Methodology and some results of studying the influence of frequency on functional properties of pseudoelastic SMA

Abstract

Значення частоти за механічного навантаження впливає на функціональні властивості сплавів з памʼяттю форми (СПФ). Саме тому необхідно вивчити вплив частоти, щоб успішно використовувати ці матеріали в реальних будівельних конструкціях та спорудах. Більшість праць опираються на дослідження із жорстким режимом навантаження (контрольовані деформації зразка). Тому на основі псевдопружної циклічної поведінки запропоновано експериментальну методику, яка дозволяє перевіряти дротину зі сплаву нітинолу (NiTi) у м’якому режимі навантаження (контрольовані напруження у зразку). У досліді скористалися дротиною діаметром 1,5 мм зі сплаву нітинолу Ni55,8Ti44,2. Робоча довжина дротини складала 210 мм. Модуль пружності дротини в аустенітній фазі EA = 52,7 ГПа, напруження початку перетворення σAM = 338 МПа. Циклічні випробування на розтяг проводили на універсальній випробувальній машині STM-100 при кімнатній температурі з частотою навантаження 0,1 Гц та 10 Гц. Коефіцієнт асиметрії циклу навантаження становив Rσ = 0,1. Функціональні залежності визначені на основі експериментально отриманих петель гістерезису. Ці функціональні залежності містять дисиповану енергію та коефіцієнт демпфування. Встановлено, що збільшення частоти навантаження призводить до погіршення функціональних властивостей, а саме, до зменшення розсіюваної енергії та коефіцієнта демпфування. Це повʼзано з відсутністю областей аустенітного й мартенситного перетворень за високої частоти навантаження. Тобто перетворення аустеніту в мартенсит, що є умовою ефекту псевдопружності, не відбувається. Тим не менш, слід зазначити, що збільшення частоти навантаження в 100 разів збільшує термін служби псевдопружного дроту зі сплаву NiTi приблизно на 30%. Визначено, що збільшення частоти навантаження призводить до зменшення максимальної деформації приблизно в два рази в першому циклі навантаження, і практично в 5 разів після 200 циклів навантаження.

The mechanical loading frequency affects the functional properties of shape memory alloys (SMA). Thus, it is necessary to study the effect of frequency in order to use successfully these materials in real structures. Based on the pseudoelastic cyclic behavior, the experimental methodology that allows testing of NiTi wires in stress controlled mode is proposed. Cyclic tensile tests are carried out using universal testing machine STM-100 at room temperature with loading frequencies of 0.1 Hz and 10 Hz. The functional dependencies are determined based on the experimentally obtained hysteresis loops. These functional dependencies comprise dissipated energy and damping factor. It iis found that the increase of loading frequency results in the worsening of functional properties, namely, to the decrease of dissipated energy and damping factor. This is caused by the fact that the regions of austenitic and martensitic transformation under the high loading frequency are absent. That is, the transformation of austenite into martensite does not occur, that stands for the pseudoelasticity effect. Nevertheless, it should be noted that the increase of loading frequency in 100 times augments the lifetime of pseudoelastic wire made of NiTi alloy roughly by 30%. It is determined that the increase of loading frequency results in the decrease of maximum strain in two times in the first loading cycle, and practically in 5 times after 200 cycles of loading.