АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 10
1 Аналитический обзор в предметной области исследований 13
1.1 Эффект памяти формы 13
1.2 Эффект сверхэластичности в сплавах TiNi 17
1.3 Прочностные и пластические характеристики TiNi проволоки при
испытаниях на растяжение. Влияние процесса обработки на данные
характеристики 21
1.4 Определяющие соотношения для аналитического решения 23
2 Постановка задачи и методы исследований 30
2.1 Цель работы: Исследовать особенности деформационного поведения
проволоки из никелида титана методом одноосного растяжения 30
2.2 Материалы и методы исследований 31
2.3 Математическая постановка задачи 32
2.4 Материалы с ЭПФ в ANSYS 34
2.5 Решение в ANSYS 38
3 Результаты экспериментов 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 47
При механических воздействиях сплав на основе никелида титана претерпевает фазовый переход. При этом обнаруживаются удивительные механические свойства материала. В первую очередь это эффект сверхэластичности, когда материал способен деформироваться нелинейно до десятков процентов относительного удлинения с полным восстановлением деформаций после разгрузки. Механическое поведение сплава при сверхэластичности характеризуется кривой гистерезиса. Второе интересное свойство сплава - это проявление эффекта памяти формы, заключающееся в полном восстановлении первоначальной формы после деформации и температурного воздействия. Этот эффект может быть инициализирован механическим и тепловыми нагрузками. Заключается в изменении кристаллической структуры при переходе материала из аустенитной фазы в мартенситную и обратно. Требуется подобрать математическую постановку в континуальном подходе, которая в точности способна описать эффект сверхэластичности при механическом воздействии - нагрузке и разгрузке. На основе существующих экспериментов по растяжению проволок создать алгоритм нахождения материальных констант для выбранных определяющих уравнений. После чего необходимо оценить напряженно-деформированное состояние тонких проволок при эксплуатационных нагрузках. Провести оценку сеточной сходимости, верифицировать модель путем сравнения численных результатов с результатами существующих экспериментов.
Всё чаще в науке, медицине и технике находят применение многофункциональные материалы с заданными свойствами - материалы, которые под действием внешних факторов и эксплуатационных условий (механической нагрузки, температуры и т.д.) могут контролируемо изменять свои свойства. Конечно, к таким материалам относятся сплавы с совсем недавно неизвестными и уникальными физико-механическими свойствами - эффектом памяти формы (ЭПФ). Возврат к первоначальной форме при нагреве после пластической деформации. Это явление наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации в строго определенном для каждого сплава температурном интервале. Эффект памяти формы связан с мартенситными превращениями - особым видом пластической деформации.
Шведский физик Арни Оландером (Arne Olander) первым открыл ЭПФ в 1932 году, примером стал сплава золота и кадмия. Уже в 50-х годах ХХ столетия появились первые работы, представляющие исследования эффектов памяти формы в сплавах, где основой стала медь с благородными металлами. Однако большой интереск этим работам был ограничен очень узким кругом исследователей. Для широких масс они оставались неизвестными, это было обусловлено дороговизной материалов для исследования, а также сложностью технологий их выплавки. Истинный «бум» произошёл после обнаружения в 1961 году Уильямом Бюлером и Фредериком Вангом эффекта памяти формы в эквиатомного состава сплавах никеля и титана (TiNi), позже сплав получит название никелид титана. Спустя почти два года и в США появился коммерческий продукт - нитинол, получивший название по своему составу и месту разработки (NITINOL - NiTi Naval Ordnance Laboratories).
Особый интерес связывают со способностью металлов рассматриваемого класса создавать значительные реактивные усилия. Стержень из никелида титана, легированного цирконием, диаметром 100 мм развивает усилие до тысячи тонн. Такое свойство служит основой при проектировании мощных малогабаритных прессов. Совмещая вместе силовые и деформационные свойства элементовиз металла с эффектом памяти формы, получается проектировать безусловно простые и эффективные исполнительные устройства роботов, усилители перемещений, разнообразные приводы в конвейерных производствах и т.д. Еще одна область применения - это создания плотных и неразъемных соединений: можно соединять трубы и стержни с надетыми на них муфтами из сплавов с эффектом памяти формы; собирать узлы, не поддающиеся, с помощью традиционной технологии, этой операции; опрессовывать детали, используя ЭПФ как свойство инструмента. Например, трубы, диаметром 20 мм, без проблем скрепляются наружной (стягивающей) или внутренней (распорной) муфтой из никелида титана при ее толщине около 2 мм. Трубы при этом выдерживают внутреннее давление от 200 атм.. Подобным способом удается скреплять металл с керамикой, резиной или пластмассой.
Одной из уникальностей сплавов с ЭПФ, является обладание биологической совместимости с тканями человеческого организма, это позволяет с успехом применять их в медицинских целях уже много лет в качестве материала для изготовления медицинских инструментов и имплантатов. Элементы для фиксации костных отломков, внутрикостные штифты, челюстно-лицевые имплантаты, стержни и аппараты для исправления деформации позвоночника, протезы сосудов, эндопротезы в нейрохирургии, искусственные клапаны сердца, кератопротезы в
офтальмологии, ортодонтические материалов и т.д. [1-4].
Сделан обзор литературы по тематике исследования свойств сплава никелида титана.
Построена физико-математическая модель проволоки из никелида титана на базе программного комплекса ANSYS, проведен анализ методом конечных элементов.
Проведены эксперименты на одноосное растяжение/сжатие и верифицированы с физико-математической моделью с помощью анализа сеточной сходимости.
Представленные результаты численного моделирования качественно и количественно подобны экспериментальным данным на участках упругого деформирования аустенита, плато прямого фазового превращения до начала упругого деформирования мартенсита и во всем диапазоне разгрузки. Однако наблюдается некоторое отклонение при сравнении результатов в конце области упругого деформирования из -за существования неравенства экспериментальных значений модуля упругости для аустенитной и мартенситной фаз. Этот эффект не учитывается, что является незначительным недостатком модели, поэтому необходимо считать используемую постановку ограниченно-применимой на конечном участке упругого деформирования мартенсита до разрушения.
