温度在由焦耳加热开发的Ti-45Ni-5Cu（at％）形状记忆合金中散布外文翻译资料

 2022-03-10 21:55:09

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温度在由焦耳加热开发的Ti-45Ni-5Cu（at％）形状记忆合金中散布

杨承勇a, Seok-won Kangb, Yeon-Min Limb, 李允容c,Jae-il Kimd, 泰炫南b,

a高丽技术与教育大学机械工程学院忠南市忠南412-753，大韩民国

b庆尚北道庆州国立大学材料科学与工程学院暨韩国庆南市庆州市晋州市加兹万洞900号660-701

c大韩民国大邱702-701 Kyungbook国立大学电气工程与计算机科学学院

d韩国釜山604-714 Dong-A大学材料科学与工程系

文章 信息

文章历史：

2009年6月10日收到

2009年10月11日接受

2009年10月20日在线提供

关键词：

形状记忆合金（SMA）功能梯度材料（FGM）马氏体相变热机械加工数值分析

摘要

通过实验和分析研究由Ti-45Ni-5Cu（at％）合金丝的焦耳加热产生的空间变化温度梯度。 焦耳加热是制造用于比例控制的形状记忆合金（SMA）致动器的简单而有效的方法。 通过施加电压降1.338 V，504 K和413 K之间的温度梯度是通过30 mm SMA线的长度实验获得的。 建议使用简单分析模型得到的闭式表达式来预测温度梯度，并且还提供了有限元分析的结果。 最后，证明焦耳加热试样表现出0.02％/ K的低形状恢复率和独特的吕德斯型变形，并且应力水平从340MPa到380MPa逐渐增加。

介绍

已经开发了各种形状记忆合金（SMA）致动器，其分为两组。 第一组是开关控制类型，例如电饭煲和咖啡机的控制阀，断路器中的执行器和许多医疗设备[1,2]. 在特定温度下的快速形状恢复对于此目的是必要的。 第二组是比例控制类型，例如机器人中的执行器，照相机和微型夹具[3,4]. 这些执行器需要平滑连续的运动以实现精确的位置控制。 为了达到这个目的，需要在宽温度范围内进行线性和缓慢的形状恢复。

为了在宽温度范围内获得线性和缓慢的形状恢复，开发了温度梯度退火（TGA）方法，在具有温度梯度的炉中退火冷加工的Ti-Ni基合金[5,6] 基于冷加工Ti-Ni合金的相变温度根据退火温度而变化很大的事实[7,8]. 从TGA方法成功地获得了沿长度方向连续变化的相变温度的Ti-Ni合金丝。 发现TGA处理的Ti-Ni的形状恢复率（dε/ dT，ε：应变，T：温度）合金比在特定温度下等温退火的Ti-Ni合金小得多[5]. 因此，得出的结论是，TGA是获得在宽温度窗口内具有线性和缓慢形状恢复的Ti-Ni合金的有效方法。

对于比例控制，根据应用情况需要不同长度的Ti-Ni线。 然而，从实际观点来看，TGA方法似乎具有缺点，因为在炉中各种长度的Ti-Ni合金中产生温度梯度是不方便的。 希望能够在没有炉的情况下在Ti-Ni线中产生温度梯度的简单而新颖的方法。

已知Ti-Ni合金的电阻率对于通过电流的焦耳加热来说足够高。 Ti-Ni合金用于微电子机械系统（MEMS）的大多数应用采用焦耳加热，因为基于Ti-Ni的器件的致动非常简单。 已经研究了电流，导线直径，对流换热系数和合金成分对焦耳加热特性的影响[9–11]. 大多数以前的研究假设在焦耳加热的整个Ti-Ni合金丝上均匀温度梯度。 然而，预期不均匀的温度分布，因为仅对一部分线施加加热，并且因此通过焦耳加热在线中产生温度梯度。 在这种情况下，由焦耳加热引起的空间变化温度的信息的SMA线材对退火热处理工艺的设计非常有用。

本研究的目的是使用实验测量和数值分析来研究由焦耳加热产生的温度。 为SMA丝提供空间温度变化的闭合表达式，并通过与实验和有限元分析的比较来评估和评估结果。 显示Ti-45Ni-5Cu（at％）合金丝的实验演示以展示制造用于比例控制的Ti-Ni致动器的焦耳加热的可行性。 伸长与温度曲线和应力 - 应变曲线和DSC测量结果。

实验程序

通过真空感应熔炼制备Ti-45Ni-5Cu（at％）合金锭，然后热轧，然后冷轧成直径为1.0mm的金属丝。 最终冷加工率为20％。 从冷加工的金属丝上切下用于测量温 度探针的线材试样，然后用金刚砂纸机械抛光，然后用电解质进行电解抛光，该电解质由93％CH3COOH和7％HClO4。 电线被焦耳加热加热。图.1 显示了用于测量温度的装置。 在C1和C2之间的导线上施加1.338V的电压降，并且焦耳加热区的长度（C1和C2之间的距离）为30mm。 导线的总长度为50毫米。 从热电偶测量导线的温度曲线，在电线稳定后（在本研究中施加1.338V的电压下降30s后），在电线表面处焊接电偶。 在测量温度梯度之后，电压降继续施加600s以在氩气气氛中在温度梯度下退火 导线。 测得的温度会升高因为导线与通过分析方法和有限元分析估计的导线相比较。 我们还研究了由焦耳热加热退火的SMA丝的转变温度和变形行为。 从焦耳热丝上取下6个样品（P1-P6），以差示扫描量热法（DSC）测定冷却和加热速率0.17K / s。 在施加40MPa的应力下，以0.017K / s的冷却和加热速率进行热循环测试以及以10minus;3/ s的应变速率进行拉伸测试以研究退火的SMA线的焦耳变形行为加热。

图.1温度计测量装置的示意图

结果与讨论

为了预测由于SMA丝焦耳热引起的温度梯度，进行了两种数值分析。 首先，一个分析解决方案源自于一条非常长的SMA线。 接下来，对有限长度的导线进行有限元传热分析。 获得温度的分析解决方案分布，问题通过一维情况简化，温度仅取决于沿着电线的轴向坐标。 使用格林函数法，封闭形式的解可以导出如下：当A是导线的恒定横截面积时，考虑到能量守恒的微分方程写成了一个微小的长度dx[12],

其中p是形状记忆材料的密度，cp是比热，k是热导率。 参数h是对流换热系数，lc是圆周长度，Tinfin;是环境气体温度。 f（x）代表每单位长度的电加热。 在SMA丝的焦耳加热中，电加热仅适用于Ltimes;L的导线。如果每单位长度的电阻为R，电流为I，焦耳热分数为1，则f（x ）由1I2R给出L x L并在别处消失。 由于Af（奥氏体n-ish）温度大约是室温，所以由相变引起的潜热将被忽略。 简化Eq。(1),

热扩散率˛可以用k / pcp定义。 瞬态扩散方程的弛豫时间rc由周期初始条件的最长波长分量决定[13]. 在我们的例子中，在有限的时间间隔内施加不均匀的电流，并且以2L作为最长波长的一半，松弛时间可以是

稳态温度通过设置时间导数0来获得。如果导线非常长，则可以使用格林函数K导出解。[14].

和K（x;xi; ） 0，如 |x| ，其中ı（x）是狄拉克三角函数。 格林函数K由下式给出

这个绿色功能在物理上意味着由于在 输入而在x处的响应。 一般热源函数g（x）的解决方案是格林函数的叠加,然后进行处理。

通过采用c=和，代入（2）中，可以得到方程式：

图.2（a）在分析条件下用分析法（实线）和有限元分析（虚线）计算的温度曲线表格1。还显示了从焊接在样品表面的热电偶测量的实验值（空心圆圈）。 （b）加热始阶段的瞬态温度特性通过有线元件中心的有限元法计算。

积分后，温度传感器的闭式表达式如下获得：

温度和梯度在任何地方都是连续的。 出现两个参数，P = / h1c和Q= 。 中心处出现的最高温度（x = 0）由下式给出P（1-） Tinfin;。 x = L时的温度为P / 2（1-） Tinfin;。 x = L处的温度梯度为PQ / 2（1-）。

温度从x = L处的环境温度下降到环境温度的特定长度或空间距离近似为1 / Q。 这种封闭式温度探针解决方案可以为SMA丝的退火热处理提供指导。 该分析结果将与三维有限元分析和实验测量结果进行比较。

表格1(数字参考值【16，17】

有限元分析由商业有限元软件ABAQUS进行[15]. 使用800个二次15节点楔形元件来模拟SMA线。 导线的总长度为50毫米，焦耳加热仅适用于30毫米。 根据导线边界表面的磁特性考虑对流换热。 数字输入值列在中表格1。

大多数热学和电学性质可从Refs获得。[16,17]. 电导率可以通过测量两点之间的电流和电压降来获得。 在我们的实验中，平均电压为1.338 V，平均电流为穿过加热区9.04 A。 平均电力输入是12.09 W.根据这些数据，SMA导线的电阻为4.933Omega;/ m。 相对未知的特性是焦耳热分数因子1和对流传热系数H。 通过校准焦耳热分数因子和对流换热系数，与其他性质值相比较，当1 = 1和h = 650J / sm2K时，实验温度曲线良好。对流系数值比较高与空气的典型值，150 J / sm2K[17]. 我们认为这种差异源于热电偶的附着或接触电阻的影响。 热电偶可以增强散热和能量损失。 本研究忽略了SMA棒和电线连接处的接触电阻。 但它也会造成显着的能量损失，这种影响需要在未来的工作中进行调查。

图2（a）显示通过分析方法计算的稳态温度和使用参数值进行的有限元分析表格1和实验测量。 数值结果与实验结果非常吻合，只是实验结果在中心显示更尖锐的峰。 这种影响可能是由于中心处的气体加热所致，因此需要更多的研究来探究其原因。 从实验结果可以发现，焦耳加热产生504 K至413 K的温度梯度。 因此，也得出结论：焦耳加热是在Ti-45Ni-5Cu合金中发展温度梯度的有效方法。

在加热的初始阶段的瞬态温度特性显示在图2（b）中。 这个结果是通过有限元方法在导线的中心计算的。 在10秒内温度从初始环境温度294 K增加到最终饱和温度483 K，这表明焦耳加热时间超过10 s足以获得样品中的稳态温度特性。 基于。的结果图2（b），温度测量图。1通电30秒后进行。

为了测量由焦耳加热退火的导线的转变温度，进行DSC测量。 通过在C1和C2之间切割金属丝，准备6个长度为5mm的样品（P1-P6），如图5所示图。1。图3（a）和（b）分别显示了在冷却和加热期间获得的DSC曲线。 在每个冷却和加热曲线上都可以找到由B2-B19#39;转变引起的一个DSC峰，这通过X射线衍射得到证实。 从图3（a）和（b），Ms和Mf（分别为B2-B19#39;转化开始和温度），As和Af（B19#39;-B2转化开始和测量M *（冷却曲线上的峰值温度）和A *（加热曲线上的峰值温度），然后对样本中的位置图3（C）。 发现B2-B19#39;变换的转换窗口，即MsMf和AfAs随着采样位置从中心部分（P3和P4）移动到虽然M *和A *保持不变， 特别是在P1和P6样品中，宽温度窗口与423 K以下的低温退火和大温度梯度（100 K）有关图2（一个）。 在冷加工之后在低温退火的Ti-Ni合金中报道了类似的宽DSC峰[18]. 与P1和P6相比，P3和P4中的变换窗口相对较窄，这归因于小于20 K的小温度梯度，如图2(a).

通过在40MPa的外加应力和333K下的热循环测试来研究由焦耳加热退火的样品的变形行为，所述变形行为比样品中最高的Af高5K。延伸 - 温度和应力 - 应变曲线如图所示图4（a）和（b）。 冷却时发生与B2-B19#39;转化相关的转变延伸，如图5所示，其在加热时完全恢复图4（一个）。 测得形状恢复率（dε/ dT）约为0.02％/ K，远小于在固定温度（0.5％/ K）下退火的Ti-45Ni-5Cu合金的形状恢复率。 在之前的研究中，从具有温度梯度的炉中退火的Ti-50.0Ni获得的形状恢复速率被发现为0.12-0.43％/ K，这取决于退火温度范围[5]. 这意味着焦耳加热样品的形状恢复速率与TGA处理样品的速率相当。

在图4（b）所示，观察到独特的吕德斯型变形，应力逐渐从340MPa增加到380MPa，表明应力诱导的B2-B19#39;转变所需的应力水平逐渐增加。 340 MPa的最低应力可能是在最高温度（P3，P4）退火的部分的应力诱导相变，而最低应力380 MPa是在最低温度退火的部分（P1，P6）。 在TGA处理的Ti-50.2Ni（at％）合金中已经报道了类似的变形行为[6]. 从图 3和4得出焦耳加热法简单而有效的获得形状恢复率低的Ti-45Ni-5Cu合金，这是比例控制的必要条件。

图3.（a和b）焦耳加热样品的DSC曲线。 （c）转变温度

图4.（a）延伸率对温度曲线，以及（b）从焦耳加热的Ti-45Ni-5Cu（at％）线获得的应力对应变曲线。

结论

通过实验测量和数值分析研究了由形状记忆合金丝的焦耳加热产生的温度梯度。 解析解和有限元方法给出了令人满意的与实验结果相一致的温度预测。 为了确保数值方法的准确性，在未来的工作中，对于不同的电压输入和电线长度，将需要更多的分析。 该与传统的温度梯度退火（TGA）方法相比，焦耳加热方法简单得多，因为不需要退火炉。 通过施加1.338V到30mm的Ti-45Ni-5Cu（at％）线材样品，显示出不均匀温度范围的范围宽达91K。 样品表现出0.02％/ K的低形状回复率（dε/ dT，ε：应变，T：温度）和独特的吕德斯型变形，应力从340MPa到380MPa逐渐增加。 这些结果证明，焦耳加热方法对于制造用于比例控制的SMA致动器是

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