WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 26 | 27 || 29 |
(Е.Н.Шапкин) 20. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1158245 А Бюл.№20 от 30.05.85 г. (Е.Н.Шапкин) 21. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1243831 АБюл.№26 от 15.07.86 г. (Е.Н.Шапкин) 22. Заявка №38 09 292 ФРГ 23. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1599162 АБюл.№38 от 15.10.90 г. (Л.П.Морозов, С.М.Козлов и О.Л.Морозова) 24. Зайченко И.З. Применение высоконапорной струи жидкости для резания материалов. Ж. Станки и инструмент №4, 1988г., с. 25-27.

25. Барабанов М.В., Иванов Г.М., Свешников В.К., Шапиро И.И. Профильная резка материалов высоконапорной струей воды. Ж. Вестник машиностроения №4, 1992г., с45-47.

26. Ю.М.Руднев Автоматическое резание высоконапорной абразивно-водяной струей деталей из толстолистового материала. Ж. Автоматизация и современные технологии №4, 1994г., с.11-13.

27. Патент Германии 28. Патапов В.А. Струйная обработка: состояние и перспективы развития в Европе и мире. Ж. Машиностроитель №1, 1996 г., с.36-41.

29. Популярная медицинская энциклопедия 2-ое издание. Ташкент. Главная редакция Узбекской Советской энциклопедии. 1989 г.

30. Патент Японии 5058339 В31. Патент Японии 5-32. Заявка на патент (Япония) 3-33. Патент Франции 2706276 А34. Федоров С.Н., Терегулов Н.Г., Канюков В.Н., Харлов А.И., Винярский В.Ф. Гидрорезание и его развитие в медицине. Уфа-Оренбург, 1998 г., с.

7 Металлические сплавы с памятью Железный инструмент начали применять еще в первом тысячелетии до нашей эры и с тех пор он использовался как для созидания, так и для разрушения. На заре железного века (в начале нашей эры) римский сочинитель Плиний Старший в своей “Естественной истории” писал: “Железные рудокопы доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Сим орудием выстраиваем дома, разбиваем камни и употребляем железо на все прочие надобности. Но тем же железом производим брани битвы и грабежи и употребляем оное не только вблизи, но мечем то из машинных рук, то в виде оперенных стрел”.

И сейчас, как в годы седой старины, только в несоизмеримо возросших размерах, мы употребляем различные стали и сплавы на основе железа как в мирных, так и военных целях. Однако 2,5 тысячелетнее развитие металлургии характеризуется не только количественным, но качественным совершенствованием металлических материалов.

Мы знаем, что век чистого железа давным-давно прошел. В наше время нам ежедневно приходится сталкиваться с гораздо более широким толкованием железного века, именуемым веком металлов.

Появляются стали и сплавы, обладающие новыми механическими свойствами, а то и качествами пока нам неизвестными: открываются новые свойства известных металлов, создаются сплавы с необычными свойствами.

Эта лекция будет посвящена сжатому сообщению о сплавах, способных восстанавливать первоначальную форму после пластических деформаций.

7.1 Сплавы с эффектом памяти формы.

Советские металлурги Г.В. Курдюмов и Л.Г. Хандорсон в 1948 г. предложили тип сплавов, которые наделены способностью даже после значительных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при нагреве до определенной температуры. В 1980 г. это изобретение было признано открытием и стало известно как эффект Курдюмова (эффект восстановления заданной конфигурации или эффект памяти формы).

Описываемый эффект практически воспроизводится следующим образом.

Предварительно заготовке из такого сплава, например проволоке, придают требуемую форму. Затем ее нагревают и охлаждают. После чего ее выпрямляют. При последующем нагреве проволока обязательно примет свою первоначальную конфигурацию Природу этого явления доктор физико-математических наук В. Лихачев популярно объясняет следующим образом: “Если детали, сделанные из обычных металлов (да и вообще из любых материалов, имеющих кристаллическое строение), вынуждает изменять форму только внешняя сила (после того как пройдет рубеж “упругость-пластичность” и начинаются перескоки атомов в соседние узлы кристаллической решетки), то в сплавах, обладающих памятью формы, может кардинально перестраиваться сама кристаллическая решетка.

В этих металлах при определенной температуре происходит фазовый переход – так называют особую реакцию в твердой фазе без переноса вещества. Например, в кобальте при таком переходе кубическая решетка превращается в гексагональную, в сплавах медь – марганец из кубической в тетрагональную. Сложные реакции (их называют мартенситными) происходят в сплавах титан-никель, индий-таллий, они присущи аустенитным и железомарганцевым сталям, многим другим веществам. Мартенситные реакции обратимы. При нагреве образца они идут в одну сторону, при охлаждении в обратную. Более того, некоторые из них, если можно так сказать, “сверхобратимы”. Ведь ниоткуда не следует, что при обратном фазовом переходе все атомы должны возвращаться строго по тем траекториям, по которым они уже шли в прямом процессе. Действительно, даже смешно подумать о том, что при конденсации пара молекулы воды должны собраться в те же самые капельки, в тех же местах, откуда они когда-то испарились. Между тем, у кристаллов с памятью формы именно так все и происходит. Каждый атом безошибочно находит “знакомое место”, как по весне журавль свое гнездовье.

Механизм этого явления не ясен. Происходящее при мартенситных превращениях физические процессы столь сложны, что специалисты говорят о генетических свойствах кристаллов. Несмотря на неполную ясность физических процессов механизма этого явления, оно входит в нашу практическую жизнь.

В 1958 г. впервые был получен сплав с эффектом памяти формы – нитинол.

Нитинол – это сплав никеля и титана. Он достаточно сложен в производстве.

Для достижения требуемой переходной температуры соотношение никеля и титана в сплаве должно выдерживаться с высокой точностью (до тысячных долей). У этого сплава фазовые переходы идут выше комнатной температуры, но ниже точки кипения воды. Если же никелид титана легировать железом, то диапазон температур простирается в интервале от комнатной до температуры кипения жидкого азота. Необходимая чистота производства обеспечивается за счет применения вакуумных печей и сложного вспомогательного оборудования. Поэтому, широкое применение нитинола лимитируется его высокой стоимостью, а иногда и инертностью нашего мышления. Но поиски путей снижения стоимости производства нитинола продолжаются. И некоторые фирмы, например “Спешл металс корпорейшн” (США), намерены приступить к промышленному производству нитинола с приемлемой коммерческой стоимостью.

Появляются относительно более технологичные и дешевые запоминающие сплавы. К таковым можно отнести и тройные композиции медь– алюминий–никель или медь–алюминий–цинк. У этих сплавов амплитуда деформации составляет 5-10% их линейного размера, а в некоторых случаях достигает и 30%. Сплавы железо–марганец, титан-никель-палладий, фазовые переходы в которых идут при температуре порядка 800-900 К, обладают широким диапазоном рабочих температур.

Имеются также относительно дешевые в производстве запоминающие сплавы на основе меди, облачающие высокой электропроводимостью.

7.2 Решение инженерных задач с использованием сплавов с эффектом памяти формы и практика их использования Для решения инженерных задач сплавы с эффектом памяти формы могут быть использованы в механизмах, в конструкциях которых заложены перемещения, вызываемые теплом. Так, например, нитинол используется в устройствах противопожарной защиты, а в некоторых фирмах он применяется для герметизации стыков летательных аппаратов, подводных лодок и предотвращения утечки радиации на атомных электростанциях. Возможно соединение различных труб из однородных или разнородных материалов при помощи муфт, изготовленных из сплавов с эффектом памяти формы. Так, соединение стальных труб с соответствующими размерами стенок муфтой с толщиной тела лишь 2 мм может выдерживать высокое давление (в пределах сотни атмосфер). Запоминающие сплавы с высокой электропроводностью на основе меди применяют в автоматах защиты электросетей, которые при ее перегрузке (повышении температуры) отключают сеть и снова восстанавливают соединение при падении температуры токопроводящих жил до нормы.

Они также используются в целом ряде устройств - от роботов до систем терморегулирования в теплицах. Обсудим еще одну область возможного применения рассматриваемых сплавов. Рассмотрим случай, когда пластине из такого сплава предварительно задана выпуклая форма. Затем она нагрета так, что становится напряженной и негибкой. Последующее охлаждение до температуры, лежащей ниже определенной критической точки, приводит к резкому изменению ее кристаллической структуры, позволяющей легко деформировать эту пластину. Так, если выпрямленную пластину из сплава с эффектом памяти формы поместим между подвижной и защемленной частями механизма и нагреем ее, то она быстро вернет себе первоначальную форму (выпуклую), выделив при этом определенное количество энергии. Подвижная часть механизма (относительно защемленный) переместится на расстояние, равное величине выпуклости пластины.

По мнению специалистов, такие пластины площадью 6 см2 способны развивать усилие до 27 тонн. Механизм с рабочим элементом из сплава нитинол может создать усилие до 100 тыс. т/м2.

Рассмотренным механизмом с рабочим элементом из сплава с эффектом памяти формы может быть пресс с ограниченным ходом рабочего узла, но с очень высокими характеристиками удельного давления. Есть тепловые двигатели, энергетическим элементом которых служат изогнутые ленты из запоминающего форму сплава. Первый такой двигатель построил американский инженер – изобретатель Вэнке.

Тепловые двигатели с рабочим элементом, обладающим эффектом памяти формы, получили название мартенситных в силу того, что все они основаны на мартенситных превращениях в кристаллических решетках тех или иных сплавов, склонных в определенных условиях проявлять эффект памяти.

Суть их функционирования заключается в том, что соответствующим образом подготовленный рабочий элемент сначала деформируют сравнительно небольшим усилием, а затем нагревают, зарождая мартенситный фазовый переход, и в процессе восстановления его формы получают полезную работу.

Конструкции тепловых двигателей с рабочими элементами, обладающими эффектом памяти формы, разнообразны и существуют множество различных модификаций. Рассмотрим несколько из них.

На рисунке 7.1 (а) показана схема роторного мартенситного двигателя.

Из рисунка видно, что он состоит из внутреннего и наружного колец со смешенными осями О1 и О2, соединенными между собой стержнями, выполненными из металла с памятью формы. Левые стержни, расположенные в холодной зоне с температурой Т0 сдеформированы, а правые, находящиеся в теплой зоне с температурой Т, соответствующей уровню фазового перехода сплава стержней, “выпрямлены” (приняли заданную форму). Из-за разных механических свойств левых и правых стержней возникает постоянный крутящий момент. Когда кольца вращаются, рабочие элементы попеременно то сжимаются, то растягиваются.

На рисунке7.1 (б) схематично показана конструкция мартенситного двигателя, представляющего собой два цилиндрических шкива, смонтированных на параллельных осях и связанных между собой лентой из материала с памятью формы. Если ленту, как видно из рисунка, с одной стороны нагреть, а противоположную ее ветвь охладить, то система начнет двигаться, приводя во вращение шкивы и оси на которых они жестко смонтированы. К осям можно подсоединять различные механизмы.

На рисунке7.1 (в) показана схема мартенситного двигателя, создающего возвратно-поступательное движение детали S-S. В нем два рабочих элемента и из материала с памятью формы соединены с деталью S-S и соответствующими неподвижными частями механизма.

Если же рабочие элементы попеременно нагревать или охлаждать (смотри рисунок), то деталь “S-S” механизма начнет свое возвратнопоступательное движение по ранее описанным причинам.

Рис 7.1 - Схемы тепловых двигателей с рабочим телом, обладающим памятью формы:

а) роторный двигатель;

б) ленточный двигатель;

в) двигатель с возвратно – поступательным движением.

Мартенситные тепловые двигатели имеют множество достоинств среди которых:

- способность получать энергию при самом незначительном перепаде температур (до 1°C). Поэтому они могут работать при помещении их, например, в морскую воду за счет разницы температур между ее поверхностными и нижележащими слоями.

- Отсутствие конструктивных ограничений на малые скорости ротора. Ротор этих двигателей может вращаться сколь угодно медленно, не теряя значения крутящего момента (усилия на валу). Даже при чрезмерной нагрузке, приводящей к остановке ротора двигателя, усилие на валу сохраняется. При соответствующей его разгрузке двигатель вновь начинает вращаться. Перегрузки для них безопасны и они могут применяться без промежуточных механизмов (редукторов и т.п.).

- Легкость управления, характер которого зависит только от температур рабочих элементов. Имея соответствующую управляющую компьютерную программу можно подобрать режим работы для множества двигателей.

Недостатком рассматриваемых двигателей является то, что охлаждение их требует дополнительных энергозатрат. В результате большая часть топлива тратится впустую. По этой причине они пока обладают низким КПД (не более 4 %).

7.3 Использование сплавов с эффектом памяти формы в медицине.

По некоторым данным в настоящее время в развитых странах мира при различных операциях используют более 2.5 млн. металлических конструкций, вживляемых в организм. Однако, крепление их в живом организме производится при помощи различного рода винтов, гаек, спиц, пластин и т.д., что несомненно связано с введением в тело относительно объемных дополнительных инородных элементов. Эти элементы угнетают, а порой и наносят травмы окружающим тканям, оказывая отрицательное влияние на них. Они не всегда дают ожидаемый эффект. Известно, что одним из важных условий для применения любого металлического имплантанта является его приспособляемость к окружающим тканям и жидкостям организма.

Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию щадящих имплантантов. Они обладают способностью создавать постоянное по величине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени.

При исследовании физико-механических свойств костных и мягких тканей в условиях деформации растяжением установлено, что эффект памяти свойственен и живым тканям организма.

Специалистами сибирского физико-технического института им. В.Д.

Pages:     | 1 |   ...   | 26 | 27 || 29 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.