演示記憶合金彈簧的形狀記憶效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

姜 源,王 維,徐菁華,國安邦,孫維民

(沈陽工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,遼寧沈陽110178)

1 引 言

記憶合金是在一定的溫度下能夠恢復(fù)其原來形狀的金屬合金材料.它作為一種新型智能功能材料,其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng),以及優(yōu)良的理化性能和生物相容性,使其在土木、控制、醫(yī)療、能源與機(jī)械工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,而其潛在的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開發(fā)[1].

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)對這種材料的物理現(xiàn)象、物理性質(zhì)及物理規(guī)律有所介紹.為此我們利用記憶合金彈簧設(shè)計(jì)制作了觀察記憶合金彈簧的溫度-形變效應(yīng)、測試其相變點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置.另外,電流的熱效應(yīng)也能使記憶合金的溫度升高從而產(chǎn)生相變,為此設(shè)計(jì)了電流-形變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置.形狀記憶合金的相變溫度的測量儀器與方法很多[2],我們設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置簡單直觀、易于實(shí)現(xiàn),利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件便可完成.

通過該實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生觀察單向記憶合金彈簧的溫度-形變記憶效應(yīng),使學(xué)生了解形狀記憶合金的相變溫度及記憶性能,開闊學(xué)生視野,培養(yǎng)創(chuàng)新能力.

圖1 記憶合金彈簧的溫度-形變效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 記憶合金彈簧的溫度-形變記憶效應(yīng)

圖1所示是測量記憶合金彈簧的溫度-形變效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖(該實(shí)驗(yàn)采用日本古河電氣公司提供的記憶合金彈簧),其下端固定于內(nèi)筒底部,上端連接輕繩,該繩跨過定滑輪連接配重.

實(shí)驗(yàn)時(shí)按圖示組裝好儀器.配重質(zhì)量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選取,本實(shí)驗(yàn)取200 g左右.向油浴內(nèi)筒注入變壓器油,要求液面深深地沒過記憶彈簧.向水浴缸內(nèi)注入清水.將記憶彈簧由收縮狀態(tài)向上拉伸處于伸展?fàn)顟B(tài),記錄此時(shí)指針?biāo)镜钠鹗甲鴺?biāo)值和溫度值.

接通電源,由電爐給水浴缸加熱,這時(shí)可觀察到隨著溫度升高,彈簧收縮形變,將配重拉起.溫度每升高1℃,記錄記憶彈簧收縮形變的坐標(biāo)值,直至記憶合金彈簧達(dá)到全收縮狀態(tài).由此便可繪出記憶彈簧的溫度形變曲線.

圖2給出了記憶合金彈簧在200 g配重下,溫度由15～60℃、記憶彈簧由伸展?fàn)顟B(tài)收縮到記憶狀態(tài)的形變曲線.如果改變配重(270 g),還可觀察測試不同外應(yīng)力下的溫度-形變曲線.由圖可見,記憶合金相變起始溫度為30℃,轉(zhuǎn)變終了溫度為50℃[3].

圖2 溫度-形變曲線

3 記憶合金彈簧的電流-形變記憶效應(yīng)

圖3是測量記憶合金彈簧的電流-形變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置設(shè)計(jì)圖.實(shí)驗(yàn)時(shí)用導(dǎo)線連接記憶合金彈簧的兩端,并使彈簧處于伸展?fàn)顟B(tài).彈簧的一端固連在支架上方,另一端懸掛配重.記錄此時(shí)的起始坐標(biāo)值.

圖3 記憶合金彈簧的電流-形變效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

接通電源,用滑線變阻器調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度,便可觀察到記憶彈簧收縮形變.記錄不同電流強(qiáng)度下,記憶彈簧收縮的坐標(biāo)值,便可繪出電流-形變曲線.

圖4給出了在240 g配重、室溫18℃的條件下,電流強(qiáng)度從0.1 A到0.8 A時(shí),記憶合金彈簧的電流強(qiáng)度-收縮形變曲線.

電熱驅(qū)動(dòng)時(shí)的相變過程中,彈簧的收縮變形速度先隨收縮位移的增加而逐漸增加,當(dāng)收縮位移接近中間位置時(shí)速度達(dá)到最大值,并在一段位移內(nèi)保持最大速度不變.此后,隨收縮位移的增加而減小,達(dá)到記憶長度時(shí)速度為零.通過控制電流可控制彈簧的收縮變形速度,但不能選擇過高或過低的電流,否則會(huì)破壞其記憶功能.在使用彈簧時(shí)應(yīng)選擇合適的載荷和拉伸變形長度,過大的載荷不僅使其收縮變形速度變得很慢,而且還會(huì)使彈簧產(chǎn)生不完全收縮變形,從而降低彈簧的循環(huán)工作壽命.過大的拉伸變形長度,同樣也會(huì)降低其循環(huán)工作壽命[4].

圖4 電流強(qiáng)度-形變曲線

4 結(jié) 論

通過該實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生定性了解以下現(xiàn)象和規(guī)律:

1)記憶金屬存在起始記憶溫度點(diǎn),該記憶彈簧的起始記憶點(diǎn)為30℃.

2)在記憶點(diǎn)前,溫度變化時(shí),彈簧形變不明顯,超過記憶點(diǎn)后,彈簧收縮形變顯著,收縮接近3.5 cm.

3)溫度達(dá)到50℃時(shí),記憶金屬彈簧達(dá)到全收縮的記憶狀態(tài).

4)記憶彈簧所受外力不同,其收縮的起點(diǎn)坐標(biāo)和終止坐標(biāo)不同,外力越大,記憶彈簧越難以恢復(fù)全收縮的記憶狀態(tài).

5)記憶金屬彈簧對電流強(qiáng)度也有記憶效應(yīng),它的起始記憶電流強(qiáng)度約為0.4 A,終止形變電流強(qiáng)度約為0.7 A(在室溫18℃,負(fù)荷240 g的條件下測得).記憶彈簧的電流記憶效應(yīng)實(shí)質(zhì)仍是溫度記憶,當(dāng)電流熱效應(yīng)與記憶彈簧的散熱達(dá)到平衡時(shí),記憶合金保持相對穩(wěn)定的溫度.若電流增加,則彈簧的溫度亦增加,從而發(fā)生收縮形變.

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平上是可行的,可作為物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開出.

[1] 孫雙雙,董靜,任勇生.形狀記憶合金在機(jī)械工程中的研究與應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008,21(1):25-27.

[2] 甄睿.形狀記憶合金相變溫度的常用測量方法[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào),2006,4(1):27-32.

[3] 于學(xué)勇,華征瀟,潘毅,等.大變形量對 Fe-M n-Si-Cr-Ni形狀記憶合金微觀組織和轉(zhuǎn)變溫度的影響[J].熱加工工藝,2006,35(20):64-66.

[4] 張作龍,劉永紅.形狀記憶合金彈簧變形速度的研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào),2000,24(2):95-97.