演示記憶合金彈簧的形狀記憶效應的實驗設計

姜 源,王 維,徐菁華,國安邦,孫維民

(沈陽工業大學理學院,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,其獨特的形狀記憶效應和超彈性效應,以及優良的理化性能和生物相容性,使其在土木、控制、醫療、能源與機械工程等領域得到了廣泛的應用,而其潛在的應用還有待進一步開發[1].

大學物理實驗教學應當對這種材料的物理現象、物理性質及物理規律有所介紹.為此我們利用記憶合金彈簧設計制作了觀察記憶合金彈簧的溫度-形變效應、測試其相變點的實驗裝置.另外,電流的熱效應也能使記憶合金的溫度升高從而產生相變,為此設計了電流-形變效應實驗裝置.形狀記憶合金的相變溫度的測量儀器與方法很多[2],我們設計的實驗裝置簡單直觀、易于實現,利用實驗室現有條件便可完成.

通過該實驗,讓學生觀察單向記憶合金彈簧的溫度-形變記憶效應,使學生了解形狀記憶合金的相變溫度及記憶性能,開闊學生視野,培養創新能力.

圖1 記憶合金彈簧的溫度-形變效應的實驗裝置圖

2 記憶合金彈簧的溫度-形變記憶效應

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

實驗時按圖示組裝好儀器.配重質量可根據實驗要求選取,本實驗取200 g左右.向油浴內筒注入變壓器油,要求液面深深地沒過記憶彈簧.向水浴缸內注入清水.將記憶彈簧由收縮狀態向上拉伸處于伸展狀態,記錄此時指針所示的起始坐標值和溫度值.

接通電源,由電爐給水浴缸加熱,這時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值,直至記憶合金彈簧達到全收縮狀態.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℃、記憶彈簧由伸展狀態收縮到記憶狀態的形變曲線.如果改變配重(270 g),還可觀察測試不同外應力下的溫度-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

圖3是測量記憶合金彈簧的電流-形變效應實驗的裝置設計圖.實驗時用導線連接記憶合金彈簧的兩端,并使彈簧處于伸展狀態.彈簧的一端固連在支架上方,另一端懸掛配重.記錄此時的起始坐標值.

圖3 記憶合金彈簧的電流-形變效應的實驗裝置圖

接通電源,用滑線變阻器調節電流強度,便可觀察到記憶彈簧收縮形變.記錄不同電流強度下,記憶彈簧收縮的坐標值,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,電流強度從0.1 A到0.8 A時,記憶合金彈簧的電流強度-收縮形變曲線.

電熱驅動時的相變過程中,彈簧的收縮變形速度先隨收縮位移的增加而逐漸增加,當收縮位移接近中間位置時速度達到最大值,并在一段位移內保持最大速度不變.此后,隨收縮位移的增加而減小,達到記憶長度時速度為零.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,否則會破壞其記憶功能.在使用彈簧時應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,而且還會使彈簧產生不完全收縮變形,從而降低彈簧的循環工作壽命.過大的拉伸變形長度,同樣也會降低其循環工作壽命[4].

圖4 電流強度-形變曲線

4 結 論

通過該實驗可以使學生定性了解以下現象和規律:

1)記憶金屬存在起始記憶溫度點,該記憶彈簧的起始記憶點為30℃.

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

3)溫度達到50℃時,記憶金屬彈簧達到全收縮的記憶狀態.

4)記憶彈簧所受外力不同,其收縮的起點坐標和終止坐標不同,外力越大,記憶彈簧越難以恢復全收縮的記憶狀態.

5)記憶金屬彈簧對電流強度也有記憶效應,它的起始記憶電流強度約為0.4 A,終止形變電流強度約為0.7 A(在室溫18℃,負荷240 g的條件下測得).記憶彈簧的電流記憶效應實質仍是溫度記憶,當電流熱效應與記憶彈簧的散熱達到平衡時,記憶合金保持相對穩定的溫度.若電流增加,則彈簧的溫度亦增加,從而發生收縮形變.

該實驗設計在物理實驗教學水平上是可行的,可作為物理設計性實驗開出.

[1] 孫雙雙,董靜,任勇生.形狀記憶合金在機械工程中的研究與應用[J].機電產品開發與創新,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].南京工程學院學報,2006,4(1):27-32.

[3] 于學勇,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].石油大學學報,2000,24(2):95-97.