Особенности колебаний крутильного маятника из сплава TiNi при однократном импульсном тепловом воздействии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534 1:669 018 2

ОСОБЕННОСТИ КОЛЕБАНИЙ КРУТИЛЬНОГО МАЯТНИКА ИЗ СПЛАВА TiNi ПРИ ОДНОКРАТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© С.Г1. Беляев, А.Е. Волков, А.В.Воронков

Россия, Санкт-Петербург. Институт математики и механики СПбГУ

Belyaev S.P., Volkov А Е.. Voronkov А V Peculiarities of TiNi rotating pendulum oscillations at single thermal impulse . The present work is devoted to the analysis of a single heating impulse influence on the character of shape memory rotating pendulum vibrations. uA single heating impulse was given at some phase of mechanical vibrations in the course of one of the periods l ime moment of the maximum deviation of the pendulum from equilibrium was chosen as the reference point for the delay time At The correlation between At and logarithmic decrement 6 is shown The dependence S(A/) has two maxima and one minimum when Ai varies in one semiperiod of vibrations

В работах [1-3] было показано, что при периодическом импульсном нагревании нити крутильного маятника из сплава ТПЧ1 можно целенаправленно изменять его поведение. Установлено, в частности, что декремент колебаний 5 сильно зависит от режима их синхронизации с периодическими импульсами электронагрева. При этом 6 непрерывно изменяется в диапазоне от -0,8 до +0,5, то есть амплитуда вибраций может как нарастать со временем, так и быстро убывать в зависимости от режима синхронизации. Очевидно, что не составляет труда осуществить переход от одного режима колебаний к другому, путем плавного или скачкообразного изменения времени рассогласования («сдвига фаз») между механическими колебаниями и термическим периодическим воздействием на образец.

Настоящая работа является продолжением исследований. выполненных в [1 - 3] и посвящена анализу влияния однократного импульсного нагрева сплава Т1№ на изменение характера колебаний крутильного маятника. Материал и методика испытаний были такими же, как и в работе [3]. После отжига материал образца имел температуры мартенситных превращений Ан = 350 К, А„ = 365 К, М„ = 330 К, Мк , = 315 К. Таким образом, при комнатной температуре сплав находился в мартенситном состоянии. При подаче импульса электротока силой 3-^4 А образец нагревался и за время 0,2 с переходил из мартенситного в аустенитное структурное состояние. Затем за счет естественного охлаждения на воздухе при комнатной температуре происходил переход аустенит мартенсит за время около 7 с. Импульсное нагревание в экспериментах осуществляли однократно на определенной фазе колебаний крутильного маятника. Так же, как и в [3]. за точку отсчета времени принимали момент достижения максимального отклонения маятника от положения равновесия. Этот момент времени фиксировался регистрирующей аппаратурой и через время Д/ электронная система вырабатывала управляющий сигнал, который запускал импульс тока для нагрева образца. Величину времени рассогласования Д/ варьировали.

Импульсный нагрев проволочного образца приводит к возникновению дополнительной силы, связанной со структурным мартенситным превращением (эффект генерации напряжений). Периодическое действие возмущающей силы, как показано в предыдущих работах, изменяет характер механических вибраций. В противоположность этому опыты показали, что однократный импульс приводит всегда к резкому уменьшению амплитуды колебаний в процессе охлаждения после отключения тока. При этом сам процесс нагрева вызывает лишь слабое возмущение колебаний.

На рис. 1 показаны примеры виброграмм, полученных при однократном импульсном тепловом воздействии на свободно колеблющийся маятник. Можно видеть, что в результате затухания за время около половины периода осцилляций маятник переходит в новый колебательный режим с амплитудой и положением равновесия, отличными от первоначальных. Амплитуда всегда становилась в несколько раз меньшей, а положение равновесия могло смешаться как в положительном, так и в отрицательном направлении оси е. Последнее определялось величиной времени рассогласования Д/.

Величину затухания колебаний при столь необычном переходном поведении маятника оценивали декрементом 8*, который рассчитывали как натуральный логарифм отношения амплитуды вибраций в периоде, непосредственно предшествующем аномальному затуханию, к амплитуде колебаний в первом периоде после перехода маятника в новый колебательный режим. Между величиной Д/ и декрементом колебаний 6* имеется корреляция, иллюстрируемая рис. 2. Несмотря на сильное рассеяние экспериментальных точек на рис. 2, можно отметить наличие двух максимумов и минимума 8* на интервале времен, соответствующих одному полупериоду начальных колебаний. Декремент 8* резко и немонотонно меняется с Д/, достигая значения 4,5 (!) и никогда не уменьшаясь ниже 0,4.

Выявленные в экспериментах закономерности получают естественное объяснение с учетом необычных

а)

б)

в)

Время, с

Рис. 1. Виброграммы колебаний крутильного маятника (сплошные линии) и зависимости температуры образца от времени (пунктирные линии) при А/ = 1,8 с (а); 2,9 с (б); 9 с (в).

реологических свойств сплавов с памятью формы, представителем которых является никелид титана. Известно, что в ходе реакции аустенит -* мартенсит в сплаве упругие напряжения интенсивно релак-сируют вследствие развития не упругой деформации по фазовому механизму. Потенциальная (упругая) энергия маятника при этом резко уменьшается, превращаясь в химическую энергию фазового превращения, запасенную в структуре сплава. Именно этот процесс ответственен за апериодическое затухание колебаний, а оставшейся упругой энергии достаточно лишь

Время рассогласования Д1, с

Рис. 2. Зависимость декремента колебаний 5* от времени рассогласования А/.

для малоамплитудных осцилляций вблизи нового положения равновесия. Затухание тем сильнее, чем большую упругую энергию имеет маятник к моменту начала превращения аустенит мартенсит. Например, если переход совпадает по времени с прохождением маятником положения равновесия, то затухание менее выражено, поскольку вблизи равновесия потенциальная энергия мала, а кинетическая - максимальна. И наоборот, при наложении во времени превращения и максимального отклонения маятника затухание будет очень резким. Сказанное находится в согласии с результатами, представленными на рис. 2: два максимума и один минимум соответствуют двукратному прохождению маятником положений максимума отклонения и однократного равновесного положения.

Подчеркнем еще одно важное обстоятельство. Химическая энергия, запасенная сплавом в ходе мартен-ситного перехода при охлаждении, может быть переведена обратно в упругую путем нагревания сплава через интервал температур обратного мартенситного превращения. Поэтому маятник, остановившийся в положении, далеком от равновесия, и остающийся там сколь угодно долго, при нагреве начинает снова раскачиваться с большой амплитудой. Такой феномен неоднократно инициировали и наблюдали экспериментально.

В целом представленные результаты демонстрируют возможность высокоэффективного демпфирования колебаний путем резкого охлаждения материала с мар-тенситным превращением за время, составляющее доли периода колебаний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воронков А.В., Лихачев В.А. Исследование никелида 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: Материалы I Российско-

Американского семинара и XXXI семинара «Актуальные проблемы прочности». Ч. II. С.-Пб., 1995. С. 83

2. Воронков А.В.. 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 А.В. Управляемые механические колебания в сплаве Т1№ // Современные вопросы физики и механики материалов. Сб. трудов XXXII межреспубликанского семинара «Актуальные проблемы прочности». С.-Пб., 1997. С. 289-293.