Способ определения напряженно-деформированного состояния термочувствительных элементов из материала, проявляющего эффект памяти формы

 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля напряженно-деформированного состояния термочувствительных элементов (ТЧЭ) из материала, проявляющего эффект памяти формы, и может быть использовано для исследования и различных видов контроля ТЧЭ и устройств с ТЧЭ. Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей. Это достигается тем, что в способе контроля напряженно-деформированного состояния ТЧЭ, включающем в себя нагружение ТЧЭ, циклическое изменение его температуры в диапазоне температур мартенситного превращения и проведение измерений при различной внешней нагрузке, измеряют термоупругие характеристики ТЧЭ, а о величине внутренних напряжений судят по уровню внешней нагрузки, при котором измеряемые термоупругие характеристики принимают экстремальное значение. В общем случае в качестве измеряемых термоупругих характеристик могут быть приняты характеристические температуры мартенситного превращения, теплоемкость и т.д. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических

РеспуБлик

G 01 В 5/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ ГЕНИ

Н A BTGPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОсудАРстВенный номитет по изоБРетениям и отнРытинм пРи ннт сои (21) 4603780/25-28 (22) 09.11.88 (46) 30.10.90. Бюл. Р 40 (71) Ленинградский кораблестроительнь."й институт (72) А.В. Остапенко (53) 531.781,2(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1490457, кл. G 01 В 7/16, 27.05.88. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕТ1ЕНИЯ НАПРЯ111ЕННО-ДЕФОР11ИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ Т1,РИОЧУВСТВИТЕЛЬН1 .1Х ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ NA!. ;1 ÈÀÈÀ„ПРОЯВЛЯЮ1ЦЕГО ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ (57) Изобретение относится к неразрушающим методам контроля напряженнодеформированного состояния термочувствительных элементов (ТЧЭ) из материала, проявляюшего эффект памяти формы, и может быть использовано для исследования и различных видов контроля ТЧЭ и устройств с ТЧЭ, 11елью

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля напряженнодеформированного состояния термочувствительных элементов- (ТЧЭ) из материала., проявпяющего эффект памяти формы, и может быть использовано для исследования и различных видов контроля ТЧЭ и устройств с ТЧЭ.

Цель изобретения — расширение эксплуатационных возможностей и упрощение способа.

На фиг, 1 показано устройство для осуществления предлагаемого способа; на фиг, 2 - характерный фрагмент осциллограммы; на фиг. 3 — термомеханиизобрете ьия является расширение экс- плуатационных возможностей. Это достигается тем, что согласно способу контроля напряженна-деформированного состояния ТЧЭ, включающему в себя нагружение T 13, ьспатическое изменение его температуры в диапазоне температур мартанситпого превращения и проведение измере.;пй при различной внешней нагрузке, измеряют термоупругие характеристики T 13, а о величине внутренних напряжений судят по уровню внешней нагрузки. при котором измеряе,ые термоупругие характеристики принимают экстреме:IbIIoe значение, В общем случае в качестве измеряемых термоупругих характеристик могут бы>L приняты характеристические температуры мар†.енсптно"o превращения, тBIT.. 02 1I(o; ть и I . и. 3 3 ° и ° ф лы г э ил. ческие характеристики ТЧЭ; на фиг.4энер -е;:ические характеристики ТЧЭ; на фиг. 5 — формализованные термомеханические показатели. устройство для осуществления предлагаемого способа содержит исследуемый ТЧЭ 1 пз материала, проявляющего эффект памяти формы, который установ- « лен с образованием петли вокруг ролика

2 и обоими концами закреплен на не- @ подвижной опор= 3 токоизолированно от последней изоляторами 4, источник электрической энергии U соединенный чере- выключател 5 с концами ТЧЭ 1 вольтметр б, инейфный осциллограф 7, .

1603183

На осциллограмме 10 (фиг. 2) показана линия 11 перемещения ролика 2 (изменение деформации ТЧЭ 1) и линия

12 электрического тока. Уравнение теплового баланса ТЧЭ в рассматриваемом процессе имеет вид

dq dq + dq + dq и ц я э (1)

40 где ДЧ„- подведенное к ТЧЭ тепло;

dq - теплота повышения внутренней энергии ТЧЭ 1 при нагреае его до температуры начала обратного превращения; 45

dq„ - теплота формовосстановле/ ния у йЧ : - теплоотдача в окружающую среду.

Опь,i исследования ТЧЭ и устройств с ТЧЭ показывает, что при подводимой на нагрев удельной мощности более

30 кВт/кг за счет малого времени фор-: мовосстановления (менее 0,2 с) тепло« отдачи практически не происходит, т.е. для этих условий dq = О. При нагреве электрическим током, исполь зуя осциллограмму 10, можно определить все составляющие уравнения (1)- который электрически соединен с источником энергии U и датчиком 8 пере-мещения. При работе в автоматическом режиме вместо выключателя 5 может быть установлена система 9 управления нагревом, которая автоматически отключает нагрев ТЧЭ 1 в верхнем положении ролика 2 и включает нагрев в его нижнем положении (показано

10 пунктиром) . На ролик 2 действует сила P наводимая силоэадающим механизмом, например грузом или гидроцилиндром.

Устройство работает следующим образом.

При пропускании через ТЧЭ тока в процессе его нагрева через диапазон температур обратного мартенситного превращения, происходит его формовосстановление (ролик 2 приходит в, . верхнее положение). При отключении

ТЧЭ 1 от источника энергии в процессе его остывания через диапазон температур прямого мартенситного превращения ТЧЭ 2 накапливает неупругую деформацию и ролик 2 перемещается в нижнее положение. Цикл может быть многократно повторен. Перемещение ролика 2 во времени записы! вается на осциллограмму 10.

q„=С и (2)

= "y ++n9

= л и и Р о где и „- мощность, подводимая на нагрев ТЧЭ 1;

"1 ь„- время от начала. нагрева до окончания формовосстановле ния;

О» - время холостого нагрева (от начала нагрева до начала формовосстановления); л — время рабочего нагрева

1 (время формовосстановления) .

Мощность п д можно определить непосредственным измерением при помощи ваттметра, измерением напряжения и тока, измерением напряжения и сопротивления ТЧЭ 1, как показано на фиг. 1, и любым другим методом в соответствии с законом Ома. Характеристические постоянные времени снимаются в осциллограммы (фиг. 2) .

С точки зрения метрологии осуществление способа основано на замерах при различных нагрузках термоупругих характеристик, например, указанных теплот, входящих в уравнение (1) .

При этом теплоты могут быть измерены как при помощи предлагаемого устройства, так и любых других известных методов.

С точки зрения физической модели положенной в основу способа, основными являются следующие положения.

Основные свойства ТЧЭ вЂ” его формоизменение и формообратимость — определяются как модулем сдвига решетки при мартенситном превращении (или модуль мартенситного сдвига) G так и напряжениями, действующими в кристаллах. При этом йапряжения в кристалле 5 складываются иэ напряжений, наводимых внешней нагрузкой (7, и внутренних напряжений 5» наведенных предшествующей пластической деформацией. При этом оба слагаемых направлены в противоположные стороны °

С другой стороны, если раскрыть физический смысл членов уравнения (1) и сопоставить их с (2), то можно записать л л л

t (+ьр= — (А- Т)+ (3)

» Р п„й î n „ где С - теплоемкость материала ТЧЭ;

А - температура начала обратного превращения;

3183

30 формуле

O =G Ô6- 0 в (5) 50

5 160

Т,. - температура проведения испытаний.

При этом q» А, С зависят от напряжений .Q, действующих в ТЧЭ, т.е. эти свойства являются термоупругими.

Их термоупругость проявляется в изменении численного значения параметра при изменении уровня механических напряжений. Таким образом, способ может быть реализован путем измерения люрого из термоупругих параметров. Однако в качестве конкретного примера рассмотрим осуществление способа путем замера характерных теплот. При увеличении нагрузки в диапазоне (» с

«(7 напряжения G, действующие в кристаллах, уменьшаются, а при дальнейшем росте нагрузки в диапазоне (j v G напряжения G в кристаллах увеличиваются. При G> G + теореТически 7 0 .. Поликристаллич еское строение материала ТЧЭ с различной рриентацией кристаллографических плоскостей относительно направления цействующих напряжений, несколько размывает этот эффект, и на практике

Р 0 в некоторой узкой области Gp .

Различные виды напряженного состояния (одноосное растяжение или сжатие, сдвиг, внецентренное растяжение и т.д.) по-разному влияют на еермоупругие члены уравнений (1), (3) . Однако при одном и том же напряженном состоянии направление изменения величины термоупругих параметров с ростом напряжений одно и то же. Это определяется тем обстоятельством, стимулирует или, наоборот, препятствует поле напряжений термоупругому мартенситному превращению в ТЧЭ. Например, при одноосном растяжении с ростом напряжения увеличивается и q, и q Однако наличие поля внутренних напряжений приводит к тому, что при напряжениях 6

Се(б О), все члены уравнений (1) ° . (3), зависящие от напряжений, имеют экстремальное значение, Эта физическая модель положена в основу способа.

Пример 1. Способ был апробирован на ТЧЭ из проволоки никелида титана диаметром 0,5 мм. Апробацию проводили на устройстве по фиг. 1. В процессе апробации определяли термомеханические (фиг. 3) и энергетические (фиг. 4) характеристики ТЧЭ.

До апробации свойства ТЧЭ были стабилизированы путем термоциклирования в течение 50 циклов при нагрузке

280 МПа.

Термомеханические характеристики включают в себя диаграмму рабочего цикла (ДРЦ) и зависимость пластической деформации от напряжений (фиг. 3).

,Методика определений термомеханических показателей включает термоциклирование ТЧЭ в диапазоне температур превращения при различных напряжениях

1д и измерение деформации ТЧЭ в аусГ тенитном состоянии Я, в мартенситном состоянии F, а также пластической деформации Я д,. Результаты измерений наносят на график в координа-тах напряжение — деформация. При этом линией соединяют результаты измерений каждой из деформаций при раэличных нагрузках. ДРЦ включает в себя линии деформаций Г и Е>, характеризует формоизменение при различных нагрузках, так называемый объем памяти. Зависимость пластической деформации от нагрузки характеризует формообратимость, т.е. полноту возврата исходной формы.

Методика определения энергетических характеристик (фиг. 4), кроме указанного в описании работы устройства, включает определение величины удельной термомеханической работы по а = - —" . —, (4)

6 g -f)

У где P —. плотность материала ТЧЭ.

Из фиг. 4 видно, что экстремальное значение (в данном случае минимум) характеристических теплот q è

qt> приходится на напряжение бр =" 94 МПа. В соответствии с изложенным минимальное (или максимальное) значение термоупругих параметров наступает при выполнении условия

В соответствии с этим условием

©g 94 МПа.

Таким образом, проведенные измерения термоупругих параметров (в рассмотренном примере характеристических теплот) при различных наводимых внешней нагрузкой напряжениях позволили определить уровень внутренних напряжений в ТЧЭ.

Результаты могут иметь широкое практическое применение. Например, : при исследованиях, проектировании

1603183 (G

E„ бд» (7 - в

E *=—

FN -1 М (в

Е а

"- Г-G (6) или эксплуатации механизмов с ТЧЭ часто необходимо априорно определить напряженно-деформированное состояние при различных нагрузках. Эта задача стоит особенно остро при использовании автоматизированных систем проектирования на ЭВИ.

Задача может быть решена, если при .осуществлении предлагаемого способа !О провести дополнительные измерения (фиг. 5). При этом необходимо измерить Е, — деформацию обратимого формоизменения разгруженного ТЧЭ (так называемая деформация обратимой па- !5 ( мяти), Я 9 — пограничную деформацию

ТЧЭ в мартенситном состоянии (деформация точки -В); термин "пограничная деформация" означает, что эта деформация находится на границе Qp =(7в, 20 деформацию ЕЛ ТЧЭ в аустенитном состоянии.по крайней мере при одном из уровней напряжения, деформацию

ТЧЭ в мартенситном состоянии по крайней мере при одном из уровней на- 25 пряжений выше уровня внутренних напряжений в ТЧЭ.

Величина формоизменения, помимо уровня напряжений, определяется свойствами материала ТЧЭ, совокупность 30 которых можЕт быть охарактеризована ,( четырьмя модулями: ЕЛ вЂ” модуль возврата деформации (или аустенитный модуль), который характеризует степень недовозврата деформации в аустенитном состоянии под действием нагруз( ки; E > — первый модуль накопления деформации (или первый мартенситный модуль), характеризуемый темп роста накапливаемой деформации при увели- 40 чении внешних напряжений в диапазоне (Я > В, Е м — второй модуль накопления деформации (или второй мартенситный модуль), который характеризует темп роста накапливаемой деформации 45 при увеличении внешних напряжений в диапазоне + Q >» G — модуль сдвига кристаллической р ешетки, хар актеризующий способность решетки материала к направленному формоизменению в про- 50 цессе мартенситного превращения под действием поля внутренних напряжений.

Эти модули соответственно равны:

G .о

Для простоты получения окончательного результата выделим дополнительные компоненты деформации (фиг, 5) и определим их аналитические выражения:

1- Мт

Gs !

- М ( (7) Ф " 1 1

8=6 - =6 (— — — — — ) в Е Е, „ м м»

Подставив в выражение для неупру» гой деформации P!(Я»л- f Л(неупругая деформация характеризует величину формоизменения при различных нагрузках) значения компонентов дефоро мации из (7), получим окончательные выражения, характеризующие напряженно-деформированное состояние ТЧЭ, соответственно при Q<», G> и при

G ð (7

Ем Ем т.е. деформацию 0-С (фиг. 5).

Для рассмотренного в примере .1

ТЧЭ измерения показали, что Fo

2» 15K» f((((= 4»083» о 3 ° ЗОХ °

Характеристические модули

ЕЛ = 30000 MIa» Ем,= 8175 ИПа, Ем = 4350 МПа, G = 4370 ИПа.

Кроме того, способ может быть использован для контроля напряженно деформированного состояния ТЧЭ и

1 1 1 -к =(в + 6 (, (— -, т )

Ем Eà

1 1 1 1 ,F!! = в (- + - - - - — ) +6 (—,——

Ем Ем(! Ерл

z /(Л ( — — -)

Е

Л

В полученных выражениях (8) неиз вестным является только лишь уровень напряжений, наводимых внешней нагрузкой, т.е. задавая уровень внешней нагрузки, можно сразу определить неупругую деформацию и таким образом, обеспечить контроль напряженно-деформированного состояния.

Кроме того, в диапазоне внешних нагрузок 5 > Gs можно использовать. приведенную деформацию Е (фиг ..3

I и 5)г

1603183 устройств с Т !Э в процессе изготовления, сборки, хранения, транспортировки, эксплуатации и ремонта.

Формула изобретения

1. Способ определения напряженнодеформированного состояния термочувствительного элемента иэ материала, проявляющего эффект памяти формы, заключающийся в том, что элемент нагружают, циклически изменяют его температуру в диапазоне температур мартенситного превращения и определяют параметр, характеризующий напряженнодеформированное состояние элемента, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей и упрощения способа, элемент нагружают различной по величине нагрузкой, и измеряют термоупругие характеристики элемента при различной величине нагрузки, а за параметр, характеризующий напряженно-деформированное состояние элемента, принимают величину внешней нагрузки, при котором измеряемые термоупругие характеристики принимают экстремальное значение.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а— ю шийся тем, что измеряют теплоту формовосстановления элемента и (или) теплоту повышения его внутренней энергии при нагреве до температуры начала обратного мартенситного пре15 вращения.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что в процессе циклического изменения температуры элемента дополнительно измеряют Я деформацию обратимого формоизменения разгруженного элемента, E — norpat

1 1 1

Я =(— + Г (- — -ч-) н ьС Г E„, EA а в диапазоне напряжений 6p > á — иэ соотношения

1 1

ЯЯ= GQ (G

Мь

1 1 1

) +б (, --7 ) °

Ey, P Ем, Ер

4. Способ по пп. 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что удельную мощность нагрева элемента устанавливают большей или равной 30 кВт/кг. ничную деформацию элемента в мартенситном состоянии при уровне внешних напряжений (>р, равном уровню внутр енних напряжений 6б, C p — деформацию элемента в мартенситном состоянии при G >G> Я деформацию элемента в аустенитном состоянии, по результатам измерений определяют характеристические модули материала элемента из соотношений

Gp

Ед = Ь ! Q -(ь

Е 2. ° м1 EM- Ем

+6

Ер (ь

С

1 у

1 где EA — модуль возврата деформации;

Š— первый модуль накопления

Ph ) деформации;

Š— второй модуль накопления

I м д е форма ции;

G — модуль сдвига кристаллической решетки, . а деформацию я неупругого формоиэменения в диапазоне напряжений5 а 5 определяют из соотношения

1603183

1603183 Р мха ги ею. Ч

Мг.5

Составитель Е. 0(елина

Техред М,Ходанич Корректор С, Шевкун,Редактор А. Огар

Заказ 3376 Тираж. 492 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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