Механические колебания в сплаве TiNi, регулируемые импульсами электронагрева при различных амплитудах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.1:669.018.2

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В СПЛАВЕ TiNi, РЕГУЛИРУЕМЫЕ ИМПУЛЬСАМИ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ АМПЛИТУДАХ

© С.П. Беляев, А.Е. Волков, А.В. Воронков, Е.Д. Вдовин

Россия, Санкт-Петербург, Институт математики и механики СПбГУ

Belyaev S.P., Volkov А.Е., Voronkov A.V., Vdovin E.D. Mechanical oscillations in TiNi alloy controlled by clectroheating impulses at various amplitudes. Mechanical vibrations of TiNi-alloy pendulum synchronized with electroheating impulses have been investigated at various initial amplitudes. It has been shown, that on the interval of small amplitudes dependence of logarithmic decrement 5 on delay time Д/ is universal for different amplitudes.

Как показано в работах [1 - 3], импульсный электронагрев упругого тела маятника может приводить к существенным изменениям декремента колебаний. Это происходит вследствие того, что в упругом элементе имеет место мартенситное превращение, которое при нагревании сопровождается возникновением дополнительных напряжений, результат действия которых определяется режимом синхронизации теплового воздействия и перемещения маятника. При фиксированной частоте импульсов нагрева, вдвое превышающей частоту колебаний, удается эффективно управлять вибрациями путем изменения времени рассогласования Д/ между механическими осцилляциями маятника и периодическим изменением температуры [3].

В никелиде титана, как и в других сплавах с памятью формы, реактивные напряжения, генерируемые при нагреве, возрастают с увеличением предварительной деформации материала [4]. Понятно поэтому, что рабочее тело маятника, находящееся в мартенситном состоянии, в ходе теплового импульса получит дополнительную упругую энергию тем большую, чем больше деформация в момент начала импульса. Следовательно, можно ожидать, что управляющий эффект теплового воздействия будет изменяться в зависимости от амплитуды колебаний при прочих равных условиях.

В связи с изложенным, целью настоящей работы явилось изучение влияния начальной амплитуды на декремент колебаний при наличии периодических импульсных нагревов рабочего элемента. Экспериментальная методика подробно описана в [3]. Амплитуду колебаний крутильного маятника изменяли, задавая различные величины начального отклонения коромысла от положения равновесия. В дальнейшем изложении именно это отклонение указано в качестве начальной амплитуды Дб. Исследуемый материал и порядок выполнения опытов были такими же, как в [3]. То есть материал имел характеристические температуры М, = 330 К, Мх= 319 К, А., = 350 К, Л,= 365 К и подвергался импульсным нагревам до аустенитного состояния в каждом полупериоде механических колебаний.

Полученные экспериментальные данные приведены на рис. 1 в виде зависимостей логарифмического декремента колебаний 8 от начальной амплитуды для различных времен рассогласования Д/ (в долях периода).

Анализ кривых показывает, что для малых начальных амплитуд, лежащих близко к упругой области (приблизительно от 0,1 до 0,3 %), наблюдается почти классическая амплитудная зависимость внутреннего трения, то есть с ростом начальной амплитуды растет по модулю и уровень внутреннего трения. Если при данных временах рассогласования Аг на малых амплитудах получали генерацию колебаний или сильное затухание, то с увеличением начальной амплитуды, как правило, происходит усиление этих эффектов.

«о 1,0-

I- 0,8-« 0,6-*0,4-

> 0,0 ■0,4

од

0,4 0,6 0,8 1,0

Амплитуда Де, %

1,2

Рнс. 1. Зависимость логарифмического декремента колебаний от начальных амплитуд для различных времен рассогласования (в долях периода).

с

и

£

и

Си

К

и

Ч

Рис. 2. Зависимость логарифмического декремента колебаний от времени рассогласования для различных начальных амплитуд.

0,0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Время рассогласования, At/T

Время, с

Рис. 3. Виброграмма колебаний маятника при Де = 0,82 % и Д/ = 0,01 Т.

При дальнейшем росте амплитуды в интервале приблизительно от 0,3 до 1,2 % и несколько выше наблюдается амплитуднонезависимое поведение колебательной системы. Логарифмический декремент в этих случаях колеблется вокруг некоторого значения и несколько уменьшается в области более высоких амплитуд порядка 1 %. На рис. 2 представлены зависимости логарифмического декремента колебаний 8 от времени рассогласования At, выраженного в долях периода. Простой анализ результатов показывает, что при изменении начальной амплитуды не прослеживается определенная тенденция в смещении кривой 8 - At или искажения ее формы. Все точки распределены в некоторой полосе разброса данных. По-видимому, это может указывать на существование единой зависимости для всех амплитуд колебаний, построенной с помощью интерполяционного полинома 3-го порядка методом наименьших квадратов на графике рис. 2.

Таким образом, вариация амплитуды колебаний не приводит к существенному изменению характера управляющего действия тепловых импульсов несмотря на то, что приращение упругой энергии маятника при нагреве АЕ явно связано с величиной деформации. Представленные данные получают естественную интерпретацию в предположении, что в любой момент времени отношение приращения упругой энергии АЕ к полной упругой энергии маятника Е0 есть величина, постоянная АЕ/Еа = const. В этом случае представляется очевидным, что тепловые импульсы будут оказывать одинаковое действие на колебания при любых амплитудах, лежащих в интервале (0 - 1,5 %).

В заключение упомянем об одном необычном явлении, которое наблюдали при Де > 0,8 % и Д/ < 0,015 Т (на рис. 1 и 2 точки, соответствующие таким временам рассогласования, отсутствуют). Обычно при малых At происходит раскачивание маятника под действием импульсов нагрева с постепенно возрастающей амплитудой, а логарифмический декремент 8 имеет отрицательные значения (см. рис. 2). Однако в указанном диапазоне амплитуд и времен рассогласования

Рис. 4. Виброграмма колебаний маятника при Де = 2 % и

Д/ = 0,05 Т.

после первого же импульса нагрева происходила практически полная остановка маятника в том положении, в котором он находился в момент быстрого нагрева, то есть вблизи максимального отклонения. Ни продолжающиеся импульсные нагревания-охлаждения, ни длительная выдержка при повышенной температуре не могли вывести маятник из нового положения устойчивого равновесия. Иллюстрация этого феномена приведена на рис. 3. Очевидно, при некоторых условиях нагрев инициирует некий мощный релаксационный процесс, в результате которого напряжения в маятнике уменьшаются практически до нуля. Природа такого процесса неясна. По высокоскоростной кинетике и глубине релаксации этот процесс можно было бы отнести на счет пластичности превращения. Однако при обратном превращении в TiNi такое явление наблюдали редко и только при очень больших напряжениях, близких к пределу прочности.

Дальнейшее увеличение начальной амплитуды до значений 2 % и выше позволило наблюдать еще одно явление, природа которого также остается неясной. При подаче первого же управляющего импульса, который переводит рабочее тело маятника в аустенитное состояние за время около 0,2 с, наблюдается резкая остановка и смена направления движения маятника на противоположное. Это явление иллюстрировано на рис. 4 и наблюдается на любых временах рассогласования, при амплитудах более 2 %).

ЛИТЕРАТУРА

1. воронков A.B., Лихачев В.А. Исследование никелнда титана в качестве рабочего тела управляемых демпферов // Новые физические и математические принципы в компьютерном конструировании материалов с эффектом памяти формы. Свойства материалов и их применение. Ч. II. С.-Пб., 1995. С. 83.

2. Воронков A.B., Лихачев В.А. О методике управления декрементом колебаний в никелиде титана // Там же. Ч. III. С. 115-117.

3. Лихачев В.А, Беляев С.П., Воронков A.B. Управляемые механические колебания в сплаве TiNi // Современные вопросы физики н механики материалов. С.-Пб., 1997. С. 289-293.

4. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. 216 с.