Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ВЫБОР МАТЕРИАЛА ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРОТИВОПОЖАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ ГРАФИЧЕСКОГО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА НА ПРИМЕРЕ СПРИНКЛЕРА

Дорош И.В. 1 Чуракова А.А. 1, 2 Ямалетдинова К.Ш. 3 Мартынова О.Г. 1 Ахметшин Р.И. 1 Рахманова С.Т. 1 Попова Е.Е. 1 Куранина А.А. 4 Семашко М.А. 1 Нафикова Э.В. 1 Исмагилов А.А. 1
1 ФГБОУ ВО «УГАТУ»
2 ИФМК УФИЦ РАН
3 ФГБОУ ВО «ЧелГУ»
4 ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН»
Эффект памяти формы (ЭПФ) и сверхупругости проявляется более ярко в сплавах на основе никелида титана своими функциональными характеристиками: повышенной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, способностью работать в труднодоступных конструкциях с агрессивной окружающей средой, таких как устройства для автоматического пожаротушения – спринклеры. Восстановление исходной формы при реализации обусловлено превращением мартенсита в аустенит путем нагрева и, наоборот – из аустенита в мартенсит путем охлаждения. Многократные циклы «охлаждение-нагрев» (термоциклирование (ТЦ)) в сплаве TiNi приводят к генерации дислокаций в кристаллической решетке, которые влияют на повышение предела текучести. Однако ТЦ не применяется для повышения предела текучести, но с использованием ТЦ возможна имитация реальных условий эксплуатаций изделий, которые подвергаются термоциклическим нагрузкам в условиях агрессивной среды. В 2005 г. был запатентован спринклер, оросительная головка которого была выполнена из сплава TiNi на основе ЭПФ, данный сплав предполагал лучшее быстродействие и меньшие затраты. Быстродействие обеспечивалось такой характеристикой, как удлинение, однако удлинение не всегда показатель быстродействия, поэтому необходимо также учитывать предел текучести. На сегодняшний день не в полной мере изучено поведение сплава TiNi в комплексе со старением, Предполагается, что таким сплавом является TiNi, однако это несет сугубо теоретический характер; именно поэтому данная работа нацелена на раскрытие поведения сплава TiNi в условиях агрессивной среды.
эффект памяти формы (ЭПФ)
термочувствительный элемент (ТЭ)
термоциклирование (ТЦ)
никелид титана (TiNi)
механические свойства
крупнозернистая структура (КЗ)
ультрамелкозернистая структура (УМЗ)
спринклер
1. Забегаев В.И., Миронов Б.Н., Лощилина Л.Н. Спринклер // Патент РФ № 1839803. Патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МВД РФ. 2005. Бюл. № 21. 4 с.
2. Забегаев В.И., Миронов Б.Н., Дьяконов Ю.А. Спринклер // Патент РФ № 1839807. Патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МВД РФ. 2005. Бюл. № 21. 8 с.
3. Дорош И.В., Чуракова А.А., Мартынова О.Г., Ахметшин Р.И., Семашко М.А. Обоснование использования термочувствительного элемента TiNi в противопожарном оборудовании на примере спринклера с использованием графических моделей // Современные пожаробезопасные материалы и технологии: сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной 370-й годовщине образования пожарной охраны России (Иваново, 11 декабря 2019 г.). Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2019. С. 70–77.
4. Дорош И.В., Чуракова А.А., Ямалетдинова К.Ш., Мартынова О.Г., Ахметшин Р.И. Графическая интерпретация обоснования использования термочувствительного элемента TiNi в противопожарном оборудовании на примере спринклера // Наукоемкие технологии в решении проблем нефтегазового комплекса: материалы IX Международной молодежной научной конференции (г. Уфа, 14–15 ноября 2019 г.) / отв. редактор К.Ш. Ямалетдинова. Уфа: РИЦ БашГУ, 2019. С. 179–187.
5. Молодцов Г.А., Биткин В.Е., Симонов В.Ф., Урмансов Ф.Ф. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 2000. 352 с.
6. Бондарев А.Б., Хусаинов М.А., Андреев В.А. Технологические особенности производства тонкомерной проволоки из сплавов Ti-Ni с эффектом памяти формы // Фазовые превращения и прочность кристаллов: сборник тезисов VII Международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения академика Г.В. Курдюмова. 2012. С. 148–149.
7. Хусаинов М.А., Бондарев А.Б., Летенков О.В., Андреев В.А. Формирование многократно-обратимой памяти формы в наноструктурированном никелиде титана // Фазовые превращения и прочность кристаллов: сборник тезисов VII Международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения академика Г.В. Курдюмова. 2012. С. 148.
8. Бондарев А.Б., Хусаинов М.А. Технологическая схема и особенности производства тонкомерной проволоки из сплавов Ti-Ni с эффектом памяти формы // Вестник Новгородского гос. университета им. Ярослава Мудрого. 2012. № 68. С. 119–121.
9. Бондарев А.Б., Хусаинов М.А., Андреев В.А.Влияние степени обжатия на функциональные свойства и фазовый состав сплавов Ti-Ni с памятью формы // Производство проката. 2012. № 1. С. 9–13.
10. Чуракова А.А. Дорош И.В. Сравнение процесса старения в крупнозернистом и ультрамелкозернистом сплаве TiNi с предварительным термоциклированием // Физическое материаловедение: IX Международная школа с элементами научной школы для молодежи (Тольятти, 9–13 сентября 2019 года); Актуальные проблемы прочности: LXI Международная конференция, посвященная 90-летию профессора М.А. Криштала (Тольятти, 9–13 сентября 2019 года): сборник материалов / ответственный редактор Д.Л. Мерсон. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2019. 254 с.

Современное противопожарное оборудование предполагает быстрое реагирование на возникновение локальной пожароопасной ситуации с целью дальнейшей ее ликвидации.

К устройствам быстрого реагирования относятся такие средства автоматического пожаротушения, как спринклеры, выбор термочувствительного элемента которого явилось целью исследования, положенного в основу данной работы.

Выбор термочувствительного элемента спринклера в свою очередь основан на правильном подборе его материала, обладающего ЭПФ, и к которому предъявляются требования по величине относительного удлинения и предела текучести. Названные характеристики напрямую влияют на быстродействие спринклера.

Цель исследования: исследование влияния термоциклических нагрузок на поведение сплава TiNi на основе ЭПФ в условиях агрессивной среды.

Материалы и методы исследования

Недостатком известных моделей спринклеров является низкое быстродействие. В патенте [1; 2] был предложен спринклер, который отвечал бы большим быстродействием. Конструкция такого спринклера представлена на рис. 1.

Однако материал термочувствительного элемента спринклера, предложенный в данном патенте, не был подтвержден экспериментами, которые бы предоставляли необходимые значения параметров предела текучести и относительного удлинения при различных режимах термообработки, непосредственно влияющих на быстродействие.

Общеизвестно, что ЭПФ представляет собой восстановление формы термочувствительного элемента, которую ему придали при температуре фазового превращения, если этот элемент будет нагрет [3].

На конец ХХ века ЭПФ был обнаружен более чем у 20 сплавов, например в следующих системах: TiNi, AuCd, CuZnAl, CuAlNi и др. [4; 5]. Из представленного списка ни одна система не обладает лучшей, чем TiNi, характеристикой относительного удлинения, удлинения при разрыве. Для примера сравним механические и физические характеристики систем: TiNi (приведенной в патенте) и произвольно выбранной из списка системы CuZnAl (табл. 1, рис. 2).

doroh1.tif

Рис. 1. Конструкция спринклера

Таблица 1

Сравнение механических и физических характеристик систем TiNi и CuZnAl

№ п/п

Показатели

Система

TiNi

CuZnAl

I

Температура плавления t, °С

1300

1020

II

Плотность, г/см3

6,5

8

III

Теплопроводность при 20 °С

18

120

IV

Предел прочности, МПа

1100

800

V

Удлинение при разрыве, %

50

15

VI

Предел текучести, МПа

800

350

VII

Модуль Юнга, ГПа

80

100

VIII

Усталостная прочность, МПа

350

270

IX

Размер зерна, мкм

100

150

 

doroh2.tif

Рис. 2. Диаграмма сравнения механических и физических характеристик ЭПФ материалов

Из табл. 1 и рис. 2 видно, что предел текучести и относительное удлинение, удлинение при разрыве системы TiNi выше, чем у системы CuZnAl, что можно объяснить уникальной кристаллической решеткой [6–8].

Выбор системы TiNi лег в основу проведения эксперимента, который воспроизводил условия термоциклических нагрузок, что являлось необходимым для понимания: насколько в процессе нагрузок способна удлиняться проволока нитинола, а также насколько может повышаться предел текучести, т.к. именно эти свойства влияют на такой важный фактор, как быстродействие спринклера [9–10].

Для имитации реальных условий эксплуатации в качестве материала для исследования был выбран интерметаллид системы TiNi: застехиометрический сплав Ti49Ni51 – производства ЗАО «Промышленный центр МАТЭКС» (Россия), основная фаза которого – аустенитная, имеющая В2 кристаллическую решетку и фазу, обогащенную никелем Ti2Ni3.

Термоциклирование образцов в различных исходных состояниях осуществлялось путем последовательного погружения образцов в жидкий азот (–196 °С), с последующим нагревом до температуры 140 °С, что заведомо может быть как ниже, так и выше температур: Mн – прямого и Aк – обратного мартенситного превращения. Нагрев образцов проводился на лабораторной электрической плитке. Число термоциклов «нагрев – охлаждение» n составило от 0 до 100 (n = 20, n = 100). Толщина образцов, подвергнутых ТЦ, в сечении была менее 1 мм, что обеспечивало их быстрый прогрев и охлаждение. Время выдержки составило t = 8 мин. для обеспечения полного нагрева/охлаждения образцов [10].

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты механических испытаний образцов [10] до ТЦ приведены в табл. 2 и на рис. 3, 4. При этом рассматривались два состояния сплава TiNi: крупнозернистое (КЗ) и ультрамелкозернистое (УМЗ).

Представим данные табл. 2 как графики зависимостей состояний (структуры) сплава и пределов текучести от режимов термообработки до ТЦ [10].

Диаграммы, представленные на рис. 3, позволяют сделать вывод о том, что при любом режиме термообработки состояние УМЗ позволяет получить прирост предела текучести по сравнению с состоянием КЗ.

Графики зависимостей состояний сплава и относительных удлинений от режимов термообработки представлены на рис. 4 [10].

По рис. 4 можно сделать вывод, что в УМЗ- и КЗ-состоянии относительное удлинение практически неизменно и составляет в обоих случаях 33–35 %.

Таблица 2

Результаты механических испытаний образцов сплава TiNi при различных состояниях [10]

Результаты механических испытаний до термоциклирования

Состояние (структура) сплава

Режим термообработки, при t, °C

Предел текучести σт , МПа

Относительное удлинение δ, %

крупнозернистое (КЗ)

Закалка, 800

460 ± 20

33 ± 5

Отжиг, 250

570 ± 25

25 ± 5

Отжиг, 400

595 ± 20

24 ± 5

ультрамелко-зернистое (УМЗ)

Закалка, 800

960 ± 20

42 ± 5

Отжиг, 250

980 ± 20

35 ± 5

Отжиг, 400

1037 ± 20

36 ± 5

 

doroh3.tif

а) б)

Рис. 3. Графики зависимостей состояний (структуры) сплава и пределов текучести образцов от режимов термообработки: а) КЗ до ТЦ; б) УМЗ до ТЦ

doroh4.tif

а) б)

Рис. 4. Графики зависимостей состояний сплава и относительных удлинений образцов от режимов термообработки: а) КЗ до ТЦ; б) УМЗ до ТЦ

Результаты механических испытаний образцов после ТЦ приведены в табл. 3 и на рис. 5, 6. При этом рассматривались два состояния сплава TiNi: крупнозернистое (КЗ) и ультрамелкозернистое (УМЗ).

Представим данные табл. 3 как графики зависимостей состояний сплава и пределов текучести от режимов термообработки после ТЦ [10].

Диаграммы, представленные на рис. 5, позволяют сделать вывод о том, что состояние УМЗ по сравнению с состоянием КЗ не для всех режимов ТО позволяет получить прирост предела текучести. Это происходит по причине перенасыщения дислокаций.

Графики зависимостей состояний сплава и относительного удлинения от режимов термообработки представлены на рис. 6.

По рис. 6 можно сделать вывод, что в ультрамелкозернистом и крупнозернистом состояниях относительное удлинение после термоциклирования практически неизменно.

Выводы

Результаты исследования показывают, что в состояниях крупнозернистом и ультрамелкозернистом после термоциклирования наблюдается существенный прирост предела текучести, однако удлинение составляет всего 20 %. Вполне возможно, что для повышения относительного удлинения необходимо провести большее количество циклов. С ростом предела текучести может возрасти быстродействие спринклера из-за его способности находиться в напряженном состоянии и противостоять стационарным или динамическим термоциклическим нагрузкам, в том числе и в агрессивной среде [10].

Таблица 3

Результаты механических испытаний образцов сплава TiNi при различных состояниях [10]

Результаты механических испытаний после термоциклирования

 

Число термоциклов (n) + режим термообработки, при t, °C

Предел текучести σт , МПа

Относительное удлинение δ, %

КЗ + ТЦ

n = 20

665 ± 20

18 ± 5

n = 100

635 ± 20

20 ± 5

 

20 + отжиг, 250

660 ± 20

20 ± 5

100 + отжиг, 250

670 ± 20

24 ± 5

20 + отжиг, 400

690 ± 20

20 ± 5

100 + отжиг, 400

570 ± 20

18 ± 5

УМЗ + ТЦ

n = 20

950 ± 20

20 ± 5

n = 100

1170 ± 20

20 ± 5

20 + отжиг, 250

1036 ± 20

22 ± 5

100 + отжиг, 250

1160 ± 25

24 ± 5

20 + отжиг, 400

1040 ± 25

20 ± 5

100 + отжиг, 400

1165 ± 25

20 ± 5

 

doroh5.tif

а) б)

Рис. 5. Графики зависимостей состояний сплава и пределов текучести от режимов термообработки: а) КЗ с ТЦ; б) УМЗ с ТЦ

doroh6.tif

а) б)

Рис. 6. Графики зависимостей состояний сплава и относительного удлинения от режимов термообработки: а) КЗ с ТЦ; б) УМЗ с ТЦ

Результатом экспериментов, проведенных в рамках исследования [10], явилось подтверждение выбора материала термочувствительного элемента спринклера, напрямую влияющего на показатель быстродействия, что проявляется в существенном приросте предела текучести в условиях агрессивной среды. Тем не менее удлинение составляет всего 20 %, что может быть объяснено тем, что происходит большое скопление дислокаций.

Несмотря на то что производство сплава TiNi является весьма дорогостоящим, экономический эффект может быть достигнут за счет того, что отпадает необходимость замены пластины из никелида титана после каждого срабатывания спринклера ввиду возврата пластины в исходное состояние за счет ЭПФ.

Работа выполнена на базе Института физики молекул и кристаллов Уфимского федерального исследовательского центра РАН при поддержке Гранта Республики Башкортостан Российской Федерации для молодых ученых (№ 28 ГР от 07.03.2019).


Библиографическая ссылка

Дорош И.В., Чуракова А.А., Ямалетдинова К.Ш., Мартынова О.Г., Ахметшин Р.И., Рахманова С.Т., Попова Е.Е., Куранина А.А., Семашко М.А., Нафикова Э.В., Исмагилов А.А. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРОТИВОПОЖАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ ГРАФИЧЕСКОГО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА НА ПРИМЕРЕ СПРИНКЛЕРА // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 4-1. – С. 13-18;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37968 (дата обращения: 25.11.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074