Курсовая работа по Физика на тему Особенности механического поведения пористых образцов никелида титана при одноосном растяжении и сжатии

ВВЕДЕНИЕ
Научный прогресс не стоит на месте, в том числе и его техническая сторона. К деталям машин и механизмам в связи с тяжелыми эксплуатационными нагрузками предъявляются всё больше требований, в связи с этим, специалисты изучают новые методы обработки, меняя химический состав материала – вводят новые сплавы.
Один из таких сплавов – это никелид титана, либо по другому – нитинол. Дело в том, что у данного сплава есть отличительная особенность, заключающаяся в явлении «памяти формы».
С помощью данного явления никелид титана нашел применение в различных отраслях промышленности, начиная от авиационной, заканчивая медициной.
Цель работы: Раскрыть вопрос согласно теме курсовой работы – особенности механического поведения пористых образцов никелида титана при одноосном растяжении и сжатии.
Для того, чтобы раскрыть поставленную цель, необходимо решить ряд следующих задач:
Рассказать про применение никелида титана, способы получения пористых образцов никелида титана
Изложить про свойства никелида титана, исследования структуры никелида титана
Раскрыть вопрос о «поведении» никелида титана при его нагружении, также фазовые превращения никелида титана.
Описать особенности механического поведения пористых образцов никелида титана экспериментальными и численными методами исследования.




ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Практическое использование никелида титана

Понятно, что нитинол имеет довольно обширную область применения в различных отраслях, но рассмотрим применение нитинола в технике
Благодаря эффекту памяти формы и множеству других свойств сплавы никелида титана активно применяются в:
- различного рода двигателях , где происходит преобразование одного типа энергии в другой, то есть тепловой энергии в механическую.
- соединительных элементах (в несварных) - муфты, втулки с памятью формы.
- Термочувствительные механические приводы, крепежные узлы и захваты
- Устройства дотяжки, затяжки , либо другой термомеханический крепеж – шплинты, пистоны, пальцы и заклепки , в том числе и для авиатехники
- Исполнительные, силовые механизмы техники различного строения – штанги, воздухозаборники , шевроны ( зубцы на кромке сопла) для двигателей самолетов.
- Приводы и исполнительные элементы и механизмы работающие в условиях агрессивных атмосфер – излучения, радиовоздействия.
- Узлы, механизмы робототехники
- Вентили пневмосистем, регуляторы давления и расхода газа , либо жидкости, заслонки и клапаны гидросистем
- Аварийные сигнализирующие устройства в виде – извещатели и прочие подобные элементы
- Термокомпенсаторы деформаций и натяжений в элементах конструкций

Методы получения пористых образцов никелида титана
Получение пористых образцов никелида титана осложняется окислением на поверхности порошков , за счет высокой реакционной и адсорбирующей способностей порошков.
Порошки никеля и титана с размерами частиц 100 микрометров , используемых для проведения самораспостраняющегося высокотемпературного синтеза при продолжительном хранении начинают реакцию адсорбции, поглощая влагу из воздуха.
Для удаления влаги и восстановления реакционной способности проводят сушку образцов в вакуумном шкафу при температуре 60°-70°С и давлении 10^5 Па в течение 4-8 часов часов (Рисунок 1)
Регулируемыми параметрами технологического процесса синтеза являются - гранулометрический состав шихты, размеры и пористость заготовок, температура нагрева шихты.
Морфология и гранулометрический состав шихты, играют весомое значение в процессе ее уплотнения, а также оказывают влияние на теплопроводность и начальную пористость шихты.
Применяемые порошки титана (ПТМ, ПТОМ) и никеля (ПНК-ОТ1, ПНК-ОТ2, ПНК-ОТ4, ПНК-Л5) обладают хорошей способностью к смешиванию благодаря развитой форме и большой удельной поверхности.
Для данных порошков будет достаточное перемешивание в течении 1 часа, в некоторых других моделях высокоэнергетических смесителей около 10, 15 минут.


Рисунок 1. Схема приготовления шихты для синтеза пористого никелида титана
Для получения полностью перемешанной шиты используется барабанный смеситель, в котором перемешивается шихта в течении 8 часов
Порошки титана – ПТЭМ и никеля – ПНЭ, в свою очередь, за счет компактных форм и небольшой удельной поверхности (Рисунок 2, в, г) плохо поддаются перемешиванию и расслаиваются, при засыпании в форму. На качество смеси увеличение времени перемешивания не влияет. Пористость шихты (начальная пористость) – основной параметр, влияющий на пористость сплава (конечную пористость). Пористость шихты в основном определяет количество контактов в шихте и ее теплопроводность, которая в свою очередь определяет скорость прогрева шихты, скорость и характер ее горения.
Заданной пористости поверхности проще всего добиться методом прессования. Однако прессование, при всех своих преимуществах, имеет серьезный недостаток – неоднородную плотность прессовки, особенно для порошков с развитой поверхностью.
Обычно повышенная плотность наблюдается под пуансоном, в районе дна, стенок и, особенно, в углах прессформы. Так как процесс синтеза никелида титана чувствителен к плотности шихты, то даже небольшие уплотнения в заготовке существенно сказываются на конечной структуре пористого сплава.
В областях повышенной плотности реализуется низкотемпературный режим горения, сопровождающийся появлением пульсаций горения и слоистостью пористого сплава. Связано это с тем, что участки шихты повышенной плотности имеют большое количество межчастичных контактов на единицу объема, которые эффективно рассеивают подводимое к ним тепло из зоны реакции.
Другой путь получения необходимой плотности заготовки – регулирование насыпной плотности шихты. Эта технология более сложна, чем прессование, но плотность насыпки более однородна по объему заготовки, чем у прессовки. Влияния стенок и дна на плотность насыпки избежать не удается, но пристеночные уплотненные слои и разрыхленный верхний слой невелики по объему и чаще всего удаляются при изготовлении полуфабрикатов. Применяющиеся порошки имеют различную насыпную плотность и способность к уплотнению вследствие различной морфологии и гранулометрического состава. Комбинируя различные порошки титана, никеля и инертных добавок, можно добиться различной насыпной плотности шихты в широком интервале.

Рисунок 2. 1000);Микрофотографии порошков: а – никеля ПНК-ОТ2 (x1000); б – титана ПТ (x1000); в – никеля ПНЭ (x600); г – титана ПТЭМ (x40)
Размеры шихты оказывают косвенное влияние на структуру синтезированного сплава, эффективно влияя на глубину превращения в волне синтеза и скорость охлаждения полученного сплава.
Температура нагрева шихты – основной из регулируемых параметров СВС никелида титана, косвенно оказывающий сложное влияние на кинетику процесса СВС и структуру получаемого сплава
В процессе производства важно получить однородную изотропную структуру сплава с определенным распределением пор по размеру. Добиваясь выполнения этого условия, приходится мириться с высокой степенью химической неоднородности сплава. При этом достижение высоких характеристик эластичности и памяти формы пористого сплава является также одной из приоритетных задач синтеза.
После перемешивания в смесителе шихта, состоящая из Ti и Ni, засыпали в трубчатую кварцевую форму, уплотняли и помещали в реактор, через который пропускали инертный газ аргон и нагревали в лабораторной электрической печи сопротивления.
Температуру шихты контролировали термопарой, помещенной в заготовку через открытый край реактора. Показания выводятся на цифровой