Способ определения напряженно-деформированного состояния термочувствительных элементов из материала, проявляющего эффект памяти формы

гСОЮЗ СОНЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1) С 01 В 5/3 ЕГЕНИЯ изобре плуата г анного неразру- ряженно- термочувиз матепамяти ед ван т исследуероявляющего рый установ-вокруг ролика плен на не- лированно ени эксплуатаци щение спос На Фиг, упр онн а ф возможносте зано устройс п я о очни я осуществлна Фиг, 2цил,лог раммь едлагаемого с ктерный Фрагм Фиг. 3 - терм пос ент енныиЧЭ 1- хар еханиОсудАРстВенный номитетО ИЗОБРЕТЕКИЯ 11 И ОТКР 11 ТИ 11РИ ННТ Сои ПИСАНИЕ ИЗ(56) Авторское свидетельство СССРУ 1490457, кл, С 01 В 7/16, 27.05,88.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕТ 1 ЕНИЯ НАПРЯ 111 ЕННО ДЕФОРЬ 1 ИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ Т 1,РИОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ь 1 АТ;1 ИАЛА,ПРОЯВЛЯЮ 1 ЦЕГО ЭФФЕКТ ПА 11 ЯТИ ФОРМЫ(57) Изобретение относится к неразрушающим методам контроля напряженнодеформированного состояния термочувствительных элементов (ТЧЭ) из материала, проявляюшего эффект памятиформы, и может быть использовано дляисследования и различных видов контроля ТЧЭ и устройств с ТЧЭ, 11 елью зобретение относитс шающим методам контроля напдеформированного состоянияствительных элементов-(ТЧЭ)риала., проявляющего эффектФормы, и может быть использдля исследования и различньконтроля ТЧЭ и устройств сЦель изобретения - расшир ния является расширение эксонных возможностей. Это достем, что согласно способу контроля напряженно-деформиров состояния Т 13, включающему в себя нагружение Т 13, салическое изменени его температуры в диапазоне температур мартанситпого превращения и проведение измерений при различной внешней нагрузке, .змеряют термоупругие характеристики Т 13, а о величине внутренних напряжений судят по уровню внешней нагрузки, при котором измеряе,.ые термоупругие характеристики принимают экстремальное значение, В общем случае в качестве измеряемых термоупругих характеристик могут бьп ь приняты характеристические темпсратуры мар енсптного превращения теплоемко; ть и т,п. 3 3и ф-лыил,ческие характеристики ТЧЭ; на Фиг.4 энер" е;:ические характеристики ТЧЭ; на Фиг -. 5 - Формализованные термомеханические показатели.устройство для осуществления пр лагаемо: о способа содержимь 1 й ТЧЭ 1 пз материала, иэффект памяти Формы, католен с образованием петли2 и обоими концами закреподвижной опоре 3 токоизоот последней изоляторами 4, ист электрической энергии 11 соедин через выключатель 5 с концами Т вольтметр б, илейфный осциллограф 725 На осциллограмме 10 (фиг. 2) показана линия 11 перемещения ролика 2 (изменение деформации ТЧЭ 1) и линия 35 12 электрического тока. Уравнение теплового баланса ТЧЭ в рассматриваемом процессе имеет видЯ и аЧ + оЧ + ОЧюи ц и е(1)40 где ДЧ 1 - подведенное к ТЧЭ тепло;ЙЧ - теплота повьппения внутренней энергии ТЧЭ 1 при нагреве его до температуры начала обратного превращения; 45ЙЧ - теплота формовосстановления;йЧ . - теплоотдача в окружающуюсреду.Опь, исследования ТЧЭ и устройств с ТЧЭ показывает, что при подводимой на нагрев удельной мощности более 30 кВт/кг за счет малого времени формовосстановления (менее 0,2 с) тепло отдачи практически не происходит, т,е. для этих условий дЧ,. = О, При нагреве электрическим током, исполь зуя осциллограмму 10, можно определить все составляющие уравнения (1): который электрически соединен с источником энергии 0 и датчиком 8 пере-. мещения. При работе в автоматическом режиме вместо выключателя 5 может быть установлена система 9 управления нагревом, которая автоматически отключает нагрев ТЧЭ 1 в верхнем положении ролика 2 и включает нагрев в его нижнем положении (показаноО пунктиром) . На ролик 2 действует сила Р, наводимая силоэадающим механизмом, например грузом или гидроцилиндром.Устройство работает следующим образом.При пропускании через ТЧЭ тока в процессе его нагрева через диапазон температур обратного мартенситного превращения, происходит его формовосстановление (ролик 2 приходит в, . верхнее положение). При отключении ТЧЭ 1 от источника энергии в процессе его остывания через диапазон температур прямого мартенситного превращения ТЧЭ 2 накапливает не- упругую деформацию и ролик 2 перемещается в нижнее положение. Цикл может быть многократно повторен. Перемещение ролика 2 во времени записы вается на осциллограмму 10. Я -,п (2)и у пФпИофгде и - мощность, подводимая нанагрев ТЧЭ 1;ь - время от начала. нагрева доокончания формовосстановления;О - время холостого нагрева (отначала нагрева до началаформовосстановления);л- время рабочего нагрева(время формовосстановления) .Мощность пможно определить непосредственным измерением при помощиваттметра, измерением напряженияи тока, измерением напряжения и сопротивления ТЧЭ 1, как показано нафиг. 1, и любым другим методом в соответствии с законом Ома. Характеристические постоянные времени снимаются в осциллограммы (фиг. 2) .С точки зрения метрологии осуществление способа основано на замерахпри различных нагрузках термоупругиххарактеристик, например, указанныхтеплот, входящих в уравнение (1),При этом теплоты могут быть измерены как при помощи предлагаемого устройства, так и любых других известных методов.С точки зрения физической моделиположенной в основу способа, основными являются следующие положения.Основные свойства ТЧЭ - его формоизменение и формообратимость - определяются как модулем сдвига решеткипри мартенситном превращении (илимодуль мартенситного сдвига) С, таки напряжениями, действующими в кристаллах. При этом йапряжения в кристалле 5 складываются иэ напряжений, наводимых внешней нагрузкой(7, и внутренних напряжений 6наведенных предшествующей пластической деформацией. При этом обаслагаемых направлены в противоположные стороныС другой стороны, если раскрытьфизический смысл членов уравнения(1) и сопоставить их с (2), то можно записатьл л л С(5) 50 55 5 160Т - температура проведения испытаний.При этом Ч, А, С зависят от напряжений .б, действующих в ТЧЭ, т.е. эти свойства являются термоупругими. Их термоупругость проявляется в изменении численного значения параметра при изменении уровня механических напряжений. Таким образом, способ может быть реализован путем измерения люрого из термоупругих параметров. Однако в качестве конкретного примера рассмотрим осуществление способа путем замера характерных теплот. При увеличении нагрузки в диапазоне 5 с (7 напряжения б , действующие в кристаллах, уменьшаются, а при дальнейшем росте нагрузки в диапазоне б (7 е напряжения 6 в кристаллах увеличиваются. При б " Гз теореТически 7 О Поликристаллич еское строение материала ТЧЭ с различной рриентацией кристаллографических рлоскостей относительно направления цействующих напряжений, несколько размывает этот эффект, и на практике ) ф 0 в некоторой узкой области бр,Различные виды напряженного состояния (одноосное растяжение или сжатие, сдвиг, внецентренное растяжение и т.д.) по-разному влияют на еермоупругие члены уравнений (1), (3) . Однако при одном и том же напряженном состоянии направление изменения величины термоупругих параметров с ростом напряжений одно и то же. Это определяется тем обстоятельством, стимулирует или, наоборот, препятствует поле напряжений термоупругому мартенситному превращению в ТЧЭ. Например, при одноосном растяжении с ростом напряжения увеличивается и Ч, и Ч, Однако наличие поля внутренних напряжений приводит к тому, что при напряжениях бСе( б), все члены уравнений (1). (3), зависящие от напряжений, имеют экстремальное значение, Эта физическая модель положена в основу способа.П р и м е р 1. Способ был апробирован на ТЧЭ из проволоки никелида титана диаметром 0,5 мм. Апробацию проводили на устройстве по фиг. 1. В процессе апробации определяли термомеханические (фиг. 3) и энергетические (фиг. 4) характеристики ТЧЭ. До апробации свойства ТЧЭ были стаби-. лизированы путем термоциклирования в течение 50 циклов при нагрузке280 МПа.1 Термомеханические характеристики включают в себя диаграмму рабочего цикла (ДРЦ) и зависимость пластической деформации от напряжений (фиг. 3). ,Методика определений термомеханических показателей включает термоциклирование ТЧЭ в диапазоне температур превращения при различных напряженияхи измерение деформации ТЧЭ в аустенитном состоянии Я, в мартенситном состоянии Р, а также пластической деформации Яд,. Результаты измерений наносят на график в координатах напряжение - деформация. При этом линией соединяют результаты измерений каждой из деформаций при раэличных нагрузках. ДРЦ включает в себя линии деформаций Г и Г, характеризует формоизменение при различных нагрузках, так называемый объем памяти. Зависимость пластической деформации от нагрузки характеризует формообратимость, т.е. полноту возврата исходной формы.Методика определения энергетических характеристик (фиг, 4), кроме указанного в описании работы устройства, включает определение величины удельной термомеханической работы по а ф - - "- , (4)6(Г-Г )У где- . плотность материала ТЧЭ.Из фиг. 4 видно, что экстремальное значение (в данном случае минимум) характеристических теплот Чи о, приходится на напряжение бр ="94 МПа. В соответствии с изложенным минимальное (или максимальное) значение термоупругих параметров наступает при выполнении условия В соответствии с этим условием ве 94 МПа.Таким образом, проведенные измерения термоупругих параметров (в рассмотренном примере характеристических теплот) при различных наводимых внешней нагрузкой напряжениях позволили определить уровень внутренних напряжений в ТЧЭ.Результаты могут иметь широкое практическое применение. Например,Фустройств с ТЭ в процессе изготовления, сборки, хранения, транспортировки, эксплуатации и ремонта.5Формула изобретения1. Способ определения напряженно- деформированного состояния термочувствительного элемента иэ материала, проявляющего эффект памяти формы, заключающийся в том, что элемент нагружают, циклически изменяют его температуру в диапазоне температур мартенситного превращения и определяют параметр, характеризующий напряженно- деформированное состояние элемента, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей и упрощения способа, элемент нагружают различной по величине нагрузкой, и измеряют термоупругие характеристики элемента при различной величине нагрузки, а за параметр, характеризующий напряженно-деформированное состояние элемента, принимают величину внешней нагрузки, при котором измеряемые термоупругие характеристики принимают экстремальное значение.302. Способ по п, 1, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что измеряют теплоту формовосстановления элемента и (или) теплоту повышения его внутренней энергии при нагреве до температуры начала обратного мартенситного пре 15 вращения.3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что в процессе циклического изменения температуры элемента дополнительно измеряют Я деформацию обратимого формоизменения разгруженного элемента, Е, - погра 1 1 1Е =б -+Я( -- )н Е С Га в диапазоне напряженийбв -иэ соотношения11 1Я б (сМь 1 1 1 )+6 ( т) М ЕМ 4. Способ по пп. 1-3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что удельную мощность нагрева элемента устанавливают большей или равной 30 кВт/кг. личную деформа цию эл емец та в мартенситном состоянии при уровне внешнихнапряжений Ор, равном уровню внутренних напряжений 66, Гм - деформацию элемента в мартенситном состоянии при (з (, Я - деформациюэлемента в аустенитном состоянии,по результатам измерений определяют характеристические модули материала элемента из соотношенийБрЕ 1 = яг (з -бьЕ 2,М 1 Ем - Ем6 вЕр(ьС1у1где Е - модуль возврата деформации;Е - первый модуль накопленияМ 1деформации;Е - второй модуль накопления/мдеформации;С - модуль сдвига кристаллической решетки,а деформацию я неупругого Формоиэ"менения в диапазоне напряженийЯ й 6 Вопределяют из соотношения1603183 ги Составитель Е. 0 елинактор А. Огар Техред М,Ходанич Корректор С, Шевкун ри ГКНТ роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. на, 101 Заказ 3376 ВНИИПИ Государственно 11303Тираж 492 Подписноекомитета по изобретениям и открытиямИосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5