演示记忆合金弹簧的形状记忆效应的实验设计

姜 源,王 维,徐菁华,国安邦,孙维民

(沈阳工业大学理学院,辽宁沈阳110178)

1 引 言

记忆合金是在一定的温度下能够恢复其原来形状的金属合金材料.它作为一种新型智能功能材料,其独特的形状记忆效应和超弹性效应,以及优良的理化性能和生物相容性,使其在土木、控制、医疗、能源与机械工程等领域得到了广泛的应用,而其潜在的应用还有待进一步开发[1].

大学物理实验教学应当对这种材料的物理现象、物理性质及物理规律有所介绍.为此我们利用记忆合金弹簧设计制作了观察记忆合金弹簧的温度-形变效应、测试其相变点的实验装置.另外,电流的热效应也能使记忆合金的温度升高从而产生相变,为此设计了电流-形变效应实验装置.形状记忆合金的相变温度的测量仪器与方法很多[2],我们设计的实验装置简单直观、易于实现,利用实验室现有条件便可完成.

通过该实验,让学生观察单向记忆合金弹簧的温度-形变记忆效应,使学生了解形状记忆合金的相变温度及记忆性能,开阔学生视野,培养创新能力.

图1 记忆合金弹簧的温度-形变效应的实验装置图

2 记忆合金弹簧的温度-形变记忆效应

图1所示是测量记忆合金弹簧的温度-形变效应的实验装置设计图(该实验采用日本古河电气公司提供的记忆合金弹簧),其下端固定于内筒底部,上端连接轻绳,该绳跨过定滑轮连接配重.

实验时按图示组装好仪器.配重质量可根据实验要求选取,本实验取200 g左右.向油浴内筒注入变压器油,要求液面深深地没过记忆弹簧.向水浴缸内注入清水.将记忆弹簧由收缩状态向上拉伸处于伸展状态,记录此时指针所示的起始坐标值和温度值.

接通电源,由电炉给水浴缸加热,这时可观察到随着温度升高,弹簧收缩形变,将配重拉起.温度每升高1℃,记录记忆弹簧收缩形变的坐标值,直至记忆合金弹簧达到全收缩状态.由此便可绘出记忆弹簧的温度形变曲线.

图2给出了记忆合金弹簧在200 g配重下,温度由15～60℃、记忆弹簧由伸展状态收缩到记忆状态的形变曲线.如果改变配重(270 g),还可观察测试不同外应力下的温度-形变曲线.由图可见,记忆合金相变起始温度为30℃,转变终了温度为50℃[3].

图2 温度-形变曲线

3 记忆合金弹簧的电流-形变记忆效应

图3是测量记忆合金弹簧的电流-形变效应实验的装置设计图.实验时用导线连接记忆合金弹簧的两端,并使弹簧处于伸展状态.弹簧的一端固连在支架上方,另一端悬挂配重.记录此时的起始坐标值.

图3 记忆合金弹簧的电流-形变效应的实验装置图

接通电源,用滑线变阻器调节电流强度,便可观察到记忆弹簧收缩形变.记录不同电流强度下,记忆弹簧收缩的坐标值,便可绘出电流-形变曲线.

图4给出了在240 g配重、室温18℃的条件下,电流强度从0.1 A到0.8 A时,记忆合金弹簧的电流强度-收缩形变曲线.

电热驱动时的相变过程中,弹簧的收缩变形速度先随收缩位移的增加而逐渐增加,当收缩位移接近中间位置时速度达到最大值,并在一段位移内保持最大速度不变.此后,随收缩位移的增加而减小,达到记忆长度时速度为零.通过控制电流可控制弹簧的收缩变形速度,但不能选择过高或过低的电流,否则会破坏其记忆功能.在使用弹簧时应选择合适的载荷和拉伸变形长度,过大的载荷不仅使其收缩变形速度变得很慢,而且还会使弹簧产生不完全收缩变形,从而降低弹簧的循环工作寿命.过大的拉伸变形长度,同样也会降低其循环工作寿命[4].

图4 电流强度-形变曲线

4 结 论

通过该实验可以使学生定性了解以下现象和规律:

1)记忆金属存在起始记忆温度点,该记忆弹簧的起始记忆点为30℃.

2)在记忆点前,温度变化时,弹簧形变不明显,超过记忆点后,弹簧收缩形变显著,收缩接近3.5 cm.

3)温度达到50℃时,记忆金属弹簧达到全收缩的记忆状态.

4)记忆弹簧所受外力不同,其收缩的起点坐标和终止坐标不同,外力越大,记忆弹簧越难以恢复全收缩的记忆状态.

5)记忆金属弹簧对电流强度也有记忆效应,它的起始记忆电流强度约为0.4 A,终止形变电流强度约为0.7 A(在室温18℃,负荷240 g的条件下测得).记忆弹簧的电流记忆效应实质仍是温度记忆,当电流热效应与记忆弹簧的散热达到平衡时,记忆合金保持相对稳定的温度.若电流增加,则弹簧的温度亦增加,从而发生收缩形变.

该实验设计在物理实验教学水平上是可行的,可作为物理设计性实验开出.

[1] 孙双双,董静,任勇生.形状记忆合金在机械工程中的研究与应用[J].机电产品开发与创新,2008,21(1):25-27.

[2] 甄睿.形状记忆合金相变温度的常用测量方法[J].南京工程学院学报,2006,4(1):27-32.

[3] 于学勇,华征潇,潘毅,等.大变形量对 Fe-M n-Si-Cr-Ni形状记忆合金微观组织和转变温度的影响[J].热加工工艺,2006,35(20):64-66.

[4] 张作龙,刘永红.形状记忆合金弹簧变形速度的研究[J].石油大学学报,2000,24(2):95-97.