CC BY
44
УДК 539.3
СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СФЕРИЧЕСКИХ СЕГМЕНТОВ ИЗ СПЛАВОВ Ті-№ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
© М.А. Хусаинов1*, А.Б. Бондарев2*, С. А. Попов1*, В. А. Андреев2*, М.В. Чухонкин1*
1) Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого, г. Великий Новгород, Россия, e-mail: Mikhail.Khusainiv@novsu.ru 2) Промышленный центр «МАТЭКС», г. Москва, Россия, e-mail: mateks@mateks.ru
Ключевые слова: сферические сегменты; реактивные усилия; сила удара; надрез; перегрев; эффект памяти формы; защемление.
Работа посвящена исследованию закономерностей изменения силовых характеристик, развивающихся в материале сферических сегментов при отогреве, в зависимости от температуры перегрева и наличия концентраторов напряжений. Показано, что перегревы сферических сегментов относительно температуры обратного мартенситного превращения (Ат) на 50, 100, 150, 200, 250. 600 °С оказывают существенное влияние на силу удара и реактивные
усилия. В частности, свободные (незащемленные) сферические сегменты, перегретые (отожженные) при указанных температурах, восстанавливают форму скачком (с хлопком) и ударом о силоизмеритель с развитием реактивных усилий. Перегрев сферических сегментов в защемленном состоянии приводит к снижению силовых параметров, а при температуре отжига (200-250)°С эффект памяти формы подавляется полностью. Надрезы на краях сегментов длиной > 1,0 мм способствуют образованию зародышевых трещин и их распространению.
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментально установлено [1-3], что сферические сегменты, прогнутые в мартенсите зеркально исходному очертанию при отогреве до аустенитного состояния, восстанавливают исходную форму скачком (с хлопком). Такое явление наблюдается только в случае, когда сферический сегмент свободен по краям. Сегменты, опертые или защемленные по краям, не про-щелкивают. Показано, что скачкообразный (резкий) возврат заданной формы обусловлен потерей устойчивости данного объекта в процессе отогрева. Температура потери устойчивости (Тпу), при которой наблюдается восстановление формы выпуклого сегмента с хлопком, находится в окрестности температуры окончания обратного мартенситного превращения (Ат) и четко зависит от соотношения геометрических параметров сферических сегментов (Б, Я, И). Систематические исследования взаимосвязи геометрических размеров сегмента позволили найти их оптимальные соотношения [4, 5], при которых реализуется удар максимальной силы. Влияние надрезов как концентраторов напряжений изучали по темпу изменения силовых параметров сферических сегментов. Показано, что с увеличением длины надреза силы Руд и Рг закономерно снижаются.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования механического поведения сферических сегментов проводились на образцах с размерами Б = 16,7 - 16,8 мм, И = 0,43 - 0,46 мм, Я = 20-26 мм, изготовленных из сплавов Ть№ с температурами мар-тенситных превращений: Ть50,4 ат%№ - М = 19 °С; Мт= 8 °С; А = 32 °С; Ат= 44 °С; Ть50,0 ат%№ - М = 42 °С;
Мг= 20 о С; Л5 = 56 °С; Л£ = 78 °С, после отжига при 500 °С в течение 30 мин. На рис. 1. приведена оснастка для заданной формы и памяти, а также геометрические параметры сферических сегментов.
Процедура изготовления сферических сегментов включала: получение круглых пластинок толщиной И = 0,43-0,49 мм из прокатанных вхолодную листовых заготовок. Последующая электроискровая резка по периметру круглого копира 0 17 формировала заданный диаметр круглой пластинки. Далее круглая пластинка устанавливалась в прессформу (рис. 1, а) и прогибалась пуансоном заданного радиуса, жестко защемлялась (рис. 1, Ь) и подвергалась отжигу при 420 °С 1,5 ч для задания формы и памяти. Изготовленный таким образом сферический (выпуклый) сегмент (рис. 2, а) после зеркального прогиба в мартенситном состоянии восстанавливал исходную форму при отогреве.
Здесь следует обратить внимание на то, что возврат сегмента, наблюдаемый в процессе фазового перехода мартенсит ^ аустенит, не всегда завершается хлопком. Эксперименты, выполненные на большом количестве сферических сегментов (>100), позволили установить, что для очень пологих сегментов И/Я < 0,035 характерно восстановление заданной формы без хлопка. Более подъемистые сегменты И/Я = 0,035^0,1 всегда прощел-кивают с хлопком, а при наличии препятствия на пути возврата формы сегмента происходит удар.
Для изучения явления прощелкивания сферических сегментов с ударом была разработана методика, реализованная с помощью разрывной машины ЕР7-1.0 (Германия). На нижней траверсе устанавливалось устройство с исследуемым образцом (сферическим сегментом). Верхняя траверса, связанная с динамометром, осуществляла прогиб сферического сегмента в мартенсите
Г1
а) Ь)
Рис. 2. Общий вид сферического сегмента (а) и его геометрические параметры (в): Ь - толщина; Н - высота подъема; Я - радиус кривизны срединной поверхности; с - радиус в плане; а - половина угла, охватываемого сферической поверхностью
5 ІА
Рис. 3. Изменение формы сегмента при отогреве: ЛМ - полный прогиб; ЕМ - упругая составляющая; N - область потери устойчивости; 1, 2, 3, 4, 5 - положение препятствующего тела (динамометра)
и воспринимала ударные (Руд) и реактивные (Рг) нагрузки, генерируемые при отогреве. На рис. 3 показано формоизменение сферического сегмента при отогреве (пунктирные линии) после прогиба в мартенситном состоянии. Типичный вид кривой нагружения АВСБ и разгрузки представлен на рис. 4. Видно, что деформирующее усилие возрастает до верхнего критического значения Ри, при котором отмечается слабый хлопок и достаточно резкое снижение действующей нагрузки до уровня Рн. Дальнейшее нагружение до полного прогиба сопровождается увеличением приложенного усилия до Ртах. После разгрузки по БЕ наблюдается небольшое изменение величины прогиба. Отрезок ЕМ характеризует упругую часть полного прогиба сегмента. Теперь если начать отогрев с точки Е на деформационной оси, то произойдет восстановление первоначальной формы (точка А на рис. 3, 4), но характер возврата формы может сильно различаться. Либо произойдет обычное восстановление формы, инициируемое ориентирован-
ными микронапряжениями, возникающими при пластическом деформировании или резким скачком путем прощелкивания к заданной форме. Экспериментальные и теоретические исследования механического поведения сферических сегментов позволили найти их оптимальные соотношения, обеспечивающие эффект про-щелкивания с хлопком и ударом о препятствие. В частности, зависимость силы удара от геометрических размеров сферических сегментов, построенная в виде регрессионной модели с тремя переменными Б, Ь, Я, позволила получить функцию в виде Руд = Ь0+ Ь +Ь2БК, адекватно согласующуюся с экспериментальными данными. После подстановки значимых коэффициентов Ь0 = (-16,06) кг, Ь =1,86 кг/мм и Ь2 = (-2Д5-10-2) кг/мм2 в полученное выражение достаточно легко оценить силу удара сегмента о препятствие. Здесь следует отметить, что скачок деформации с ударом, наблюдаемый при отогреве сферических сегментов, реализуется только в случае наличия свободного хода после акта потери устойчивости. Если запретить восстановление
формы в области потери устойчивости (положение точки ^,то прощелкивание не состоится (не будет реализовано). В материале сегмента получат развитие только реактивные напряжения и как следует из рис. 4, их уровень невысокий. Поэтому необходимым условием прощелкивания является наличие свободного хода (/сх), а для реализации удара - наличие препятствия на пути возврата формы в виде динамометра для измерения силы удара.
Изложенные явления наглядно проиллюстрированы, на рис. 3, 4 показано, что если в области потери устойчивости сегмента (точка N установить контртело
(динамометр), то возврат формы с хлопком будет подавлен. При наличии свободного хода от точки N до препятствующего тела (положения 1, 2, 3, ...) силовые характеристики будут возрастать до максимума в окрестности верхней критической силы Рв (точка 3). Дальнейшее увеличение длины свободного хода до положений 4, 5 приведет к существенному снижению силы удара и реактивных напряжений. Рис. 4 демонстрирует характерный вид распределения силы удара (Руд) и реактивных усилий (Рг), развивающихся в материале сферического сегмента, при смещении препятствующего тела (динамометра).
Рис. 4. Диаграмма прогиба сферического сегмента в мартенсите АВСБЕ и отогрева с реализацией сил Р;тр, Рг. БхЬхЯ 16,7x0,43x26 мм, сплав Т1-50,0ат%М
уд’
18
16
14
12
10
8
6
4
2
А
А
3 г V і
2Л \ А
\ \ А
\
\ і \
Л
\
100 200 300 400 500 600 Т,°С
Рис. 5. Влияние перегревов на силу удара сферических сегментов: 1 - сплав Т1-50,3ат% N1; 2 - сплав Т1-50,0ат% N1; БхЬхЯ = (16,6^16,8)х(0,45-н0,48)х(22^23) мм
0.5 1,0
Рис. 6. Зависимость силы удара от длины надреза. Сплав Ті-50,3ат%№
Перспективы использования сферических сегментов в технике достаточно широкие. Например, в химии и теплоэнергетике, нефтяной и газовой отрасли с успехом могут использоваться запорные клапана-отсека-тели [6, 7], термовыключатели, терморегуляторы и другие изделия. В связи с созданием биметаллических сплавов с памятью формы [8] область их применения расширяется. Однако важнейшим условием надежности и работоспособности изделий с использованием сферических сегментов является стабильность их срабатывания при заданной температуре. Возможный перегрев активных элементов (сферических сегментов) вследствие повышения температуры, транспортируемой жидкости или другого удара может привести к существенному изменению уровня развивающихся в материале силы удара и реактивных напряжений. Одновременно будут меняться и температуры срабатывания в соответствии с кинетикой генерации и релаксации реактивных напряжений. Эти вопросы остаются пока не изученными. Вызывает также большой интерес влияние концентраторов напряжений на краях сферических сегментов вследствие электроискровой обработки сегментов по контуру. Ниже представлены экспериментально полученные данные по влиянию перегревов на силовые параметры (Руд, Рг) сферических сегментов (рис. 5).
Видно, что для сплавов эквиатомного состава и обогащенного никелем имеется закономерная связь. Силовые параметры сферических сегментов из указанных сплавов близки по значениям и изменяются по одному закону. Однако следует обратить внимание на следующие различия. Во-первых, сегменты сплава Ті-50,3 ат%№ отличаются от равноатомного более высоким уровнем силы удара во всем интервале перегревов. Во-вторых, они прощелкивают с хлопком после отжига 600 °С, тогда как сегменты из сплава Ті-50,0 ат%№ не прощелкивают даже после отжига при 500 °С. Высокий уровень силовых характеристик сферических сегментов, надо полагать, связан с эффектом старения сплавов Ті-50,3 ат%№, обусловленного выделением высокодисперсных избыточных фаз типа Ті3№4, TІ2Niз и Ті№3 [9] способствующих упрочнению сплава при отжиге (>300°С). Вероятной причиной снижения силовых характеристик эквиатомного сплава Ті-№ при повышенных температурах отжига является
релаксация упругих напряжений и развитие рекристал-лизационных процессов.
Влияние надрезов на формоизменение сферических сегментов при многократных повторениях циклов прогиб в мартенсите ^ отогрев до аустенитного состояния было рассмотрено в работах [10, 11]. Здесь представлены, главным образом, систематизированные результаты исследований по влиянию надрезов на силовые характеристики, генерируемые в материале данных объектов при отогреве.
Анализ напряженного состояния выпуклых сегментов показал, что их края являются наиболее чувствительными к концентраторам напряжений. Прямым доказательством этому является появление микротрещин на краях сегментов после их циклирования (>104) в незащемленном состоянии по схеме прогиб в мартенсите - нагрев до аустенитного состояния. На рис. 6 приведены зависимости силы удара от длины надреза. Видно, что с увеличением длины надреза сила удара снижается. Эти данные дают наглядное представление о влиянии размера концентраторов напряжений на генерируемое усилие (Руд), которое нельзя не учитывать, например, при разработке запорных клапанов-отсекателей и других изделий с использованием сферических сегментов.
Здесь важно отметить, что надрезы длиной более
0,5 мм демонстрируют снижение силовых характеристик с первого цикла. Критической длиной надреза следует считать 1н = 1,5 мм. При такой величине надреза силовые параметры сегмента снижаются более чем в два раза, а после 4, иногда после 6-8 циклов, прекращают генерировать усилия при наличии препятствующего тела. Надрезы длиной 1н = 2,0 мм снижают силу удара по сравнению с образцами без надреза, в четыре раза, а на 2-3 циклах восстанавливают форму без хлопка. Сферические сегменты с надрезами длиной 0,51,0 мм на первых 10-15 циклах показывают близкие по величине силовые параметры. С нарастанием числа циклов в образцах с надрезом 1,0 мм зарождаются микротрещины в одном из четырех надрезов. По данным металлографических исследований установлено, что в области вершины надреза зарождается несколько микротрещин (рис. 7, а). После 20-30 циклов с реализацией удара и реактивных усилий развитие получает та микротрещина, которая сформировалась первой.
1
а)
Рис. 7. Характерный вид зарождения (а) и развития (b) трещины
Повторение циклов прогиб сегмента в мартенсите о отогрев с ударом приводит к ее распространению в виде клина, направленного к куполу сегмента (рис. 7, b). При длине трещины 0,07-0,08 мм от любого надреза трещина некоторое время не распространяется. Об этом можно судить по неизменяемости силовых характеристик, т. е. их значения в течение 5-10 последующих циклов остаются постоянными. Далее трещина подрастает до размеров >0,3 мм, при которых эффект прощелкивания не реализуется.
ВЫВОДЫ
1. Впервые разработан экспериментально и теоретически обоснован алгоритм оптимизации геометрических параметров сферических сегментов, обеспечивающий гарантированное прощелкивание с ударом максимальной силы.
2. Построена модель в виде Руд = b0 + b1 + b2DR, согласующаяся с экспериментально полученными данными.
3. Изучено влияние перегревов относительно Af на силовые характеристики. Показано, что перегрев сферических сегментов исследуемых сплавов в защемленном состоянии подавляет память формы при температурах выше 200^250 °С.
4. Установлена критическая температура нагрева сферических сегментов (350 °С), выше которой силовые характеристики резко снижаются.
5. Показано, что края сферических сегментов являются наиболее чувствительными к концентраторам напряжений. Обнаружены распространяющиеся и не-распространяющиеся трещины. Отмечается, что трещина длиной 0,1 мм некоторое время не распространяется. К распространяющимся трещинам в данном сплаве относятся трещины длиной 0,15 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Khusainov M.A., Letenkov O.V., Pazgalov A.F., Belykov V.N. Research of TiNi Membrane Stability // Materials with Complex Functional-mechanical Properties, Computeraided Design of Materials. Novgorod, 1994. P. 152-158.
2. Khusainov M.A., Malukhina O.A., Belykov V.N., Letenkov O. V. Inves-tigalion of Resistance of Alloy Spherical Sheaths with Shape Memory Effect (SME) // Proceedings of the Second International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies (SMST-97). USA, Cali-
fornia, Alisomar Conference Centre Pasifik Grove. 206. March, 1997. P. 215-219.
3. Хусаинов М.А. Исследование эффекта осесимметричного выпучивания круглых пластин // Журнал технической физики. СПб., 1997. Т. 67. № 6. С. 118-120.
4. Popov S.A., Khusainov M.A., Bondarev A.B., Andreev V.A. // Modeling of Snap Effect of Shape Memory Convex Segments // Vestnik NovSU. Series Engineering Sciences. 2005. № 34. Р. 12-16.
5. Хусаинов М.А. Сплавы никелида титана с памятью формы. Екатеринбург, 2006. Ч. 1. С. 226-242.
6. Попов С.А., Андреев В.А., Хусаинов М.А., Бондарев А.Б. Оптимизация геометрических параметров выпуклых сегментов из сплавов TiNi с памятью формы // Вестник НовГУ. 2006. № 39. С. 28-30.
7. Хусаинов М.А., Бондарев А.Б., Бегунов А.А., Летенков О.В. Влияние вида обработки на эффект скачка сферических сегментов // Актуальные проблемы прочности: материалы конференции. Витебск, 2007. Ч. 1. С. 294-295.
8. KhusainovM.A. Patent RF № 2182272 from 10.05.02 / Shutoff valve // Bull. № 7.
9. Khusainov M.A., Tambulatov B.Ya., Larionov A.G., Malukhina O.A. Patent RF № 2171937 from 10.08.01/ Termo-valve // Bull. № 22.
10. Khusainov M.A., Bondarev D.A., Maslenkov D.A., Andreev V.A. A CutOff Thermo-Valve // International Conference and Exhibition on New Actuators and Drive Systems. Conference Proceedings 9-11 June 2008. Bremen, Germany, 2008. P. 895-897.
11. Журавлев В.Н., Пушин В.Г. // Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. Екатеринбург, 2000. С. 77-85.
12. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочность твердых тел. М., Металлургия, 1971. С. 141-149.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Khusainov M.A., Bondarev A.B., Popov S.A., Andreev V.A., Chukhonkin M.V. Force parameters of spherical segments of Ti-Ni shape memory alloys. The papers are devoted to the researching of the changing laws of force parameters, developed in the spherical segments material at heating depending on the overheating temperature and the stress concentrators’ presence. It is shown that the spherical segments overheating in relation to the reverse martensitic transformation temperature (Af) by 50, 100, 150, 200, 250 ... 600 °C have a significant effect on the impact force and the reactive forces. In particular, free (unrestrained) spherical segments, overheated (annealed) at the mentioned temperatures, recover the shape with a jump (clap) and an impact on the dynamometer. The spherical segments overheating in restrained state cause the decreasing of the force parameters. The shape memory effect is suppressed completely at the annealing temperature of (200-250) °C. The notches of the length > 1.0 mm on the segments edges cause the germinal cracks forming and its extension.
Key words: spherical segments; reactive forces; impact force; notch; overheating; shape memory effect; restraint.
