Способ установления соответствия мартенситного двигателя заданным рабочим параметрам Советский патент 1992 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам установления соответствия мартенситного двигателя (МД) заданным рабочим параметрам, и может быть использовано в различных отраслях исследования МД, например, при выходном контроле МД на производстве.

Известен способ установления соответствия МД заданным рабочим параметрам, при котором выбор геометрических размеров термочувствительного элемента (ТЧЭ) из материала, проявляющего эффект памяти формы, осуществляют в зависимости от внешней нагрузки. Такой способ имеет узкие функциональные возможности и невысокую точность, поскольку не учитывает внутренние силовые поля в материале и число рабочих циклов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ, который и выбирается в качестве прототипа. Способ установления соответствия заданным рабочим параметрам по прототипу включает в себя выбор геометрических размеров в зависимости от числа рабочих циклов. Способ по прототипу имеет недостатки, поскольку не учитывает внешнюю нагрузку и внутренние силовые факторы в материале. Это снижает функциональные возможности способа.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что в способе установления соответствия МД заданным рабочим параметрам, включающем выбор геометрических размеров ТЧЭ в заVIVJ Os

00

vj

висимостиотчисла рабочих циклов; предварительно измеряют уровень внутренних напряжений ов в материале ТЧЭ, по заданной номинальной нагрузке Рн и уровню внутренних напряжений определяют эффективную площадь поперечного сечения S ТЧЭ, а истинную площадь поперечного сечения S0 ТЧЭ выбирают в зависимости от эффективной площади и количества рабочих циклов п.

При этом, за уровень внутренних напряжений может быть принят предел упругости материала ТЧЭ, а эффективную и истинную площади сечения ТЧЭ определяют из соотр

ошений:3 - ив

104

103

102

п 10

2,, 1,,OS, ,5S, 0,. . ,5S.

На фиг. 1 показана диаграмма рабочего цикла для ТЧЭ из никелида титана эквиа- томного состава; на фиг. 2 показана диаграмма пластической деформации и ресурса в зависимости от уровня нагружения для того же ТЧЭ; на фиг. 3 показаны теоретическая и реальная диаграммы нагружения того же ТЧЭ.

Диаграмма рабочего цикла - фиг. 1 - получается путем термоциклирования ТЧЭ в диапазоне температур превращения под различной нагрузкой и измерения деформации ТЧЭ в аустенитном и мартенситном состояниях при каждом уровне нагружения. Результаты измерений наносят на график в координатах напряжения-деформация. Точки, соответствующие деформации в аустенитном состоянии, образуют аустенитную 1 пограничную линию: а точки, соответствующие деформации в мартенситном состоянии, образуют мартенситную 2 пограничную линию. Пространство между линиями 1, 2 характеризует способность ТЧЭ к формоизменению, так называемый объем памяти. Деформация неупругого формоизменения Јн зависит от уровня внешнего нагружения Ор, При определении диаграммы рабочего цикла измеряют уровень пластической деформации Јп и наносят его на отдельный график - линия 3 фиг. 2-е иным масштабом по шкале деформаций. Этот график характеризует способность ТЧЭ к формообратимости (полноте восстановления исходной формы). Вместе линии 1-3 характеризуют способность ТЧЭ реализовать различные компоненты деформации в зависимости от нагружения и образуют термомеханические характеристики.

Известно, что при заданной нагрузке максимальный ресурс определяется из соотношения

„ Јн n W

Jitn

(1)

Для термомеханических характеристик, показанных на графике по фиг. 1 и 2 линиями 1-3, расчетные значения показаны линией 4. При напряжениях ниже 45-50 МПа значения пластической деформации практически очень трудно измеримы ввиду их малого значения.

На фиг. 3 показаны реальная 5 и идеальная 6 диаграммы нагружения. Диаграммы характеризуют механические свойства ТЧЭ.

В идеальном случае - линия 6 - до напряжений ниже предела упругости Оу-точка AI - развиваются только упругие деформации, исчезающие при разгрузке. Участок пластического течения Ai-Bi характеризуется накоплением деформации практически без увеличения напряжений. Разгрузка в этой области приведет к появлению заданных нагружением неупругих деформаций, устраняемых при последующем нагревании;

т.е. эта деформация не является упругой, т.к. не исчезает при разгрузке, и не является пластической, т.к. полностью обратима. Это неупругие деформации, При нагружении выше BI накапливаются неупругие и пластические деформации и разгрузка приведет к остаточным удлинениям даже после нагрева. Поле пластических деформаций формирует поле внутренних напряжений, направленных в сторону, противоположную

действию внешней нагрузки. В идеальном случае

ОУ ов От ,

где 7т - предел текучести материала.

Реальная картина более сложна, поскольку самый хороший металл еще более неидеален, чем самый неидеальный газ. Это обусловлено поликристаллическим

строением с хаотическим пространственным ориентированием отдельных кристал-- лов. В зависимости от ориентации кристаллографических плоскостей по отношению к нагрузке, кристаллы по разному

способны воспринимать ее действие. Неудачно ориентированные кристаллы при напряжениях менее 0,5 испытывают локальные напряжения, превышающие предел текучести. Однако с ростом напряжений

число неудачных кристаллов растет. При напряжениях ниже 0,5 Оу пластические деформации настолько малы, что их удается зафиксировать только при большом числе циклов.

При увеличении напряжений выше точки А все кристаллы неупруго деформируются, а неудачно ориентированные переходят в область пластического деформирования. Разориентация кристаллов приводит к появлению коэффициента деформационного упрочнения (тангенс угла наклона участка АВ линии 6). Внутренние напряжения появляются как следствие предшествующего пластического деформирования и не могут превзойти по величине внешней нагрузки. ЕслиТЧЭ нагрузить выше точки В, то после разгружения внутренние напряжения не будут превышать уровень Ов 2сгт, т.е. уровень, при котором самые удачно ориентированные кристаллы перейдут в пластическое течение под действием внутренних напряжений.

При нагружении ТЧЭ с уже сформированным полем внутренних напряжений, на- гружение до уровня приводит к падению нагружения кристаллов, т.к. оба силовых фактора разнонаправлены. При напряжениях Ор ав напряжения в кристаллах равны нулю, а при ор 2 Ch начинается активное пластическое течение в сторону внешней нагрузки.

Функционирование МД протекает в условиях, когда на рассмотренную картину напряженно-деформированного состояния накладываются особенности термомеханического поведения, связанные с фазовыми переходами Сдвижение межфазных границ, наследование точечных, линейных и пространственных дефектов, взаимодействием движущейся межфазных и пространственных дефектов, взаимодействие движущейся межфазной границы с дефектами, и др.). Однако рассмотренные особенности механического поведения поликристаллических ТЧЭ накладывают свой отпечаток на термомеханическое поведение ТЧЭ под нагрузкой при работе МД.

Это подтверждает сопоставление фиг. 1,2,3. После предварительного термоцик- лирования под нагрузкой МПа, При напряжениях ,5 ов пластические деформации практически не фиксируются. В диапазоне напряжений 0,5 0в$ ,5ов происходит увеличение объемной доли неудачно ориентированных кристаллов, для которых эта нагрузка соответствует переходу в область пластического течения, пластическая деформация с ростом нагрузки растет

примерно прямо пропорционально. Однако доля неудачно ориентированных кристаллов все еще мала, В диапазоне 1,5ов идет дальнейший рост доли 5 неудачно ориентированных кристаллов, и пластические деформации резко увеличиваются. В диапазоне нагрузок все кристаллы переходят в пластическую об- ласть,что приводит к лавинообразному рос0 ту пластических деформаций.

В данном случае уровень внутренних напряжений определялся методом экстремума характеристических теплот. Однако, как следует из сказанного выше, за уровень

5 внутренних напряжений может быть принят предел упругости ТЧЭ в мартенситном состоянии. В последнем случае всегда будет некоторый запас прочности, т.к. в реальном ТЧЭ уровень внутренних напряжений в за0 висимости от термомеханической предыстории будет изменяться в некотором диапазоне А/в.

По определению: приеп 0.001%, т.е. ресурс по формуле (1) составит не менее

5 103 циклов.

В диапазоне , пластические деформации менее 0,0001 %, т.е. ресурс превосходит 104 циклов.

В диапазоне напряжений 0,5ов

0 уровень пластической деформации изменяется от 0,0001 % до 0,001 %, т.е. ресурс МД лежит в пределах 10 п 104.

В диапазоне напряжений ов .5 о& уровень пластической деформации увеличи5 вается прямо пропорционально с нагрузкой ,015%. т.е. ресурс МД лежит в диапазоне 103.

При нагрузках 1,5 ав ав пластиче- ские деформации начинают обгонять прямо

0 пропорциональный рост. В этом диапазоне обеспечивается ресурс 102.

И, наконец, в диапазоне пластические деформации растут лавинообразно и ресурс МД .

5 с учетом изложенного, для установления соответствия МД заданным рабочим параметрам, необходимо измерить уровень внутренних напряжений в ТЧЭ (либо принять их разными пределу упругости); опре0 делить эффективную площадь поперечного

р

сечения ТЧЭ (например, как S щ). а истинную площадь поперечного сечения ТЧЭ выбирать в зависимости от эффективной $ площади и числа циклов (ресурса), например, из соотношений:

,,

1041. 2,OS.

103S S0 1,5S.

, :SS.

n 10So 0.5S.

Использование изобретения позволит расширить функциональные возможности способа, что выразится в обеспечении его использованием высокой надежности функционирования МД при заданном ресурсе в заданном диапазоне номинальных нагрузок.

Формула изобретения 1. Способ установления соответствия мартенситного двигателя заданным рабочим параметрам, включающий выбор геометрических размеров термочувствительного элемен- та в зависимости от количества рабочих циклов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, предварительно измеряют уровень внутренних напряжений в материале термочувстви- тельного элемента, по заданной номинальной нагрузке двигателя и уровни внутренних напряжений и определяют эффективную площадь поперечного сечения

0

5 0

рабочего элемента, а истинную площадь поперечного сечения рабочего элемента выбирают в зависимости от величины эффективной площади и количества рабочих циклов п.

2, Способ по п. 1,отличающийся тем, что за уровень внутренних напряжений принимают предел упругости материала термочувствительного элемента, а истинную площадь выбирают исходя из соотношений

2S 105 ; Ј104 ; Kfcn lO3; rSlO2 ; n S10;

1, Ј1, 0, ,

где n - количество рабочих циклов; p

S дЈ - эффективная площадь сечения;

So - истинная площадь сечения; РН - номинальная нагрузка двигателя; ов - уровень внутренних напряжений.

Применение: в машиностроении, а именно при контроле выходных параметров мартенситного двигателя. Сущность изобретения: предварительно измеряют уровень внутренних напряжений ов в материале термочувствительного элемента двигателя и по заданной номинальной нагрузке Рн находят эффективную площадь поперечного сечения S РН/ ов. Истинную площадь поперечного сечения So термочувствительного элемента выбирают в зависимости от S и числа рабочих циклов п, так что , 104 . 102, п 10; 2,OS S0, 1,5S ,QS , S .5S ;0,5S S0 S , ,5S в результате обеспечивается максимум удельной совершаемой двигателем работы при заданных номинальной нагрузке Рн и числе рабочих циклов. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. « Ё

Редактор Т.Шагова

( г з Техред М.Моргентал

Скг.З

Корректор П.Гереши