Устройство для исследования характеристик термочувствительного элемента из материала, обладающего свойством памяти формы

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для термомеханических исследований термочувствительных элементов (ТЧЭ) из материалов, проявляющих эффект памяти формы. Целью изобретения является повышение точности и снижение порога чувствительности, а также расширение функциональных возможностей путем измерения количества тепла в процессе нагрева элемента. Устройство для осуществления способа содержит раму 1, неподвижный захват 3, подвижный захват 2, который кинематически связан со сменным грузом 11 и датчиками перемещения 13 и 14, электрически связанными с первым входом шлейфного осциллографа. Концы исследуемого ТЧЭ соединены с источником электрической энергии и закреплены в зажимах 17 и 18 на неподвижном захвате 3. Неподвижный захват 3 снабжен средством перемещения в виде оси 5 и гайки 6. Испытание ТЧЭ включает в себя нагружение элемента с изменением уровня нагружения в различных сериях и нагрев элемента в диапазоне температур обратного превращения. В процессе нагрева измеряют деформацию элемента в мартенситном и аустенитном состояниях, интервалы времени от начала нагрева до начала формовосстановления и от начала формовосстановления до его окончания, ток в элементе и падение напряжения на нем, а о энергетических характеристиках судят по результатам измерений. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

СОЮЗ СХжтСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИК (19) 01) «» C 01 R 15/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4411362/24-10 (22) 09,03.88 (46) 15.07.90. Бюл. Ф 26 (7 1) Ленинг радск ий кораблестроительный институт (72) А.В. Остапенко, Л. В.Петрусев, Е.П.Носов, С.А.Думин и Е.А.Анчупан (53) 536,53(088 ° 8) (56) Чернов Д.Б. Параметры памяти формы. Терминология, методы определения и диаграммы работоспособности. — Тезисы III-й Всесоюзной конференции "Сверхупругость, эффект памяти формы и их применение в новой технике". Томск, 1985, с,212-213.

Авторское свидетельство СССР

9 1350576, кл, С 01 R 25/00, 05.05.86.

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ МАТЕРИАЛА, ОБЛАДАЮЩЕГО СВОЙСТВОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для термамеханических исследований термочувствительных элементов (ТЧЭ) из материалов, проявляющих эффект памяти формы. Целью изобретения является повышение точности и снижение порога чувствительности, а также расширение функциональных возможнос" тей путем измерения количества тепла в процессе нагрева элемента, Устройство для осуществления способа содер- а жит раму 1, неподвижный захват 4, под6 вижный захват 2, которыи кинематичес1578664 ки связан со сменным грузом, 11 и датчиками перемещения 13 и 14, электрически связанными с первым входом шлейфового осциллографа. Концы исследуемог5 го ТЧЭ соединены с источником электри- . ческой энергии и закреплены в зажимах

17 и 18 на неподвижном захвате 3. Неподвижный захват 3 снабжен среством перемещения в виде оси 5 и гайки 6. 10

Испытание ТЧЭ включает в себя нагружение элемента с изменением уровня нагружения в различных сериях и наг-.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и преднаэна= чено для термомеханических исследований термочувствительных элемейтов (ТЧЭ) из материалов, проявляющих эффект памяти формы (ЭПФ) и самых материалов .

Целью изобретения является повышение точности и снижение порога чувствительности, а также расширение функциональных возможностей путем измере30 ния количества тепла в процессе нагрева элемента.

На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 — функциональная схема регистрации; на фиг.3 — элект- .35 рическая схема датчика перемещения; на фиг.4 — типичный фрагмент осциллограммы; на фиг,5 — результаты испыта" ний в изобарном цикле; на фиг.6 — ре-. зультаты испытаний при формовосста- 40 новлении в условиях взаимодействия с пружиной. устройство содержит опорную раму

1, подвижный 2 и неподвижный 3 зах- 45 .ваты, исследуемый ТЧЭ 4, средство перемещения неподвижного захвата 3, усустройство нагружения, систему изме.рения перемещения и систему стабилизации положения ТЧЭ 4. Средство пере" мещения неподвижного захвата 3 включает в себя ось 5, одним концом соединенную с захватом 3, а на другом резьбовом конце имеющую гайку 6, ко торая установлена с наружной стороны, 55 рамы 1. Для обеспечения прямолинейного хода и устранения вибраций в процессе работы ось 5 проходит сквозь -. втулку 7 планки 8. рев элемента в диапазоне температур обратного превращения. В процесса нагрева измеряют деформацию элемента в. мартенситном и аустенитном состояниях, интервалы времени от начала нагрева .до начала формовосстановления и от начала формовосстановления до его окончания, ток в элементе и падение напряжения на нем, а о энергетических характеристиках судят по результатам измерений..1 з.п.ф-лы, 6 ил. 1 табл.

Устройство нагружения содержит соединенные тягами 9 с подвижным захва-.. том 2 опору 1О с установленными на нее грузами 11. Количество грузов определяется условиями проведения испытаний;

Система измерения перемещений содержит установленные на планке 1-2 микрометрические головки 13 и индукционный датчик 14 перемещения. Микрометрические головки 13 установлены симметрично относительно оси ТЧЭ 4 (это поз.-. воляет учитывать погрешность, связанную с люфтами несимметричностью установки ТЧЭ и несимметричностью свойств отдельных участков ТЧЭ 4) и их штоки взаимодействуют с подвижным захватом 2. Металлический сердечник !5 датчика

14 тоже кинематически связан с захватом 2, 1

Система стабилизации положения ТЧЭ содержит направляющие 16, которые свободно проходят в отверстия подвижного и неподвижного захватов 2 и 3. Такое техническое мероприятие обеспечи-. вает неизменность плоскости положения

ТЧЭ 4 при настройке устройства и проведении испытаний, например, при перемещении захвата 3 путем вращения гайки 6.

Оба конца ТЧЭ. 4 закреплены в зажи-.. мах 17 и 18 неподвижного захвата 3, ТЧЭ 4 установлен между захватами 2 и

3 в виде нескольких участков, которые установлены путем огибания шпилек 19 и соединены между собой механически параллельно, а электрически последовательно. Это обеспечивает увеличение

64 6

15786 эффективной плошади поперечного сечения ТЧЭ 4, а также одинаковую величину тока в участках и, соответственно," одинаковую интенсивность нагрева на всей длине ТЧЭ. Унеличение эффективной.площади сечения повышает точность и расширяет диапазон напряжений за счет уменьшения (пропорционально количеству участков) напряжений, наводимых силами трения, и других вредных сопротивлеций. Это свойство особенно важно с учетом того, что для одного и того же материала ТЧЭ при площади сечения менее 0,5 мм напряжения разрушения- резко падают с уменьшением площади. Например, при площади

0,1 мм разрушение происходит при

150-175 ИПа, а при площади менее

0,04 мм напряжение разрушения не 20 и пре.нышает 100 МПа.

На фиг. 2 показана функциональная схема устройства, на которой схематично показан ТЧЭ 4, на который действует вес P груза 11, выходное звено 25 (подвижный захват 2) ТЧЭ 4 и кинематически связанное с датчиком 14 (например, индукционный датчик типа ДП-2 или IIII-3). Концы ТЧЭ 4 через зажимы

17 и 18 и выключатель 20 соединены с блоком 21 питания ТЧЭ 4.

Выход датчика 14 соединен с диодным RC-фильтром 22. Блок 23 питания устройства регистрации перемещения соединен с задающим генератором и триггером 24 управления и трансформа35 э торным преобразователем 25, которые соединены с входом датчика 14. Выход . фильтра 22 через устройства 26 усиления и балансировки сигнала соединен с 4О входом шлейфного осциллографа 27. На вход осциллографа 27 подается также сигнал с выхода согласующего устройства 28, входы которого соединены с

1 блоком 21 питания ТЧЭ 4 и с шунтом 45

28, входы которого соединены с блоком

21 питания ТЧЭ.4 и с шунтом 29. Блок

30 питания обеспечивает работу осциллографа 27. Согласующее устройство

28 представляет собой установленные в цепь потенциометры, которые регулируют амплитуду записи. Электрическая схема соединения датчика 14 с входом шлейфного осциллографа 27 показа-, на на фиг.З.

Датчик 14 содержит две катушки, индуктивности Ь g u Lgq которые соединены по полумостовой схеме, Внутри катушек перемещается металлический сердечник., который соединен с подвижным захватом 2 ° Полый мост замыкает сопротивление R4 и R3, Одна диагональ моста соединена с генератором литания, который содержит задающий генератор, триггер управления и преобразователь. Задающий генератор состоит иэ трех логических элементов И-НЕ (микросхемы ДЦ-I-), триггер управления — ДД-2, трансформаторный преобразователь — Tl VT5

VT6.

Вторая диагональ моста через диодную PC-цепочку — элементы VDI, VD2, С2, СЗ, R5, R6, соединена с входом усилителя, элементы DAI, DA2, VT3, VT4 Выход усилителя через потенциометр R12 соединен с гальванометром Г шпейфного осциллографа 27, Второй (неинверсный) вход усилителя Al соединен с резисторной цепочкой балансировки нуля — R8-RII, Устройстно измерения перемещения работает следующим образом.

Задающий генератор генератора питания формирует прямоугольные импульсы частотой 12 кГц, Точная регулировка частоты осуществляется при Настройке устройства путем подбора элементов Rl R2 С1. Триггер упранления

ДД-2 преобразует сигнал с задающего генератора в знакопеременный относительно нуля сигнал, Трансформаторный преобразователь Tl VT5, VT6 усиливает сигнал и преобразует его в синусоидальный. Этот сигнал подается на

1 питание датчика 14 в первую диагональ моста, С второй диагонали снимается сигнал, пропорциональный перемещению сердечника катушек. Если сердечник находится в среднем положении, на входе усилителя ДА-I сигнал от-. сутствует, так как выпрямленные диодами VD2 и VDI и отфильтрованные ячейками R5, С2 и R6, С3 сигналы одинаковы по величине и противоположны по знаку. Перемещение сердечника в любую сторону вызывает разбаланс моста из-за изменения индуктивного сопротивления н катушках L < и L< и на входе усилителя подается сигнал, величина которого прямо пропорциональна перемещению, После усиления по напряжению на двухкаскадном усилитеI ле ДА-1, ДА-2, С4, Р7 и по току на эмиттерном повторителе VT3 и VT4 сигнал поступает на гальванометр снетолучевого осциллографа 27, Амплитуда

1578664 записи регулируется потенциоме тром

R12. Элементы R8, R9, R 10, R11 служат для балансировки нуля на входе ус илителя .

Подготовка устройства к работе происходит следующим образом, Захват 2 опускают до упора в штоки головок 13. Захват 3 вращением гайки

6 выводят в положение, соответствую- 10 щее более короткому расстоянию до захвата 2, чем длина ТЧЭ 4, Устанавливают ТЧЭ 4. Поскольку в процессе транспортировки, хранения и сборки отдельные участки материала ТЧЭ, 4 уже 15 получили некоторую деформацию, необходимо нагреть ТЧЭ (например, пропустить по нему ток) и выровнять длину отдельных участков,. В зависимости от особенностей материала ТЧЭ 4 и ус- 20 ловий проведения испытаний эта операция может проводиться несколько раз до полного выравнивания длины участ-. .ков. После этого вращением гайки поджимают захват 3 до положения, соот- 25 ветствующего диапазону чувствительности головок 13 и датчика 14. Стенд готов к работе, При проведении испытаний необходимо учитывать, что по ТЧЭ 4, помимо 30 грузов 11, действует также вес захвата 2, тяг 9 и опоры 10 ° Кроме того, головки 13 обладают жесткостью пружин (в среднем по диапазону перемещения

80-110 г), усилие которых направлено в сторону, противоположную силе тяжести, и переменно по величине, Поэтому после тарировки датчика 14 головки

13 рекомендуется снимать, После подготовки устройства к рабо"40 те проведение испытаний включает в себя. следующие операции: нагружение

ТЧЭ 4 грузами 11; измерение деформации ТЧЭ .14 в мартенситном состоянии (MC) включение светолучевого осцил- 45 лографа 27; подключение ТЧЭ 4.через выключатель 20 к источнику 21; измерение после формофосстановления дефор" ,мации ТЧЭ в аустенитном состоянии (АС); отключение ТЧЭ 4 от источника

21„ остановка осциллографа; обработка осциллограммы.

B зависимости от требований, предьявляемых к точности результатов, определяется необходимое число опытов.

В следующей серии опытов вес груза

11 изменяют.

На фиг ° 4 показан типичный фрагмент осциллограммы, на которой зарегистрировано изменение во времени неупругой деформации я,, тока I и.напряжения U, Под неупругой деформацией понимают е деформацию, которая при реализации

ЗПФ обратимо изменяется, Свое название она получила эа то, что она не явявляется ни упругой (т.е. не исчезает при разгрузке), ни пластической (т,е, обратима при нагреве).

Как видно из фиг.4 формовосстановление (изменение неупругой деформации) начинается не сразу с началом нагрева, а лишь через время холостого нагрева с, за которое материал и

ТЧЭ 4 нагревается от температуры ис" пытаний до температуры накала обратного превращения при данной нагрузке.

Формовосстановление происходит эа время. рабочего нагрева, . Таким обР л разом, общее время нагрева н опредед л л ляется как сумма ь „=— - > + c >, В АС возврат формы под нагрузкой неполный. Полный возврат произойдет только при разгрузке ТЧЭ .4. Упругий недовозврат формы в АС характеризуется деформацией аустенита F . Если в

МС ТЧЭ 4 имел деформацию Е, то неуп ругая деформация определяется как и= =м-EÀ .

B процессе формовосстановления ТЧЭ

4 совершает работу против действия на —, грузки. Величина работы 1о Ео где Lо — исходная длина ТЧЭ; (— уровень механических напряжений;

à — площадь поперечного сечения всех участков ТЧЭ 4;

У вЂ” объем ТЧЭ, Наиболее полно способность материала совершать работу характеризуется удельной работой, т,е. работой, которая совершается единицей массы.

Таким образом

Ап н6 а ш где m — масса ТЧЭ 4;

f) — плотность материала ТЧЭ 4.

На формовосстановление ТЧЭ 4 израсходовано тепло. Если его отнести также к единице массы, то оно будет определяться как

1578664

IUGX °

Чх „г

IUcp

Жьq 1н

Результаты испытаний представлены на фиг,5. Как видно из фиг.5, упругий недовозврат деформации в АС, „ линейно зависит от величины нагрузки.

Общее формоизменение характеризуется неупругой деформацией, которая реали-15 зуется между линиями : и С, образуя диаграмму рабочего цикла (ДРЦ), Полученные результаты позволяют оценить энергетические показатели

ТЧЭ 4 для любых условий реализации

ЭПФ. Например, на фиг.4 показана величина характеристических деформаций и энергетических показателей для некоторого произвольного значения, напряжений Q> При этом результаты спра- 25 ведливы для любых ТЧЭ, а не только кинематически подобных.

Установка механически параллельно (устанавливали до 12) участков материала с ЭПФ приведет к автоматическо- З0 му "осреднению результата испытаний для всей партии материала, т.е. снижает объем испытаний и повышает их точность .

Пусть теперь в качестве нагрузки в устройстве используется предварительно оттарированная пружина (фиг.б), которая наводила в ТЧЭ нагрузки, соответствующие линии AB на ДРЦ. Поскольку усилие пружины зависит от сте- 40 пени ее растяжения, в МС пружина наводила напряжения G» а в AC — GA

Среднее напряжение в цикле определяли как

G,, I акме-- —. м +Од 4 5 м

Результаты определения формоизменения в точности соответствовали предварительно полученной ДРЦ, Определенные с помощью предлагаемого устройства энергетические показатели сравнили с показателями для изобарного процесса при условии равенства нагрузки, Результаты представлены в таблице ..

Полученные результаты позволяют оценить энергетические показатели не только в изобарном процессе, но и при сложноизменяющейся нагрузке. При этом за критерий нагруженности цикла может быть принята среднеинтегральная нагрузка. 4

- J gap, Ем где Q(f) — распределение нагрузки в диапазоне перемещения.

Наклон линии АВ на фиг,б определяется соотношением жесткостей ТЧЭ 4 и контртела (прижима), Использование предлагаемого устройства позволяет расширить диапазон исследуемых напряжений при исследовании материалов с маломерным профилем, т.е, снизить порог чувствительности, так как при параллельной механической установке участков уменьшается отношение сил трения площади ТЧЭ, обеспечить возможность измерить теплопотреблейие ТЧЭ на различных нагрузочных ежимах, повысить точность испытаний а счет осреднения в процессе испытаний результатов измерения свойств отдельных участков при их параллельной установке, а также за счет упрощения кинематической передачи и.снижения уровня механических напряжений в процессе испытаний.

Формула изобретения

1 ° Устройство для исследования характеристик термочувствительного элемента из материала, обладающего свойством памяти формы, содержащее снабженный зажимом неподвижный захват и подвижный захват, кинематически связанный со сменным грузом и устройством для измерения перемещения, выход которого подключен к первому входу шлейфового осциллографа, а также в.торой зажим, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и снижения порога чувствительности, а также расширения функциональных воэможностей путем измерения количества тепла в процессе нагрева элемента введены источник питания, шунт и рама с двумя направляющими, проходящими через отверстия, выполненные в подвижном и неподвижном захватах, причем второй зажим размещен на неподвижном захвате, на котором между первым и вторым зажимами через равные расстояния 1 установлено и введенных шпилек, на подвйжном захвате размещено и+1

1578664

Показатель а, кДж/кг q< кДж/кг q, кДж/кг q<, кДж/кг

Измерения 0,561

6,0

453

51,3

Расчет по ср

6,0

О, 550

51 вв еденных шпилек, ус тановленных через равные расстояния 1 со сдвигом на 1/2 относительно шпилек, размещенных на неподвижном захвате, а первый зажим соединен с первым выводом источника питания, второй вывод которого свя,.зан с вторым зажимом через шунт, выводы которого подключены .к второму входу шлейфового осциллографа.

2. Устройство по п, l, о т л и ч аю щ е е с я тем, что неподвижный saxват связан с рамой посредством закрепленного на нем одним концом стержня, проходящего через отверстие в поперечине рамы, с резьбовым участком на свободном конце, на который с внешней стороны рамы навернута ограничи. тельная гайка.

1578664

1578664.40

Редактор Е.Копча

Заказ 1915 Тираж 550 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101

Að" 4 в в 5

Фиге 6

Составитель

Техред Л.Серд окова

Е.Рязянцев

Корректор С,Черни