Дослідження металевого сплаву з пам’яттю форми – МАНЛаб


Дослідження металевого сплаву з пам’яттю форми

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Виміряти величину абсолютного скорочення дроту, виготовленого зі сплаву з пам’яттю форми, за різних температур у порядку їхнього збільшення та зменшення.
  3. Обчислити величину відносного скорочення дроту за різних температур.
  4. Отримати графік залежності відносного скорочення дроту від температури.
  5. Проаналізувати отриманий графік та дійти висновків щодо температурних властивостей матеріалу з пам’яттю форми.

Обладнання:

Штатив, індикатор годинникового типу, цифровий термометр, лінійка з міліметровими поділками, трубчатий нагрівач, джерело живлення з плавним регулюванням напруги від 0 до 30 В, з’єднувальні провідники, відрізок дроту з пам’яттю форми.

Теоретична частина

Ефект пам’яті форми (ЕПФ) – це явище повернення до вихідної форми під час нагріву, яке спостерігається у деяких матеріалів після попередньої деформації.

Можливі реверсивні ефекти пам’яті форми, коли матеріал за однієї температури «згадує» одну форму, а за іншої – іншу.

 В основі ЕПФ більшості сплавів лежать так звані термопружні мартенситні перетворення (ТПМП). Теорія мартенситних перетворень ґрунтується на фундаментальних уявленнях про закономірний характер перебудови кристалічних ґраток і когерентності фаз аустеніту (А) та мартенситу (М), що співіснують (високотемпературну фазу прийнято називати аустенітом, а низькотемпературну – мартенситом).

Мартенсит – це мікроструктура голчастого (пластинчастого) або рейкового (пакетного) вигляду, що спостерігається в загартованих або об’ємно-деформованих сплавах і чистих металах, яким властивий поліморфізм. Кристалічна структура мартенситу тетрагональна. Елементарна комірка має форму прямокутного паралелепіпеду, в якого атоми основного металу розташовані у вершинах та в центрі, а атоми інших металів або домішок – у об’ємі комірки. Мартенсит є нерівноважною структурою, для якої характерні великі внутрішні напруги.

Аустеніт навпаки є рівноважною мікроструктурою без внутрішніх напруг. Кристалічна структура аустеніту – кубічна з центрованими гранями.

Рис. 2. Мікроструктури мартенситу (а) та аустеніту (б)

Рис. 3. Залежність фазового складу від температури, характерна для сплавів із ТПМП

При охолодженні матеріалу з аустенітного стану мартенсит починає утворюватися з деякої температури Мн. При подальшому охолодженні кількість мартенситної фази збільшується. Повне перетворення аустеніту на мартенсит закінчується за деякої температури Мк. Нижче за цю температуру стійкою залишається тільки мартенситна фаза. При нагріві перетворення мартенситу на аустеніт розпочинається з деякої температури Ан і повністю закінчується за температури Ак. При повному циклі утворюється гістерезисна петля. Ширина гістерезисної петлі за температурною шкалою Ак – Мн або Ан – Мк може бути різною для різних матеріалів: широкою або вузькою (рис. 3).

Для оцінювання зміни довжини тіла під дією тих чи інших факторів зручно використовувати величину відносного видовження або скорочення, яка визначається за формулою:

(1)

де Δl  – абсолютне видовження або скорочення тіла, мм;

l0 – початкова довжина тіла, мм.

Метою лабораторної роботи є дослідження ЕПФ з отриманням графіка залежності відносного скорочення дроту з ЕПФ від температури.

Хід роботи

  1. Створіть в оболонці Excel таблицю результатів.
  2. Установіть на столі штатив; за допомогою тримача закріпіть на його верхній частині індикатор годинникового типу.
  3. До рухомого елементу індикатора прикріпіть відрізок дроту з ЕПФ.
  4. Закріпіть на штативі трубчастий нагрівач та пропустіть крізь нього дріт.
  5. Закріпіть нижній кінець дроту до штативу за допомогою утримувача.
  6. Зафіксуйте показання індикатора lТ та довжину дроту, що проходить крізь трубчастий нагрівач, l0. Результат занесіть до таблиці.
  7. Помістіть у трубчатий нагрівач термопару термометра.
  8. З’єднайте джерело живлення з відводами трубчастого нагрівача.
  9. Увімкніть джерело живлення та встановіть напругу 5…7 В.
  10. Фіксуйте значення температури t, °C та покази індикатора lТ з кроком у 5 градусів та заносьте до таблиці.
  11. Коли температура досягне значення 80 ºС, вимкніть джерело живлення та продовжуйте фіксувати значення температури та показання індикатора в порядку зменшення температур.

Аналіз даних

  1. За виразом (1) розрахуйте відносне видовження дроту для різних температур.
  2. Побудуйте графік залежності відносного видовження дроту від температури при нагріванні та охолодженні.
  3. Дійдіть висновків щодо характеру зміни довжини дроту при нагріванні та охолодженні.

 

Таблиця результатів

        l0 = ________ мм

Нагрівання
t, °С 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
lТ, мм
ε, %
Охолодження
t, °С 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20
lТ, мм
ε, %