Способ управления формой исполнительного элемента

 

Изобретение относится к механике, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы, и может быть использовано в радиотехнике, машиностроении, медицине. Способ управления формой исполнительного элемента, выполненного из ферромагнитного материала с термоупругим мартенситным превращением, включает воздействие магнитным полем на исполнительный элемент. Намагниченность насыщения мартенсита выше, чем намагниченность насыщения аустенита, а воздействие магнитным полем на исполнительный элемент осуществляют в температурном интервале Т>т_МА(Н=0), где Т_МА(Н=0) - температура окончания перехода мартенсит-аустенит в отсутствии внешнего магнитного поля Н, а изменение величины внешнего магнитного поля выбирают достаточным для осуществления мартенситного превращения. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности, расширение функциональных возможностей заявленного способа за счет возможности придания исполнительному элементу любой формы в пределах восстанавливаемой деформации, сжатия, в частности растяжения, кручения, сдвига, а также в повышении технологичности за счет возможности применения поликристаллического материала исполнительного элемента вместо монокристаллического. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области механики, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), и может найти применение в радиоэлектронике, машиностроении, медицине.

Известен способ [1] управления формой и размерами материалов с термоупругим мартенситным превращением, обладающих ЭПФ, при помощи внешнего теплового воздействия, по которому исполнительный элемент, выполненный из материала с ЭПФ в форме, как правило, пластины, пружины или оболочки, предварительно тренируют в процессе термоциклирования под нагрузкой через температурный интервал термоупругого мартенситного превращения (возможность осуществления этой операции обусловлена процессами термоупругого мартенситного превращения под действием тепла и внешних напряжений и, сопровождающей этот процесс генерации дефектов кристаллической решетки материала с ЭПФ), фиксируют его в деформированном виде при температуре Т<Т, а затем увеличивают температуру до значения Т>Т_МА (здесь Т_АМ и Т_МА - соответственно, температуры переходов аустенит - мартенсит и мартенсит - аустенит). В результате образец возвращается к исходной, до тренировки, форме. Тренировка может быть проведена на односторонний эффект памяти формы или на двусторонний эффект памяти формы. В первом случае восстановление формы необратимо без повторной тренировки, во втором оно может многократно повторяться в циклах нагрев - охлаждение через интервал мартенситного перехода Т_МА-Т_АМ. Восстанавливаемая деформация при двустороннем ЭПФ, как правило, на порядок меньше, чем при одностороннем.

Недостатком данного способа является необходимость использовать в качестве управляющего воздействия тепловое, что снижает быстродействие и ограничивает область применений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ [2], который заключается в том, что исполнительный элемент в виде монокристалла материала, обладающего ферромагнетизмом и ЭПФ, в частности сплава на основе Ni₂MnGa, фиксируют при температуре ниже точки Т_АМ, то есть в мартенситной фазе. Управление формой и размерами осуществляют изменением внешнего магнитного поля, направленного параллельно тетрагональной оси "с" монокристалла, либо перпендикулярно этой оси, или сочетая воздействие магнитного поля и внешней механической силы, обеспечиваемой, например, пружиной. Воздействие определенным образом ориентированных по отношению к кристаллографической оси "с" внешнего магнитного поля и внешнего давления приводит к перестройке мартенситных доменов (вариантов), которая приводит к изменению размеров и формы исполнительного элемента [3-5].

Недостатком известного способа является ограниченная возможность изменения формы и низкая технологичность, обусловленная применением монокристаллического материала для исполнительного элемента, а также низкая производимая механическая работа против внешних сил в процессе изменения формы.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении его эффективности за счет увеличения производимой механической работы в процессе изменения формы, расширении функциональных возможностей способа за счет возможности придания исполнительному элементу любой формы в пределах восстанавливаемой деформации, сжатия, в частности растяжения, кручения, сдвига, а также в повышении технологичности за счет возможности применения поликристаллического материала исполнительного элемента вместо монокристаллического.

Поставленная задача достигается тем, что в заявленном способе управления формой исполнительного элемента, включающем операцию воздействия на исполнительный элемент в фиксированном температурном интервале, выполненный из ферромагнитного материала с термоупругим мартенситным переходом, причем его намагниченность насыщения в мартенситной фазе выше, чем намагниченность насыщения в аустенитной фазе, изменение величины внешнего магнитного поля осуществляют в температурном интервале, определяемом из условия Т>Т_МА(Н=0), где Т_МА(Н= 0) - температура окончания перехода мартенсит - аустенит в отсутствие внешнего магнитного поля, а изменение величины внешнего магнитного поля Н выбирают достаточным для осуществления мартенситного превращения.

Поставленная задача достигается также тем, что в известном способе управления формой исполнительного элемента на исполнительный элемент воздействуют внешней механической силой F в направлении, обеспечивающем заданное изменение формы, а воздействие изменением магнитного поля осуществляют в температурном интервале, определяемом из условия Т_МА(Н=0, F)<Т<Т(Н= Н_мах, F), причем величина внешнего магнитного поля выбрана в интервале 0<Н<Н.

Поставленная задача достигается также тем, что в известном способе управления формой исполнительного элемента его предварительно тренируют путем многократного термоциклирования под нагрузкой через интервал температур термоупругого мартенситного превращения до достижения двухстороннего ЭПФ, а воздействие магнитным полем осуществляют в температурном интервале, определяемом из условия Т_МА(Н=0)<Т<Т(Н=Н_мах), причем величина внешнего магнитного поля выбрана в интервале 0<Н<Н, где Н_мax имеет значение до 14 Тл.

Поставленная задача достигается также тем, что в известном способе управления формой исполнительного элемента его предварительно тренируют путем механической или термомеханической обработки для достижения одностороннего ЭПФ, затем устанавливают температуру исполнительного элемента Т<Т, затем включают магнитное поле H₁ и увеличивают температуру до значения, определяемого из условия Т_МА(Н= 0)<Т<Т(Н=Н₁), затем магнитное поле снижают до значения ниже, чем значение поля, при котором происходит переход мартенсит - аустенит, при этом Н1 имеет значение 1<H1<15 Тл.

Поставленная задача достигается также тем, что в известном способе управления формой исполнительного элемента исполнительный элемент выполнен из поликристаллического сплава Ni_2+X-YMn_1-XFe_YGa, 0<X<0,2, 0<Y<0,2.

В дальнейшем способ поясняется в связи с чертежами.

На фиг. 1 представлена фазовая диаграмма материала на основе Ni₂MnGa в координатах магнитное поле - температура (Н-Т).

На фиг.2 представлена зависимость деформации исполнительного элемента от температуры при различных внешних нагрузках в процессе тренировки.

На фиг.3 представлен график зависимости деформации ненагруженного исполнительного элемента от температуры после тренировки на двусторонний ЭПФ.

На фиг. 4 показаны фотографии исполнительного элемента в виде пластины, выполненной из сплава Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga, тренированного на односторонний эффект памяти формы до воздействия изменением магнитного поля (деформированного) и после воздействия (выпрямленного).

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что, как впервые показано в настоящей работе, "классический" эффект памяти формы, который заключается в том, что форма предварительно "натренированного" путем термоциклирования под нагрузкой через температуру фазового перехода аустенит - мартенсит образца восстанавливается в результате перехода мартенсит - аустенит может контролироваться при постоянной температуре и внешнем механическим воздействием за счет магнитоиндуцированного мартенситного фазового перехода, причем магнитное поле при постоянной температуре вызывает мартенситный переход.

В экспериментах поликристаллические образцы сплавов Ni_2+X-YMn_1-XFe_YGa, 0<Х<0,2, 0<Y<0, приготавливались методом дуговой плавки в атмосфере аргона. Затем из слитков вырезались пластинки размерами 9•4•0,5 мм и полировались в высокотемпературном кубическом (аустенитном) состоянии при температуре выше точки окончания перехода мартенсит - аустенит (Т_МА). При снижении температуры полированного образца ниже температуры перехода аустенит - мартенсит (Т_АМ) на его поверхности в отраженном свете легко наблюдать возникновение рельефа, связанного с появлением тетрагональной низкотемпературной фазы (мартенсита) и с разбиением мартенсита на области (варианты, домены) с различной ориентацией кристаллографических осей. Фазовый переход мартенсит - аустенит сопровождается сжатием решетки по оси "с" на величину около 6% и растяжением по осям а и b на 2% [6]. Используя микроскоп с подключенной видеокамерой, удается надежно зафиксировать температуру начала и конца мартенситного перехода в отдельных участках поликристаллического образца в процессе мартенситного перехода и получить, таким образом, информацию о степени неоднородности поликристаллического образца.

Для изучения фазовой Т-Н диаграммы образец в прозрачном термостате с микроскопом помещался в поле Биттеровского магнита 0-15 Т. Фазовую диаграмму с разрешением по поверхности образца получали после анализа видеофильма, снятого при различных магнитных полях в процессе снижения или повышения температуры через точку мартенситного перехода.

Фазовая Т-Н диаграмма образца одного из составов Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga, который обеспечивает высокую механическую прочность, хорошие магнитные и термоупругие свойства, а также имеет температуру мартенситного перехода вблизи температуры человеческого тела, что может быть эффективно использовано при создании биомедицинских устройств, например хирургических имплантантов, схематически представлена на фиг.1. Температура прямого мартенситного перехода, Т_АМ (Н=0)≈35 С и обратного Т_МА (Н=0)≈42 С. Обе температуры с увеличением магнитного поля приближенно линейно возрастают. Коэффициент зависимости Т_М(Н) составляет примерно 0,7 Град/Т. Ширина температурной петли гистерезиса мартенситного фазового перехода ΔТ_М=Т_МА-Т_АМ=7±2К.

В полях около 10 Тл смещение точки перехода превышает гистерезис перехода ΔТ_М. При температуре, несколько превышающей Т_МА(0), возможно наблюдение обратимого фазового мартенситного перехода по магнитному полю при постоянных температуре и давлении [7]. Для этого температуру образца фиксируют в некотором зависящем от магнитного поля интервале, который можно назвать интервалом магнитного управления обратимым фазовым переходом Т_МА(Н=0)<Т<Т(Н=10 Тл) и включением и выключением магнитного поля вызывают изменение фазового структурного состояния образца при постоянных температуре и внешнем давлении. На чертеже этот переход показан линией am. В нашем случае для поля 10 Тл интервал управления обратимым фазовым переходом составлял 1-2 К.

Опытам по демонстрации ЭПФ в магнитном поле предшествовала "тренировка" образцов, то есть процедура термоциклирования под нагрузкой. В наших опытах нагрузка была изгибной. При первом охлаждении через точку мартенситного перехода нагруженный образец сильно деформируется и затем при нагреве восстанавливает свою форму, совершая работу против внешней силы. В процессе прохождения нескольких циклов охлаждение - нагрев образец все сильнее деформируется, а петля гистерезиса по температуре несколько сужается и смещается в область более высоких температур (см. фиг.2.). Такая картина совпадает с наблюдавшейся в сплаве Ni₂МnGa [8]. Этим способом для опытов в магнитном поле были получены образцы, "натренированные" на односторонний эффект памяти формы за 1, 8 и 15 циклов, а также на двусторонний эффект памяти формы (см. фиг.3.). Восстанавливаемая деформация ε в точке максимальной кривизны образца составляла 1-4% при односторонней памяти формы и 0,2-0,3% при двусторонней.

Физическое объяснение состояния "восстанавливаемой деформации" можно понять из следующего рассуждения. Под действием достаточно сильного внешнего давления температура структурного перехода аустенит - мартенсит повышается. В неоднородно напряженном образце при охлаждении из аустенитного состояния переход через точку фазового перехода сопровождается генерацией мартенсита. Она начнется в первую очередь в областях максимального напряжения. В областях сжатия и растяжения будут генерироваться главным образом соответственно ориентированные варианты мартенсита (растянутые или сжатые по осям растяжения или сжатия). Таким образом "восстанавливаемая деформация" - это состояние образца, в котором макроскопическое изменение его формы и/или размера достигнуто в мартенситном состоянии за счет генерации мартенситных вариантов с соответствующими ориентациями кристаллографических осей [9, 10].

Эксперимент по магнитному управлению ЭПФ поясняет фиг.1, на которой вместе с фазовой диаграммой Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga отмечена траектория ABCDE изменения термодинамического состояния системы в процессе опыта. Начальное состояние при комнатной температуре, ниже точки Т_МА(Н=0) в магнитном поле Н=0 показано точкой А. Образец "натренирован" и деформация максимальна. При включении поля Н=10 Тл система переходит в точку В. Затем, не выключая поля, образец нагревают до температуры Т₀: Т_МА(Н=0)<Т<Т(Н=10 Тл). После этого поле выключают и в системе происходит фазовый переход по полю в аустенитное состояние при постоянной температуре Т₀ (в точке D). В результате эксперимента предварительно деформированный (тренированный) образец восстанавливает свою форму (выпрямляется) при постоянной температуре. В этом и заключается магнитоиндуцированный "односторонний" эффект памяти формы.

Фиг.4 иллюстрирует процесс управления формой при помощи магнитного поля. Фиг.4,а относится к точке С траектории, когда Н=10 Тл, а деформация максимальна, ε= 3%. Затем поле начинают снижать, а образец начинает выпрямляться (после точки D). Процесс выпрямления продолжается еще 15 с после полного выключения поля. В результате в аустенитной фазе образец полностью выпрямляется, ε=0 (фиг.4,б). Временная задержка процесса восстановления формы, очевидно, связана с необходимостью сообщить образцу скрытую теплоту фазового мартенситного перехода 1-го рода. Температура же образца в этот момент только несколько снижается, хотя он и переходит в высокотемпературную аустенитную фазу.

Таким образом, в прямом эксперименте продемонстрировано магнитное управление ЭПФ при постоянной температуре и отсутствии внешнего механического напряжения. Основное отличие эффекта магнитоиндуцированного ЭПФ от эффекта гигантской магнитоиндуцированной деформации монокристаллов Ni-Mn-Ga вследствие перестройки мартенситных вариантов под действием магнитного поля, изучавшегося в работах [2, 3], заключается в том, что последний относится к изменению формы образца в низкотемпературной мартенситной фазе и не связан непосредственно с фазовым переходом намагничивания, во внешнем магнитном поле приобретают различную энергию. В результате границы доменов мартенситной фазы приходят в движение. Невыгодные по магнитной энергии мартенситные домены уменьшаются, а выгодные увеличиваются. В соответствии с тем, что ось легкого намагничивания направлена по оси "с", при приложении поля вдоль этой оси образец сжимается, а в перпендикулярном направлении - растягивается. Таким образом магнитное поле для управления формой не должно превышать поле магнитной анизотропии образцов порядка 1 Тл. Соответственно, механическая работа, совершаемая за один цикл, не превышает произведения поля на намагниченность.

Магнитоиндуцированный ЭПФ объясняется влиянием магнитного поля на границу мартенсит - аустенит в образце, который находится в промежуточном состоянии в области гистерезиса мартенситного перехода. Намагниченность насыщения мартенсита выше, чем у аустенита, и в результате в достаточно сильном магнитном поле, превышающем поле анизотропии мартенсита, температура мартенситного перехода повышается, а границы мартенсит - аустенит сдвигаются в сторону увеличения объема мартенсита (независимо от ориентации поля). Механическая работа, производимая образцом за один цикл, может быть существенно выше, чем в случае перестройки мартенситных вариантов, поскольку ограничение на величину внешнего магнитного поля снимается. (Максимально применимые поля ограничены тройной точкой на фазовой диаграмме Т-Н, в настоящее время экспериментально не достигнуты и по теоретическим расчетам составляют порядка 10⁶ Э.) Можно выделить несколько следствий основного отличия эффекта гигантской магнитоиндуцированной деформации монокристаллов Ni-Mn-Ga при перестройке мартенситных доменов от магнитного управления ЭПФ: 1. Магнитное управление ЭПФ - значительно более универсальный эффект, поскольку образец можно "натренировать" на любой вид деформации, например сжатие, растяжение, кручение, сдвиг и т.д. В качестве образца можно использовать поликристалл.

2. Опыты по управлению формой при помощи влияния магнитного поля на структурные домены в мартенситной фазе не всегда дают повторяющийся результат, поскольку отдельные домены могут быть термодинамически метастабильными объектами, и один и тот же образец при циклическом изменении внешних условий может оказываться в состояниях с различными формами.

3. ЭПФ требует для управления магнитных полей на 1-2 порядка больших, чем перестройка структурных доменов.

4. Образец с ЭПФ может совершать значительно большую механическую работу за один цикл воздействия поля и изменять свою форму при большем противодействующем давлении.

Пример 1. В качестве образца применен сплав Ni_2,19Mn_0,81Ga, свойства которого описаны в работе [7]. Монокристаллы этого материала выращивались методом Чохральского, а поликристаллические слитки получали плавкой в атмосфере аргона на холодном поду, затем из слитков и монокристаллов вырезались пластины толщиной 0,5 мм. Образцы в прозрачном термостате (см. методику наблюдения в [6-7]) помещались в поле постоянного Биттеровского магнита 0-15 Тл. Температура прямого мартенситного перехода там 335 К, обратного Т_МА 341 К. При Т 342 К-350 К магнитное поле 1-15 Тл вызывало появление мартенситной структуры в виде отдельных мартенситных кристаллов на поверхности монокристаллических образцов или в виде большого количества мартенситных доменов в кристаллитах поликристаллических образцов. Изменение макроскопических размеров образцов без дополнительной тренировки составляло 0,01-0,5%. Вблизи температуры Т_МА изменение формы и размеров при включении и выключении поля было частично или полностью обратимым.

Пример 2. Материал - поликристаллические пластины состава, описанного в Примере 1, размера 12•4•0,5 мм закреплялись в виде консоли и нагружались на свободном конце пружиной, обеспечивающей нагрузку до 2 Н. Температура в термостате поддерживалась 343 К, магнитное поле 10 Т при включении и выключение вызывало обратимый прогиб консоли до 0,5 мм, что отвечает обратимой деформации до 3% в точках максимального искривления образца.

Пример 3. Тот же образец, что и в Примере 2, после 15-кратного термоциклирования через интервал мартенситного перехода приобрел 2-стороннюю память формы с восстанавливаемой деформацией прогиба 0,2%. В условиях эксперимента, как в Примере 2, образец демонстрировал многократное обратимое изменение формы при включении и выключении поля без внешней нагрузки.

Пример 4. Поликристаллический образец состава Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga и формы, аналогичной Примеру 2, предварительно тренировался на односторонний ЭПФ 5-кратным термоциклированием через точку фазового перехода. Остаточная максимальная изгибная деформация в мартенситном состоянии 3%. Образец подвергался воздействию магнитного поля 10 Тл при комнатной температуре (см. траекторию ABCD на фиг.1.), затем нагреву до 320 К, а затем магнитное поле выключалось. Наблюдалось полное восстановление формы образца.

Пример 5. Поликристаллические образцы Ni_2+X-YMn_1-XFe_YGa, 0<Х<0,2, 0<Y<0,2 приготавливались методом дуговой плавки в атмосфере аргона, затем закаливались в ледяной воде и отжигались 20-400 часов при температуре 800 К. Из слитков вырезались пластинки размерами 9•4•0,5 мм. Все исследованные образцы были ферромагнитны и демонстрировали обратимый по магнитному полю эффект памяти формы.

ЛИТЕРАТУРА 1. А.Г.Хунджуа. Введение в структурную физику сплавов с эффектом памяти формы. МГУ, 1991.

2. I. Aaltio, K.Ullakko. Magnetic shape memory actuators. Proc. of 7^th International Conference on New Actuators, 19-21 June 2000, Bremen, Germany, p.527.

3. P. J. Webster, K.R.A.Ziebeck, S.L.Town, M.S.Peak. Magnetic order and phase transformation in Ni₂MnGa. Philos. Mag. B. 49, No.3, 295 (1984).

4. R. C. O'Handley, S.J.Murray, M.Marioni, H.Nembach, S.M.Alien. Phenomenology of giant magnetic-field-induced strain in ferromagnetic shape-memory materials. J. Appl. Phys. 87, No.9, 4712 (2000).

5. R. Tickle, R. D.James. Magnetic and magnetomechanical properties of Ni₂MnGa. JMMM 195, 627(1999).

6. A.N.Vasil'ev, A.D.Bozko, V.V.Khovailo, I.E.Dikshtein, V.G.Shavrov, V. D.Buchel'nikov, M.Matsumoto, S.Suzuki, T.Takagi, J.Tani. Structural and magnetic phase transitions in shape memory alloys Ni_2+XMn_XGa. Phys. Rev. B59(2), 1113 (1999).

7. I.E.Dikshtein, D.I.Ermakov, V.V.Koledov, L.V.Koledov, T.Takagi, A.A. Tulaikova, A.A.Cherechukin, V.G.Shavrov. Reversible structural phase transition in Ni-Mn-Ga alloys in a magnetic field. JETP Lett., 72, No.7, 373 (2000).

8. V. V.Kokorin, V.A.Chemenko. Phys. Metals and Metallography, 68, 1157 (1989).

9. В. Г.Пушин, В.В.Кондратьев, В.Н.Хачин. Предпереходные явления и мартенситные превращения. Екатеринбург, 1998.

10. В.Н.Журавлев, В.Г.Пушин. Сплавы с термомеханической памятью формы и их применение в медицине. Екатеринбург, 2000.

Формула изобретения

1. Способ управления формой исполнительного элемента, выполненного из ферромагнитного материала с термоупругим мартенситным превращением, включающий воздействие магнитным полем на исполнительный элемент, отличающийся тем, что намагниченность насыщения мартенсита выше, чем намагниченность насыщения аустенита, а воздействие магнитным полем на исполнительный элемент осуществляют в температурном интервале Т>Т_МА(Н=0), где Т_МА(Н=0) - температура окончания перехода мартенсит-аустенит в отсутствии внешнего магнитного поля Н, а изменение величины внешнего магнитного поля выбирают достаточным для осуществления мартенситного превращения.

2. Способ управления формой исполнительного элемента по п.1, отличающийся тем, что на исполнительный элемент дополнительно воздействуют внешней механической силой F, а воздействие на него магнитным полем проводят при температуре Т_МА(H=0,F)<T<Т(Н=Н_max, F), причем величину внешнего магнитного поля выбирают в интервале 0<Н<Н, где Н_max имеет значение до 14 Тл.

3. Способ управления формой исполнительного элемента по п.2, отличающийся тем, что исполнительный элемент предварительно тренируют путем многократного термоциклирования под воздействием внешней механической силы через интервал температур термоупругого мартенситного превращения до достижения двустороннего эффекта памяти формы, а воздействие на него магнитным полем осуществляют в температурном интервале Т_МА(Н=0)<Т<Т(Н=Н_max), причем величину внешнего магнитного поля выбирают в интервале 0<Н<Н, где Н_max имеет значение до 14 Тл.

4. Способ управления формой исполнительного элемента по п.1, отличающийся тем, что исполнительный элемент предварительно тренируют путем механической или термомеханической обработки для достижения одностороннего эффекта памяти формы и устанавливают температуру исполнительного элемента Т<Т_АМ, где Т_АМ - температура окончания перехода аустенит-мартенсит, затем включают магнитное поле H₁ и увеличивают температуру до значения Т_МА(Н=0)<Т₀<Т_МА(Н=Н₁), затем магнитное поле снижают до значения ниже, чем значение поля, при котором осуществляют переход мартенсит-аустенит, при этом H₁ имеет значения 1<H₁<15 Тл.

5. Способ управления формой исполнительного элемента по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что исполнительный элемент выполнен из поликристаллического сплава Ni_2+x-yMn_1-xFe_yGa, 0<X<0,2, 0<Y<0,2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4