СПОСОБ ЗАДАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ В ОБРАЗЦАХ ИЗ СПЛАВА НИКЕЛИДА ТИТАНА ТН-1 Российский патент 2023 года по МПК C22F1/18 

Известны несколько способов обработки полуфабрикатов для материалов с термоупругими мартенситными превращениями (ТМП), которые позволяют формировать эффект памяти формы (ЭПФ).

Первый способ: - это пластическое деформирование материала путем термоциклирования через интервалы мартенситных переходов сплава ТН-1 под постоянным напряжением различной величины [1].

Второй способ заключается в пластическом деформировании материала путем термоциклирования через интервалы мартенситных переходов сплава ТН-1 под постоянным напряжением на этапе охлаждения материала, и в разгруженном состоянии на этапе нагревания. [2].

Наиболее близким аналогом является третий способ обработки полуфабрикатов из сплавов с термоупругими мартенситными превращениями: - включает в себя предварительную термоциклическую тренировку сплава с термоупругими мартенситными превращениями в режиме кручения.

Режим термоцикла: нагрев в разгруженном состоянии в интервале температур от Т=298К до Т=500К, а охлаждение до Т=298К производится под нагрузкой [3].

Анализируя данные трех способов обработки материалов с ТМП, можно сделать вывод, что во всех способах после тренировки наблюдается заметная обратимая деформация, проявляемая в виде ЭПФ на этапе нагрева и ее накопления на этапе охлаждения, в третьем способе имели место деформационные эффекты, связанные с ЭПФ при нагревании в разгруженном состоянии, с пластичностью прямого превращения (ППП) при охлаждении под нагрузкой через интервал прямого мартенситного превращения (МП).

Техническим результатом изобретения является получение ЭПФ при нагреве после охлаждения в интервале прямого МП в защемленных условиях с нулевым деформационным эффектом.

Этот результат достигается способом обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана ТН-1 путем предварительного охлаждения и нагрева через интервалы прямого и обратного мартенситных превращений в режиме кручения. Отличие от рассмотренных способов обработки материалов заключается в том, что в аустенитном состоянии при температуре Т=493 К образец изотермически закручивают до некоторой величины угловой деформации, после чего образец жестко защемляют, фиксируя угловую деформацию образца. Затем образец охлаждают до температуры Т=293 К, где жесткое защемление образца устраняют. При этом происходит изотермический возврат части деформации, полученной при закручивании в аустенитном состоянии. Последующий нагрев образца до температуры Т=493 К сопровождается эффектом памяти формы, проявляемым в виде восстановления угловой деформации.

Для проведения испытаний был отобран материал в виде сплошных цилиндрических образцов из сплава ТН-1 с длиной и диаметром рабочей части соответственно 33 и 4 мм.

Перед испытанием образцы отжигали (в муфельной печи в специальном контейнере) при температуре 723 К в течение одного часа с последующим охлаждением до комнатной температуры на воздухе. Экспериментальную часть работы проводили на специальной установке, спроектированной и изготовленной в Ухтинском государственном техническом университете [4].

Полуфабрикат правым концом закрепляется с помощью двух винтов в захвате, жестко соединенном с правой опорой. Левый конец полуфабриката таким же образом закрепляется в конце вала, имеющего возможность свободно вращаться и перемещаться в осевом направлении в подшипниках опор. Крутящий момент передается через шкив, жестко закрепленный на валу шпоночным соединением, на котором намотана прочная нить с подвешенным на конце грузом, при этом предусмотрена возможность изменения направления закручивания груза. Угол закручивания определяют по показаниям шкалы измерительного устройства. Нагрев производили электропечью. Температура в процессе эксперимента регистрировали при помощи милливольтметра М 2038, подключенного к хромелькопелевой термопаре, спай которой подсоединяли к рабочей части полуфабриката. Для контроля однородности нагрева полуфабриката устанавливали две термопары в различных точках его рабочей части. Установка позволяет сообщать полуфабрикату крутящий момент до 5 Н м.

Для получения результата изобретения полуфабрикат, находящийся в аустенитном состоянии при температуре 493 К, нагружали заданным крутящим моментом, сообщая ему значения касательных напряжений и угловой деформации определяемых по формулам (1,2)

Здесь d и I - диаметр и длина рабочей части образца; ϕ - угол закручивания образца; М - крутящий момент; τ - касательные напряжения; γ - угловая деформация.

Далее полуфабрикат жестко защемляли в изотермических условиях для фиксации угловой деформации полуфабриката с помощью устройства, которое работает по принципу тисков и представляет собой две плоские губки с регулировочной ручкой, которая двигает зажимной винт. С его помощью губки расходятся и сжимаются, фиксируя боковые поверхности шкива максимально плотно (создавая эффект жесткого защемления). Упругие накладки на губках равномерно распределяют силу давления по боковой поверхности шкива. Основание устройства крепится с помощью юстировочных винтов к станине установки, что позволяет настраивать устройство для полуфабрикатов различной длины. После этого производим охлаждение в мартенситное состояние до температуры Т=293 К. При данной температуре жесткое защемление полуфабриката устраняют, при этом происходит изотермический возврат части деформации, полученной при закручивании в аустенитном состоянии. Затем полуфабрикат нагревают через интервал обратного мартенситного превращения до аустенитного состояния (Т=493 К), и при этом имеет место эффект памяти формы.

Следует отметить, что повторный цикл приводит к аналогичной ситуации, и не наблюдается для других способов обработки полуфабрикатов, где в процессе термоциклирования через интервалы мартенситных переходов в нагруженном состоянии накапливаются заметные необратимые деформации.

Как правило необратимые деформации, сопровождающие мартенситные переходы являются нежелательными и как следствие ухудшающие размерную стабильность материалов. В описанном способе экспериментально установлено, что получение ЭПФ при нагреве после охлаждения в интервале прямого МП в защемленных условиях наблюдается с нулевым деформационным эффектом.

Параметр использованных образцов представлены в таблице 1.

В лабораторных условиях выполнены 6 опытов:

Здесь:

γ_А - угловая деформация, обусловленная нагрузкой образца при Т=493 К,

γ_М - деформация, обусловленная разгрузкой при Т=293 К,.

γ_п - деформация, обусловленная эффектом памяти формы при нагревании в интервале температур 293-493 К.

Для всех опытов минимальная и максимальная температура термоциклирования составляли соответственно 293 и 493 К.

Изобретение поясняется графическим материалом на Фиг. 1, где представлена зависимость угловой деформации от температуры. (1) - нагружение в аустените до τ=300 МПа и защемление; (2) - охлаждение в интервале температур 493÷293 К в защемленном состоянии; (3) - снятие защемления; (4) - отогрев в интервале температур 293÷493 К в свободном состоянии.

1. И.Н. Андронов, Н.П. Богданов, В.П. Власов, Н.А. Северова «Вестник Тамбовского государственного университета». 1998. Т. 3, Вып. 3, - С. 236-238.

2. И.Н. Андронов, Р.А. Вербаховская, С.К. Овчинников, Н.А. Северова «Заводская лаборатория». - 2007 - №2. - Т. 73 - С.64-67.

3. Патент №2310696, МПК C22F 1/18, опубл. 20.11.2007, Бюл. №32.

4. Свидетельство на полезную модель №1538 Российская Федерация, G01N 3/08. Установка для испытания образцов материалов при сложном напряженном состоянии: / В.П. Власов, И.Н. Андронов, Ю.Б. Какулия. Заявка 94007969/28, 05.03.1994; опубл. 16.01.1996.

Изобретение относится к металлургии, а в частности к изделиям из сплавов с эффектом памяти формы, и может быть использовано в энергетическом машиностроении, строительстве, приборостроении и медицине. Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана ТН-1 включает охлаждение деформированного кручением полуфабриката из никелида титана ТН-1 из аустенитного состояния в мартенситное состояние и последующий нагрев в разгруженном состоянии. Полуфабрикат из никелида титана ТН-1 закручивают до заданной угловой деформации в аустенитном состоянии в изотермических условиях при температуре Т=493 К, жестко защемляют для фиксации угловой деформации и охлаждают в мартенситное состояние до температуры Т=293 К и далее нагревают в свободном состоянии через интервал обратного мартенситного перехода до температуры Т=493 К до восстановления угловой деформации. Обеспечивается получение эффекта памяти формы при нагреве после охлаждения в интервале прямого мартенситного превращения в защемленных условиях с нулевым деформационным эффектом. 1 ил., 2 табл.

Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из сплава никелида титана ТН-1, включающий охлаждение деформированного кручением полуфабриката из никелида титана ТН-1 из аустенитного состояния в мартенситное состояние и последующий нагрев в разгруженном состоянии, отличающийся тем, что полуфабрикат из никелида титана ТН-1 закручивают до заданной угловой деформации в аустенитном состоянии в изотермических условиях при температуре Т=493 К, жестко защемляют для фиксации угловой деформации и охлаждают в мартенситное состояние до температуры Т=293 К и далее нагревают в свободном состоянии через интервал обратного мартенситного перехода до температуры Т=493 К до восстановления угловой деформации.