Способ термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов Советский патент 1991 года по МПК G01N21/00 

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 определения исходных данных для проектирования таких устройств.

Целью изобретения является повышение информативности за счет определения распределения характеристических теплот в диапазоне реализации неупругих деформаций при различных механических напряжениях.

На фиг. 1 показана схема измерений; на фиг. 2 - фрагмент осциллограммы и методика обработки результатов измерений; на

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 токоизолированно от последней изоляторами 4. Оба конца ТЧЭ 1 через шунт 5 и выключатель 6 соединены с источником электрической энергии U. 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 В7-27А/1, что дает возможность путем установки переключателя рода работ измерять сопротивления ТЧЭ 1 в период между испытаниями. При испытаниях вольт- метр 7 измеряет падение напряжения на ТЧЭ 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 про- цессе охлаждения ТЧЭ 1 за счет реализации ЭПП ТЧЭ 1 снова удлиняется. Полное формовосстановление исходной длины ТЧЭ 1 при реализации ЭПФ произойдет 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

электрического 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: т - время полного цикла; Т2 - фаза ЭПФ.тз - фаза ЭПП; Г4 - время холостого нагрева; ГБ - время рабочего нагрева; г& - время холостого охлаждения; т - время рабочего охлаждения.

ЭПФ и ЭПП обусловлены протеканием в 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 ТЧЭ 1 остывает от температуры окончания обратного превращения до температуры начала прямого превращения,

На фиг. 2 индексы присвоены в соответствии с фазой цикла, Например, qis 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 формуле

qi

ш

m

R

U2Ti

r i r - u и - n и m T| m T{ Rm m 11J

где nn -удельная мощность, подводимая на нагрев ТЧЭ 1;

qi - удельная теплота, подведенная в 1-й фазе цикла;

I - ток в цепи ТЧЭ 1;

U - падение напряжения на ТЧЭ 1;

m - масса ТЧЭ 1;

Тг - продолжительность i-й фазы;

R - электрическое сопротивление ТЧЭ.

В соответствии с(1) количество подводимого к ТЧЭ 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

(Т4 и re) тепловое состояние ТЧЭ 1 изменяется только за счет изменения его внутренней энергии. Механическая работа на этих участках отсутствует.

На участках с изменением деформации (гв, г/) совершается механическая работа. Поэтому с точки зрения термодинамики на этих участках изменяется энтальпия, т.е. изменяется тепловое состояние как за счет изменения внутренней энергии, так и за счет совершения механической работы.

Для получения точечных оценок изменения энтальпии на различных участках фазы формовосстановления (is) выбирают интервал значимого для решения данной задачи или удобный для практического использования интервал изменения энтальпии h0 (например 1:2,5,10 кДж/кг) и определяют время, за которое к ТЧЭ подводится данное количество тепла. В соответствии с (1) это время будет равно

г

То (2)

Далее от момента начала рабочего нагрева Г5 откладывают участки времени, равные т0 , переносят на линию 12 изменения деформации точки, кратные интервалу вре мени TQ , и определяют значения изменения деформации за соответствующие отрезки времени 61,62,63 (фиг. 2).

Таким образом, после указанных операций на участке формовосстановления опре- деляются в ряде точек (число точек определяется требованиями по точности) значения изменения деформации при изменении энтальпии на выбранный значимый уровень h0 при данном уровне нагрузки.

Повторив указанную операцию при раз- личныхуровнях нагрузки (т.е. изменяя величину груза Р), результаты измерений переносят на график в координатных осях напряжение -деформация (фиг. 3). Для этого проводят горизонтальные линии, соответствующие разным уровням напряжения при испытаниях (напримерхл , (Уг , #з , фиг. 3), и на них откладывают степень деформации ТЧЭ1 в АС и МС при соответствующих уровнях напряжения. Соединив между собой точки, соответствующие деформации ТЧЭ 1 в АС и МС, получают ДРЦ, которая характеризует величину формоизменения в зависимости от нагрузки (соответственно линии А и М на фиг. 3). Затем от линии М откладывают измеренные значения деформации, соответствующие выбранному значимому уровню изменения энтальпии при соответствующих нагрузках. Например, Ј1 , BZ , Ј3. Ы перекосят с фиг. 2 на фиг. 3. После этого соединяют линиями точки, соответствующие одинаковой величине изменения энтальпии. В соответствии с положениями термодинамики эти линии являются адиабатами hi, hj. пз, N, hs (Фиг. 3) и соединяют точки на ДРЦ с одинаковым теплосодержанием, т.е. полученный график представляет ДРЦ с адиабатами ЭПФ.

В диапазоне холостого нагрева г с одной стороны количество тепла определяется из уравнения (1), а с другой стороны

0

0

,м

01

(4)

(5)

Q4 С ( А, - Т„ ) .(3)

где Ср1 - удельная изобарная (т е. при постоянном напряжении) теплоемкость ТЧЭ 1 в 5 МС;

v АН - температура канала обратного

мартенситного превращения при данной нагрузке;

0Тн - температура проведения испытаний.

Сопоставив (1) и (3). получим

гм г)п Г4 ц, -- - r/i

5пп ( А,, - Т,, )

или

да ппг„

Ан т-СГ

Таким образом, измерив температуру окружающей среды, и воспользовавшись дополнительной информацией - знэченияма

ми Ср или Аи , можно получить любой из

этих двух недостающих параметров. Как 5 правило, зависимость смещения темперэ у i

ры АН от нагрузки уже известна Кроме того, ее можно получить, используя известный способ, поскольку по предлагаемому спосо0 бу присутствует информац-ия в объеме, достаточном для его реализации. Значения удельной темплоемкости в зависимости от нагрузки не исследованы из-за отсутствия соответствующих методик.

5При холостом охлаждении (интервал re)

ТЧЭ 1 остывает от температуры окончания

01

обратного превращения Ак до температуО)

ры начала прямого превращения Ак при данной нагрузке. ТЧЭ 1 находится в АС и, соответственно, изменения деформации не происходит, хотя ТЧЭ 1 отдает тепло в окружающую среду. Количество тепла, отдаваемого в окружающую среду ( изменение внутренней энергии), определяем как oj A a а

Q6 СЈ (Ак -Мн ).(6)

где Ср - удельная изобарная теплоемкость ТЧЭ в АС.

01 Таким образом при определении qe так

же используется дополнительная информаА°i °i

ция, а именно Ср, и Ак и Мн . Однако

0i изменение внутренней энергии qe может

быть определено по результатам измерений теплового потока с поверхности ТЧЭ 1 либо другими методами.

Определив удельное количество тепла

0 холостого охлаждения qe и используя

предварительно полученную ДРЦ ЭПФ, определяем теплосодержание ТЧЭ 1 к началу прямого превращения ЭПП как о о а

Ь7 h2 qe ,(7)

где а - уровень напряжений при испытаниях

То есть к началу прямого превращения теплосодержания ТЧЭ 1 при различных на01грузках будет определяться величиной h .

Далее при прямом и обратном превращениях кристаллографические изменения и термодинамическое состояние в ТЧЭ 1 в точности повторяются, но только с гистерезисом. При наблюдении в электронный микроскоп было отмечено, что первая появляющаяся при охлаждении ламель мартенсита при нагреве исчезает последней. Наоборот, последняя из появившихся при охлаждении ламелей при нагреве исчезает первой. Поэтому, зная теплосодержание

01

ТЧЭ к началу ЭПП h и ДРЦ ЭПФ, совершенно аналогично строят ДРЦ ЭПП. Для

о, этого от линии Аи величины h приданной

нагрузке (например, 01.02,03, фиг. 3) на полученной к этому моменту ДРЦ ЭПФ последовательно отнимают измеренные на фиг. 2 значения деформации, соответствующие изменению энтальпии на значимый уровень. Получив при различных значениях нагрузки точки с одинаковым теплосодержанием, их соединяют между собой и получают ДРЦ с адиабатами ЭПП. Реализация способа закончена, Полученные результаты характеризуют взаимосвязь нагрузки с формоизменением и теплосодержанием ТЧЭ 1 при реализациях ЭПЦ и ЭПП,

На фиг. 4 показана ДРЦ ЭПФ, а на фиг. 5 - ДРЦ ЭПП с уровнем значимости 10 кДж/кг, полученные на никелиде титана примерно зквиатомного состава.

Использование предлагаемого изобретения позволит: повысить информативность способа, т.е. объем получаемой в результате проведения исследований информации, по

сравнению 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.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1.Способ термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов, включающий в себя нагружение исследуемого элемента с изменеьием действующих на элемент напряжений в различных сериях в условиях термоциклирования элемента в диапазоне температур мартенситного превращения и

измерение изменения во времени деформации элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности за счет определения распределения характеристик теплот в диапазоне реализации неупругих деформаций при различных механических напряжениях, при каждом уровне напряжений в фазе реализации эффекта памяти формы дополнительно измеряют величину проводимой на нагрев

элемента мощности, по измеренному значению подводимой мощности определяют интервал времени, соответствующий изменению энтальпии элемента на выбранный значимый уровен.ь, и определяют изменение деформации за данный интервал времени изменения энтальпии на значимый уровень, отсчет изменения энтальпии начинают от момента начала формовосстановле- ния, а в фазе реализации эффекта

пластичности превращения при каждом 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 деформации на этот же уровень при реализации эффекта памяти формы, а о распределении характеристических теплот судят по величине деформации элемента при различных механических Напряжениях, соответствующих его одинаковой энтальпии.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем. что энтальпию элемента к началу прямого превращения определяют из выражения

0| 01 О)

п 02 -Q6 ,

01 где h - удел-ьная энтальпия элемента к

началу прямого превращения при напряжении о) ;

о П2 - удельная энтальпия элемента к

окончанию обратного превращения при напряжении О) ;

qe - изменение удельной внутренней

энергии элемента при охлаждении от темпе/ ратуры окончания обратного превращения до температуры начала прямого превращения начала прямого превращения при напряжении OJ.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а более конкретно - к способам термомеханических исследований эффекта памяти формы и эффекта пластичности превращения термочувствительных элементов, 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, 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 деформа ций при различных механических напряже ниях Способ включает в себя нагруженир исследуемого ТЧЭ с изменением действую щих на ТЧЭ механических напряжений в различных сериях опытов, термоциклирова- ниеТЧЭ в диапазоне температур превраще ния, и измерение изменения во времени деформации ТЧЭ, при каждом уровне на пряжений в фазе ЭПФ измеряют величину подводимой на нагрев ТЧЭ мощности По измеренному значению подводимой мощ ности определяют интервал времени соответствующий изменению 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 формовос- становления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. сл к ю Ј 4

гг

ts

4

s

7

7

и

Id Ьв k« nt

Яч

ls

3L

ФИГ.1

r&

Hi г/

#

«

ft

2L &

«j-/Ј222

4J4/-A-,

н

l

tea

ОБ гif&M e,/,

ФИГ. 4

н

l