ОднакоЯизменение внутренней энергии о 6 можетбыть определено по результатам измеренийтеплового потока с поверхности ТЧЭ 1 либо.другими методами,Определив удельное количество теплаЯхолостого охлаждения о 6 и используяпредварительно полученную ДРЦ ЭПФ, определяем теплосодержание ТЧЭ 1 к началупрямого превращения ЭПП какО 1 О О 117 = 2 С 16 (7)где ц - уровень напряжений при испытаниях,То есть к началу прямого превращениятеплосодержания ТЧЭ 1 при различных насгрузках будет определяться величиной й 7Далее при прямом и обратном превращениях кристаллографические изменения итермодинамическое состояние в ТЧЭ 1 вточности повторяются, но только с гистерезисом. При наблюдении в электронный микроскоп было отмечено, что перваяпоявляющаяся при охлаждении ламель мартенсита при нагреве исчезает последней.Наоборот, последняя из появившихся приохлаждении ламелей при нагреве исчезаетпервой. Поэтому, зная теплосодержаниеО 1ТЧЭ к началу ЭПП й 7 и ДРЦ ЭПФ, совершенно аналогично строят ДРЦ ЭПП, ДляОэтогоотлинииАивеличины й 7 приданнойнагрузке (например, О 1д 2, Оз фиг. 3) наполученной к этому моменту ДРЦ ЭПФ последовательно отнимают измеренные нафиг, 2 значения деформации, соответствующие изменению энтальпии на значимыйуровень, Получив при различных значенияхнагрузки точки с одинаковым теплосодержанием, их соединяют между собой и получают ДРЦ с адиабатами ЭПП, Реализацияспособа закончена, Полученные результатыхарактеризуют взаимосвязь нагрузки с формоизменением и теплосодержанием ТЧЭ 1при реализациях ЭПЦ и ЭПП,На фиг. 4 показана ДРЦ ЭПФ, а нафиг. 5 - ДРЦ ЭПП с уровнем значимости10 кДж/кг, полученные на никелиде титанапримерно эквиатомного состава,Использование предлагаемого изобре-.тения позволит: повысить информативностьспособа, т.е, обьем получаемой в результатесравнению 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. 10 Формула изобретения 1. Способ термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов, включающий в себя нагружен ие исследуемого элемента с изменением действующих на элемент напряжений в различных сериях в условиях термоциклирования элемента в диапазоне температур мартенситного превращения и измерение изменения во времени деформацииэлемента,отличающийся тем,что, с целью повышения информативности за счет определения распределения характеристик теплот в диапазоне реализации не- упругих деформаций при различных механических напряжениях, при каждом уровне напряжений в фазе реализации эффекта памяти формы дополнительно изме 15 20 25 30 ряют 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 35 40 уровень, отсчет изменения энтальпии начинают от момента начала формовосстановления, а в фазе реализации эффекта пластичности превращения при каждом 45 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 50 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 прязации эффекта памяти формы; а о распреде 55 лении характеристических теплот судят по10 1619144 ИГ. мого превращения определяют иэ выраженияй О)О)пт =п 2 -а 6,Огде Ьт - удельная энтальпия элемента к началу прямого превращения при напряжении Я; Яп 2 - удельная энтальпия элемента кокончанию обратного превращения при напряжении р;5о 6 - изменение удельной внутреннейэнергии элемента при охлаждении от темпе; ратуры окончания обратного превращения до температуры начала прямого превраще ния начала прямого превращения при напряжении о.1619144 ИГ. М г м аказ 42 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 и ГКНТ СССР изйодственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Составитель В, Филатоваедактор Л. Гратилло Техред М,Моргентал Корректор Т, Палий