III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
МЕХАНИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Для меня всегда были интересны различные свойства металлов. Больше всего меня привлек эффект памяти. Это совсем не обычное свойство. Сначала я даже не поверил что такое может существовать. Поэтому давайте разберемся с этим необычным свойством в моей работе
Эффект памяти металлов
Уникальные характеристики параметров сплавов с эффектом памяти (ЭПФ) на основе никелида титана, такие как степень восстановления, развиваемые усилия, величина накопленной обратимой деформации при повышенной пластичности, высокая коррозионная стойкость, определяют перспективу их широкого применения в технике. Свойства при определенных условиях длительно сохранять деформированное состояние детали позволили разработать такие технологические процессы, при которых сам материал в ходе фазовых превращений осуществляет целенаправленную работу. Исходя из условий назначения и эксплуатируемых характеристик конструкций, эти работы могут осуществляться как в интервале температур эксплуатации, так и за его пределами.В США, Великобритании и других странах такие материалы нашли массовое применение в авиакосмической и судостроительной технике, при изготовлении соединительных муфт для гидрогазовых систем трубопроводов. В 80‑тых годах для отечественной промышленности были подготовлены, испытаны и предложены к внедрению аналогичные разработки, развитие которых актуально и сейчас.
Наиболее широкое применение — это изготовление высокопрочных соединений трубопроводов муфтами ТМС (термомеханические соединения). Прочностные и эксплуатационные характеристики соединений применительно для авиационной промышленности регламентируются отраслевым стандартом ОСТ 1.13681–80 «Соединения трубопроводов неразъемные термомеханические». В данной конструкции материал муфты выполняет работу по деформации законцовок труб для образования герметичных соединений труба-муфта-труба [1].
Высокая надежность и плотность монтажа (в том числе и в труднодоступных местах), низкая трудоемкость монтажно-сборочных работ, возможность осуществления ремонтно-восстановительных работ без промывки и последующего рентгеноконтроля позволяют рассматривать эти соединения как одно из перспективных направлений. Конструктивно для таких соединений возможно применение разнородных материалов и тонкостенных труб без термического разупрочнения с обеспечением вакуумной и водородонепроницаемой герметичности. Эксплуатация таких трубопроводных систем возможна во всех климатических условиях при давлении до 800 атм. и температуре от –120°C до + 250°C.
Механизм и условия проявления ЭПФ
Обеспечение высоких и стабильных термомеханических характеристик никелида титана в конкретных устройствах во всем интервале температур эксплуатации требует умения варьировать параметры ЭПФ и сверхупругости (СУ) в широких пределах.
Следует отметить, что сверхупругость может достигать до 10% от деформации. Эта деформация может проявляться в окрестностях интервалов мартенситных превращений (МП), а при соответствующих металлургических и термомеханических переработках распространяться до температур на 200°C, превышающих интервал обратного МП.
Таким образом, можно иметь конструкции из материалов, обладающих свойством СУ в интервале температур эксплуатации. Это явление связано с ромбоэдтрическим (R) превращением. Исследования электронной структуры и структурной неустойчивости TiNi, проведенные А. И. Лотковым, показывают, что ромбоэтрическому превращению предшествует переход с изменением локализации электронов и изменением топологии поверхности Ферми. Уровень Ферми в TiNi расположен в окрестностях состояния острой плотности. Поэтому даже небольшое повышение или снижение концентрации электронов или их перераспределение по энергии приводит к изменению концентрации атомов Ni в матрице и изменению температур превращения.
Целенаправленную работу восстановления муфты при нагреве осуществляет материал. Генерируемые напряжения в процессе восстановления размеров определяются видами и последовательностями фазовых превращений.
Создание соединений ТМС производится в интервале температур за пределами температуры эксплуатации соединений. Такие температуры должны быть на 15÷20°C ниже температуры конца аустенитного превращения Ак.Верхний предел температур эксплуатации (Тmax~300°C) определяется состоянием сплава при предельной температуре Md, когда действующие напряжения стимулируют образование мартенсита напряжений. В зависимости от соотношения компонентов Ti и Ni в матрице сплава такие превращения могут происходить в широком интервале температур от –200 до +120°C.
Если в криогенной и космической технике нижний предел эксплуатации начинается от –150°C, то для авиации он устанавливается в пределах от —60°C. Для судостроительной промышленности, тепловых и атомных электростанций эти пределы не превышают 0°C и определяются свойствами, циркулирующими в трубопроводах жидкостей .
Следовательно, при изготовлении муфт для авиа- и космической техники, используются такие материалы, у которых фазовые превращения (Мн-Мк и Ан-Ак) находятся в области криогенных температур — (90÷150)°C.
Мн-Мк — это температуры начала и конца прямого мартенситного превращения соответственно; Ан-Ак — температуры начала и конца обратного мартенситного превращения (МП). В этом случае деформация муфт и монтаж соединений осуществляется в криогенных условиях, что вызывает определенные трудности. Деформация муфт и их хранение до сборки требует применения жидкого азота в качестве хладагентов. Материалы, используемые для деформирующих инструментов и в качестве смазки, должны быть работоспособны в таких условиях. Предварительное охлаждение соединяемых элементов трубопроводов и ограничения по временному фактору (нагрев и быстрое восстановление исходных размеров муфт в течение 15–40 сек.) вызывают определенные трудности при их сборке.
Для трубопроводов, у которых нижний предел эксплуатации не превышает 0°C применяются сплавы с температурами прямого мартенситного превращения (Мн-Мк), не более –30°C. При образовании соединений трубопроводов обратные мартенситные (Ан-Ак) превращения осуществляются при температурах, превышающих 0°C. В этом случае с целью образования термоупругого состояния мартенсита и увеличения внутреннего диаметра муфт технологические процессы по деформированию материала осуществляются при температурах, не превышающих –40°C. Такие условия реализуются с применением охлаждающих жидкостей, которые не замерзают при температурах — (45÷50)°C. К ним относятся керосин, минеральные масла, жидкости гидросистем и аналогичные материалы. Обеспечение низких температур в охлаждающих жидкостях может осуществляться с использованием сухого льда или паров жидкого азота, с применением стандартных холодильных установок — устройств, использующих электрический эффект Пелтье и т. п. До осуществления сборки хранение деформированных муфт производится в любых устройствах, поддерживающих температуру не выше 0°C. Сборка соединений осуществляется при комнатных температурах без предварительной (тепловой) подготовки элементов трубопроводов. Для обеспечения высокой надежности соединений производится незначительный нагрев муфт ТМС до температур + 40÷60°C.
Испытания избыточным давлением показывают, что разрушения трубопроводов происходят по телу трубы, а не в местах соединений ТМС.
Рис.1 деформация ложки из нитинола при нагреве
Заключение
В ходе работы, я узнал по какому принципу работает память металлов: они могут хранить исходную форму в своей памяти очень долго, а вспоминают ее при нагреве, так что в наших силах “взывать к памяти” металла в тот момент и в той обстановке, когда нам это потребуется.