Материалы с эффектом памяти формы как преобразователи тепловой энергии в механическую работу тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

; г '

Санкт-Петербургский государственный

, * Ц' ,

• технический университет

угг?' — На правах рукописи

КУРЗЕНЕВА" ЛАРИСА НИКОЛАЕВНА------------------------------—.

МАТЕРИАЛЫ С ЭМЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРШ КАК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ

Специальность - 01.02.04 - • Механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертанта йа'соисканиеученой степени- — кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственном университете

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор ЛИХАЧЕВ Владимир Александрович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

МАЛИНИН В.Г.

доктор технических наук САМОЙЛОВ Н.С.

Ведущая организация - Физико-технический , институт

им.А.Ф.Иоффе, г.Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится " на васеданки специализированного Совета Д 063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу : 195261, г. Санкт - Петербург, ул. Политехническая, 29, 2 учебный корпус, ауд. 266.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ

Автореферат разослан "

Ученый секретарь специаливированного совета, к.ф.-и.н. , Васильев A.A.

/

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' Актуальность. Материалы с эффектом памяти формы имеют большие перспективы применения и уже широко повсеместно внедряются ео вое области жизнедеятельности человека. Наиболее перспективным прикладным направлением считается использование этих материалов в качестве рабочих тел преобразователей тепловой энергия в механическую работу - мартенситных двигателей. Однако пока не ясно из какого материала предпочтительнее изготавливать силовой элемент такого устройства, как должен быть организован рабочий цикл двигателя и каковы должны быть условия эксплуатации исполнительного механизма, чтобы мартенситный знергопреобразователь производил наибольшую положительную "работу, а его цикл был наиболее устойчивым и стабильным.

Цель работы состояла в исследовании кинетических способностей формоизменения различных материалов с эффектом памяти формы. при испытаниях на знергоспособность и определении законов изменения производимой в цикле работы в зависимости от различных параметров цикла, а также в выполнении расчетов по структурно-аналитической теории прочности механического . поведения модельного материала, схожего' по своим характеристикам с никелидом титана как рабочих элементов мартенситного преобразователя анергии.

Научная новизна. В работе проведено систематическое исследование работоспособности различных сплавов, претерпевающих мартенситные превращения и подробно изучено влияние

- состава материала,

- его термической обработки,

- минимальной температуры термомеханического Щ1кла,

- амплитуды деформирования,

- интервала термоциклирования

на производство энергии в рабочем цикле мартенситного двигателя. . . . .

Проведены систематические расчеты в рамках структурно-аналитической теории прочности по влияния различных параметров рабочего цикла мартенситного двигателя на его энергопроизводство.

Обоснованность научных положений и выводов и достоверность результатов обеспечена тщательной проработкой Есех сторон экспериментальной методики, проведением контрольных экспе-

. риментов на других аналогичных установках, проверкой программы вычислений на тестовых режимах.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные и расчетные результаты могут быть использованы для рекомендаций по 'выбору материала для изготовления силового элемента и параметров рабочего цикла мартенситного двигателя при проектировании конкретного энергопреобразователя.

Апробация. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на XXV Всесоюзном семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г.Старая Русса (1991г.), на XXVII Межреспубликанском семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г.Ухта (1992г.), на XIII Международной конференции в г.Самара (1992г.), на Межреспубликанском семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г.Псков (1993г.), на Всероссийском семинаре "Прочность и живучесть конструкций" в г.Вологда (1993г.), на XXX Межреспубликанском семинаре "Актуальные проблемы прочности" в г.Новгород (1994г.), на Первой Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" в г.Новгород (1994г.) и на Межрегиональной научно-технической конференции "Математическое моделирование систем и процессов" в г.Пермь (1994г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованной литературы, содержащего 102 наименования. Работа излажена на 146 страницах машинописного текста и включает 77 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткое обоснование актуальности изучения механического поведения материалов с аффектом памяти формы в связи с созданием трансформаторов тепловой энергии в механическую работу. Изложена структура диссертации, показана ее научная новизна, сформулированы цели работы.

Первая глава посвящена обзору литературы и состоит из пяти разделов.

В первом разделе описаны основные свойства, проявляемые сплавали со структурными фазовыми превращениями.

Во втором разделе собраны результаты экспериментальных исследований этих сплавов, испытываемых в качестве рабочих тел

тепловых преобразователей энергии. Показано, что многие авторы сходятся во тент, что рабочие элементы должны функциониро-- вать в определенном термомеханическом режиме.

В третьем разделе обсуждается вопрос о корректном вычис-~ .":ении коэффициента полезного действия мартенситного энергопреобразователя и о различных методах его повышения в конкретном устройстве.

В четвертом разделе детально изложены основные положения структурно-аналитической теории прочности, которая основана на учете физических принципов формирования механических свойств материала на микроуровне и позволяет описать поведение матери-■ алов с существенно различными механизмами протекания микродеформации.

В пятом разделе дан краткий обзор достижений последних шести лет в области математического описания основных свойств, присущих объектам с памятью формы, средствами структурно-аналитической теории прочности. Этот раздел включает в себя семь параграфов.

В первом параграфе рассматривается возможность аналитически рассчитать явление сверхупругого возврата.

Во втором параграфе показаны" результаты прогнозирования поведения материалов типа ГеМп.

В третьем параграфе представлены результаты моделирования аффектов памяти формы, пластичности превращения и реверсивного формоизменения.

В четвертом - приведены расчетные эффекты для сплавов системы железо-марганец. При помощи копьютерных вычислений получены кривые пластичности превращения при охлаждении и нагреве, наблюдаемые в прямом эксперименте.

Пятый параграф отражает технические возможности моделирования поведения объекта при нагружении по ломанным траекториям. Во всех вышеупомянутых параграфах подчеркивается качественное сходство теоретических и практических данных.

В шестом параграфе помещены данные работ, где численными методами. "испытывали" гипотетический материал на способность производить полезную работу. Здесь же обосновываемся использование структурно-аналитической теории прочности для анализа поведения материалов о памятью формы как рабочих тел тепловых машин.

Седьмой параграф логически завершает цикл математических

экспериментов расчетами изделий из материалов с мартенсйтным, превращениями. Доказывается реальная возможность совершать инженерные расчеты краевых задач механики в рамках структурно-аналитической теории прочности. '

Во второй главе сформулированы задачи диссертации.

Третья .глава тлеет два раздела. В первом - обсуждается методика проведения эксперимента и дано описание специально сконструированной автоматически управляемой установки, позволяющей сообшдть образцу крутящий момент и варьировать скорость изменения сдвиговой деформации в широком диапазоне. В качестве объектов исследования использовали поликристаллические сплавы 50&Т1(50-х)ХШ (атомные доли) с различным содержанием меди (0<х<19Х), сплавы на основе меди - Си-12.5<;А1-4.5%Мп (по массе), Си-17.08Хга-7.5&А]. (по массе), сплав Ге-17%Мп (по массе), технически чистую медь, алюминий и сталь марки Ст.45. Из названных металлов изготавливали цилиндрические образцы о длиной рабочей части 34-40 мм и И 2мм. Термообработку совершали в воздушной среде без средств защиты от окисления. Перед испытаниями проверяли соосность захватов и оси исследуемого образца.

Во втором разделе изложена методику проведения численных экспериментов и представлен алгоритм программы.

В четвертой главе приведены результаты проведенных экспериментов. Глава разделена на пять разделов.

В первом - представлены данные-испытаний сплавов СиА1Мп, Си2пА1, ГеМп и ИШЗХСи как рабочих элементов мартенситкых двигателей. Для работоспособного материала характерный фазовый портрет качественного выглядит так, как показано на рис.1. Медные сплавы и никелид титана с ЗХ меди показывают довольно высокие значения удельной работы, что свидетельствует об их перспективности. Отмечается, что не все перечисленные материалы способны давать в рабочем цикле положительную удельную работу. Например, для сплава РеМп, обладающего ярко выраженными эффектами памяти формы, не удается, создать такие условия термомеханического цитирования, при которых бы он успешно работая. Его фазовые портреты схожи с таковыми для металлов, не претерпевающих структурные переходы, например, Си, Д1.

Во втором разделе обсуждается вопрос влияния термообработки материала на его работоспособность. Сплав СиАШл подвер-

Т (220 г 432)К у (-3,0 Г 3,0)96 Т(-105П05)МПа А=1,51МДж/т3

Рис.1. Характеристический фазовый портрет, относящийся к системе Си2пА1. Т - температура, х - напряжение, г - деформация, А - удельная работоспособность.

гали предварительной зачнлке и отжигу в печи. В обоих случаях материал не терял своей способности деформироваться по фазово-. му каналу пластичности. Однако в первом случае его можно использоваться как рабочее тело, во втором - как мощный энергопоглотитель .

В третьем, разделе рассматривается зависимость энергоспособности композиции ПШСи от содержания в нем меди. Оказалось , что термосиговое деформирование материалов с малыми амплитудами (не более 2%) дает примерно одинаковый уровень работы. При повышенных амплитудах сплавы с большим процентом Си (Ж) оказываются неработоспособными.

Четвертый раздел посвящен исследованиям влияния параметров рабочего цикла на энергохарактеристики материала, он разбит на 4 параграфа.

В первом параграфе показано как влияет изменение минимальной температуры цикла (Тшш) при постоянных значениях двух других параметров - интервала термоциклирования (ДТ) и амплитуды деформирования (тг0) - на внергопроивводство сплава ПШЗХСи. Сделано заключение, что существует оптимальная Тг\ип> при которой сплав наиболее энергоспособ^н.

Во втором параграфе изложены результаты по влиянию амплитуды деформирования на работоспособность материала. Полученные результаты приводят к пониманию того, что полезная механическая работа производится только при больших интервалах термоциклирования (150К и выше). При этих значениях ДТ всегда найдется такая амплитуда деформирования, когда материал будет совершать большую полезную работу.

В третьем параграфе представлены графики зависимости удельной работы от параметра ДТ, которые подтверждают выводы предыдущего параграфа.

В четвертом параграфе проведена классификация фазовых портретов сплава ПШЗХСи. Выделено 5 наиболее типичных портрета. Они представлены на рис.2. Приведенные портреты характеризуют разнообразие механического поведения сплава в различных температурно-силовых условиях.

В пятом параграфе вое фазовые диаграммы собраны в одну таблицу, из которой следует-, что получить положительную работу можно лишь тщательно оптимизировав цикл. Для этого необходимо соблюдение нескольких условий: во-первых, формирование петли термоциклирования должно происходить в широком интервале тем-

Рис.3 Типичные фазовые портреты сплава ТИШ%Си.

Продолжение рио.2

ператур, во-вторых, степень закручивания должна ограничиваться максимальным ресурсом фазовой пластичности.

В пятой главе изложены результаты компьютерного моделирования поведения объекта с памятью формы, испытываемого в качестве силового элемента преобразователя энергии по методологии структурно-аналитической теории прочности. При построении алгоритма решения принимали во внимание только факторы, имеющие принципиальный характер для задач данного класса. Во всех случаях не учитывали тепловую и дислокационную составляющую деформации. Полагали,, что,деформация на микроуровне осуществляется только сдвигом и отсутствует взаимодействие между раз-' личными областями кристалла. Использовали два уровня,усреднении: макроскопический, где задавали тензор напряжений и вычисляли тензор деформации, ■ и микроскопический, где,формулировали физический закон поведения материала. Материал считали изотропным. Результаты машинного моделирования показывают, что достигается удовлетворительное совпадение прогнозируемых и фактических фазовых портретов. Выводы, сделанные по графикам зависимостей удельной работы от параметров цикла согласуются о ранее сделанными в экспериментальной части диссертации.

Шестая глава посвящена обсуждению полученных данных. На основе анализа результатов экспериментов, а также данных из литературы, сделан вывод, что для создания практичного мартен-ситного анергопреобразователя с устойчивым рабочим циклом, во-первых, естественно требуется наличие выраженного эффекта памяти форш (однако, как показали результаты, изложенные в первом параграфе четвертой главы, данное условие не является достаточным). Во-вторых, следует помнить, что некоторые виды термообработки- могут - снизить, производство, полезной работы, сохраняя при этом способность ко всем эффектам памяти формы. В-третьих, существуют оптимальные значения параметров термодеформационного режима воздействия, при которых материал совершает наибольшую полезную работу.

Сравнение результатов опытов и математического моделирования показало качественное совпадение и хорошее сходство фазовых портретов. Все фазовые диаграммы, полученные на реальном материале, наблюдались и в компьютерном раочете, зачастую повторяя друг друга с некоторыми незначительными отклонениями. Эти неточности связаны с неучетом дислокационной составляющей деформации. Проведенные компьютерные расчеты еще раз. дскаэыва-

ют, что обращение к структурно-аналитической теории полностью оправдано.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика и создан стенд для исследований материалов с аффектом памяти формы как рабочих тел циклических тепловых машин.

2. Выполнены систематические исследования фазовых портретов мартенситных преобразователей энергии на сплавах ИЫ1, ПШСи, СиА1Мп, СигпА1 и ГеМп. В результате этих исследований установлено, что:

а) высокая работоспособность материала может быть обеспечена лишь путем тщательной оптимизации характера' термомеханического воздействия. В частности установлено, что

- амплитуда деформирования не должна превышать ресурс фазовой пластичности;

- минимальная температура термоцикла должна быть близкой к температуре окончания прямого мартенситного превращения ненапряженного материала;

- верхняя температура цикла должна быть не ниже температуры окончания обратного превращения нагруженного материала, то есть■выше температуры Ак ненапряженного металла.

- температурный и силовой (деформационный) режимы должны быть тшдтельно синхронизированы, а именно, они должны быть такими, чтобы обеспечивать минимизацию энергозатрат на деформацию металла на этапе охлаждения и максимальный уровень генерируемых напряжений на этапе нагрева.

б) не любой материал, обладающий выраженными свойствами памяти форш позволяет получить высокий уровень энергопреобразования. Работоспособность реальных композиций существенно зависит от состава сплава и режима его термообработки. Прямой корреляции между величиной восстанавливаемой деформации и работоспособностью материала нет. Е частности показано, что сплавы Cu-12.5%A1-4.5XMn, Ге-тМп и сплзеы Т1-ЗШЛ-19^Си демонстрируют исключительно низкую или нулевую работоспособность Несмотря на выраженный эффект памяти формы:

- высокая энергоспособность ■ свойственна композиция.1: 50?;Т1-Е0?Ж, 50Т1 (50- х) ЫххСи с содержанием Си уА\Ъ7, г

CU-17.Ce~Zn-7.5%A1;

3. Еыбрана математическая модель мартенситной неупругости

в. рамках_.структурноганалитической теории-прочности,--- позволяю-—---------------- —

щзя производить расчет фазовых портретсЕ мартенситных преобразователей энергии. В ссноге модели лежит предположение о том, что деформация осуществляется только за счет мартенситной реакции первого сода. Еыполнены систематические расчеты в рамках такого подхода для различных режимов термосилового нагружения. В результате анализа свойств решений данной модели показано, что она правильно отражает влияние перечисленных во второй главе факторов термомеханического воздействия на работоспособность материала.

*

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Есйтенко Ю.В., Лихачев В.А., Щербакова Л. Н. Энергетика не-изотермическсго циклического деформирования никелида титана и алюминия// Материалы XXV Всесоюзного семинара "Актуальные проблемы прочности" (1-5 апреля 1991г., г.Старая . Русса), Новгород, 1991,_т.1, С.44-47.

2. Волков А.Е.. Лихачев В.А., Пущаенко О.В., Рогачегская М.Ю., Щербакова Л.Н. Результаты моделирования накопления и возврата деформации в материалах с мартенситными превращениями / ' Физика прочности и пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. XIII Меядунар. конф. (23 июля - йиюня 199£г.). Самара, 1992. С.242.

3. Воронков A.B.. Щербакова Л.Н. Влияние состава композиции TiWiCu на энергоспособность мартенситного двигателя// Тез. докл. Первой междунар, конф.. "Актуальные проблемы, прочности" (26-30 сентября 1994 г., г.Новгород), Т.1, 1994, Новгород. С.103.

4. Воронков A.B., Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Влияние состава композиции TiMiCu на энергоспссобность мартенситного двигателя// Материалы со сложными функционально-механическими свойствами. Компьютерное моделирование материалов: Материалы XXX Межреспубликанского семинара "Актуальные проблемы прочности" (35-19 мая 1994 г., г.Новгород). Новгород. 1994. С.80-94. ■

5. "Воронков A.B., Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Исследование

. , .композиции TiMiCu кар;-рабочего тела теплового преобразоьа- • ■

теля энергии// Прочность и живучесть конструкций.- Вологда, 1993. С.33-34.

6. Воронков A.B., Лихачев В.А., Пшенова A.C.,-Щербакова Л.Н. Работоспособность композиции Ti-47%Ni-3%Cu// Там же, где и 4. С. 224-229.

7. Лескина М.Л., Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Классификация фазовых, портретов рабочего элемента модельного преобразователя тепла в механическую работу// Материалы со сложными функционально-механическими свойствами. Компьютерное моделирование материалов: Материалы XXX Межреспубликанского семинара "Актуальные проблемы прочности" (16-19 'мая 1994г., г.Новгород). Новгород. 1994, С.195-204.'

8. Лескина МгЛ., Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Оптимизация параметров термомеханического цикла модельного мартеноитного двигателя// Там же. С.84-92.

9. Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Компьютерное моделирование материалов с памятью формы как рабочих тел тепловых машин// Функционально-механические свойства материалов и их компьютерное моделирование: Материалы XXIX Межреспубликанского семинара "Актуальные проблемы прочности" (15-18 июня 1993г., г.Псков), Псков, 1993. С.409-421.

10. Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Моделирование материалов • с памятью формы как преобразователей энергии методами структурно-аналитической теории прочности// Математическое моделирование систем и процессов: Тез. докл. Межрегионально? научной конференции, Пермь, 1994. С.26-27.

11. Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Расчет термомеханических циклов рабочих тел мартенситныХ' двигателей// Функционально-механические свойства сплавов с мартенситным канала неупругости: Материалы XXVII Межреспубликанского семинар; "Актуальные проблемы прочности" (16-20 сентября 1992г.

' , г.Ухта), Ухта,. 1992.-СЛ28-138.

12. Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Сплавы о мартенситными превращениями как рабочее тело тепловой машины// Тез. докл Первой междунар. конф. "Актуальные проблемы прочности" Т.1, 1994, Новгород.- С.108.

13. Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Структурно-аналитическая тес рия как основа для расчета .энергоспособности материалов эффектом памяти формы// Прочность и живучесть конструк ций,- Вологда, 19S3.- С.17-18.

14. Лихачев В.А., Пшенова A.C., Щербакова Л.Н. Влияние термообработки сплава Cu-Al-Mn на его .энергоспособность// Функ-

циональнс-механические свойства материалов и их- компьютер-.______

ное моделирование: Материалы XXIX Межреспубликанского семинара "Актуальные проблемы прочности" (15-18 июня 1993г., г.Псков), Псков, 1993.-0.353-357.

15. Лихачев В.А., ПшеноЕа A.C., Щербакова Л.Н. Испытание композиции Fe-l?%Mn в качестве рабочего тела мартенситных . двигателей// Там же. С.156-160.

16. Лихачев В.А., Пшенова A.C., Щербакова Л.Н. Исследование сплавов Cu-Zn-Al и Cu-Zn-Al-Ni как рабочего тела тепловой машины// Там же. С.41-47.

17. Лихачев В.А., Пшенова A.C., Щербакова Л.Н. Экспериментальное исследование материалов с эффектом памяти формы как преобразователей тепла в механическую работу// Прочность и живучесть конструкций.- Вологда, 1993. 0,18-19. •