Термокинетическая ЭДС при обратном фазовом переходе в никелиде титана как способ записи информации

The external factors that influence on the thermokinetic EMF value in the Ti – 50 at.% Ni samples were determined. A method for setting thermokinetic EMF in certain sections of the TiNi wire was developed. The thermokinetic EMF value was measured directly using a digital millivoltmeter MNIPI V7-72. The sections of the Ti – 50 at.% Ni wire samples were subjected to tensile tests on a tensile machine IP 5158-5. On the basis of calorimetric studies, the kinetics of martensitic transformations was investigated. It was found that the direct phase transition affects the thermokinetic EMF value of the Ti – 50 at.% Ni during thermal cycling. Thermal cycling in the temperature range of the complete martensitic transformation causes the thermokinetic EMF value reduction by 0.16 mV by the 15th temperature cycle. The degradation of the thermokinetic EMF value by 0.04 mV took place during thermal cycling in the temperature range of the incomplete martensitic transformation by the 70th thermal cycle. The thermokinetic EMF value was restored to 0.22 mV with increasing temperature to 240 °С, as in the case of annealing at temperatures of 400÷800 °С. The thermokinetic EMF value is associated with a change in physical and mechanical properties of the alloy during thermal cycling. It is characterized by a change in stages of the phase transition and a shift of the characteristic temperatures. On the basis of the obtained experimental data, a method was proposed for a purposeful setting of extended TiNi wire sections with the thermokinetic EMF value from 0 to 0.6 mV, using different methods of influence on its value (thermal cycling, deformation, temperature change in heating zone). The proposed technical solution can be used as a method for information recording.Установлены закономерности влияния внешних факторов на термокинетическую ЭДС в образцах Ti – 50 ат.% Ni, а также разработан способ задания термокинетической ЭДС на определенных участках TiNi-проволоки. Термокинетическую ЭДС измеряли прямым способом с помощью цифрового милливольтметра МНИПИ В7-72. Деформирование участков проволочных образцов Ti – 50 ат.% Ni осуществляли на испытательной машине ИП 5158-5. На основании результатов калориметрических исследований исследовали кинетику мартенситных превращений. Установлено, что на величину термокинетической ЭДС Ti – 50 ат.% Ni при термоциклировании влияет степень прямого фазового перехода. Термоциклирование в интервале температур полного мартенситного превращения к 15-му термоциклу стабилизирует значения термокинетической ЭДС на 0,16 мВ. Тогда как термоциклирование в интервале температур неполного мартенситного превращения приводит к вырождению термокинетической ЭДС: к 70-му термоциклу она составляет 0,04 мВ. Увеличение температуры в зоне нагрева до 240 °С позволяет восстановить значение термокинетической ЭДС до 0,22 мВ, как и для случая отжига при температурах 400÷800 °С. Величина термокинетической ЭДС при термоциклировании связана с изменением физико-механических свойств сплава и характеризуется изменением стадийности и смещением характеристических температур фазового перехода. На основе полученных экспериментальных данных предложен способ целенаправленного задания протяженных участков TiNi-проволоки со значением термокинетической ЭДС от 0 до 0,6 мВ, используя различные способы воздействия (термоциклирование, деформирование, изменение температуры в зоне нагрева) на ее величину. Предлагаемое техническое решение может быть использовано в качестве способа записи информации

ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКАЯ ЭДС В СПЛАВАХ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ ПРИ ТЕРМОУПРУГИХ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

It is known that thermokinetic EMF occurs in homogeneous materials when the heating zone moves along a conductor. The obligatory occurrence of this kind of EMF is associated with phase transformations that proceed in a local heat-affected zone, for example, iron undergoes an allotropic transformation at 700–800 °C. It is natural to assume that this phenomenon can be observed in shape memory alloys under thermoelastic phase transformation that takes place at much lower temperatures. The studies presented here showed that the thermokinetic EMF appearance in titanium nickelide alloys is possible during the movement both of the heating zone (reverse phase transformation) and of the cooling zone (direct phase transformation). The physical justification for the EMF appearance is provided, according to which thermokinetic EMF is initiated as a result of a potential difference between the areas of direct and reverse phase transformations that occur due to the temperature influence along the TiNi wire sample. The paper also considers the thermokinetic EMF appearance in an amorphous–crystalline thin ribbon of Ti50Ni25Cu25 when a high-temperature local heating zone moves along it. This phenomenon is associated with the process of crystallization of material, i. e., amorphous to a crystalline state transition. Thermokinetic EMF also occurs when the interface between the amorphous and crystalline phases is heated locally. In this case, the thermokinetic EMF appearance is associated with a potential difference between the regions and similar to thermokinetic EMF occurring in the thermocouple. Studies on the thermokinetic EMF appearance due to the temperature effect on shape memory alloys during thermoelastic phase transformations allows one to more fully understand the thermokinetic EMF phenomenon. The results can find practical application in non-destructive testing of physical-mechanical properties of these alloys and as energy sources.Известно, что термокинетическая ЭДС возникает в однородных материалах при движении зоны температурного воздействия вдоль проводника, при этом обязательным условием возникновения такого рода ЭДС является реализация фазового превращения в локальной зоне температурного воздействия. Например, в случае аллотропных фазовых превращений в железе при температуре 700–800 °С. Естественно предположить, что такое явление может наблюдаться и в сплавах с эффектом памяти формы при термоупругом фазовом превращении, протекающем при значительно более низких температурах. Исследования, приведенные в данной работе, показали, что наведение термокинетической ЭДС в сплавах никелида титана возможно как при перемещении зоны нагрева (в результате обратного фазового превращения), так и при перемещении зоны охлаждения (в результате прямого фазового превращения) вдоль TiNi сплава. Также предложено физическое обоснование возникновения ЭДС, согласно которому термокинетическая ЭДС инициируется в результате возникновения разности потенциалов на участках с прямым и обратным фазовым превращениями, возникающими при движении зоны температурного воздействия вдоль TiNi сплава. Рассмотрено возникновение термо-ЭДС в тонкой аморфно-кристаллической ленте Ti50Ni25Cu25 при перемещении вдоль нее высокотемпературной локальной зоны нагрева. Данное явление связано с процессом кристаллизации материала, т. е. переходом из аморфного состояния в кристаллическое. Термо-ЭДС возникает и при локальном нагреве границы раздела аморфной и кристаллической фаз. В этом случае проявление термо-ЭДС связывается с существованием областей с различными потенциалами и подобно термо-ЭДС, возникающей в термопаре. Исследования явления возникновения термо-ЭДС, несомненно, позволяют более полно понять процессы, происходящие при тепловом воздействии на сплавы с памятью формы при термоупругих фазовых превращениях, и могут найти практическое применение при неразрушающем контроле физико-механических свойств этих сплавов и в качестве источников электроэнергии

Model of pulsating current traction motor taking into consideration magnetic losses in steel

The aim of the work is to develop a mathematical model of the traction motor of the pulsating current of an electric locomotive taking into account the magnetic losses in the motor steel to determine the starting parameters depending on the voltage of the armature winding. Methodology. Mathematical modeling of electromagnetic processes in a traction motor of pulsating current is applied taking into account the nonlinear nature of the armature inductance, the inductance of the excitation winding and the nonlinear nature of the universal magnetic characteristic. The magnetic losses in the steel of the traction motor were taken into account by establishing the dependence of these losses on the frequency of reversal, the magnetic flux in the magnetic circuit of the motor and the geometric dimensions of the motor. Results. The mathematical model of calculation of starting parameters of the traction engine of the pulsating current of the traction drive of the electric locomotive of alternating current taking into account the equation of instantaneous value of losses in engine steel is developed. The dynamic characteristics of the traction motor with pulsating current are obtained. It allows to investigate starting parameters of the traction engine on the basis of the received mathematical model and to design elements of the traction drive of the electric locomotive according to the specification, to choose optimum design parameters. Originality. For the first time a comprehensive study of the pulsating current traction motor was carried out taking into account the nonlinear nature of the armature inductance, excitation winding inductance and nonlinear nature of the universal magnetic characteristic and taking into account the magnetic losses in the motor steel. Practical significance. The model of the traction motor of pulsating current taking into account losses in steel of the engine on the basis of the carried-out calculation is developed. Experimental studies have confirmed the adequacy of the model, which allows to apply the obtained model to develop a mathematical model of an AC electric locomotive to study the electrodynamic processes in it at different modes of operation of the electric locomotive.Запропоновано підхід до імітаційного моделювання тягових електродвигунів пульсуючого струму, заснований на врахуванні нелінійного характеру магнітної характеристики, індуктивностей якоря та обмотки збудження. Розроблено модель магнітних втрат у магнітопроводі якоря електродвигуна та досліджено їх вплив на характер електромагнітних процесів у електродвигуні. Показано, що отримані при цьому рішення узгоджуються з отриманими раніше результатами, але відкриваються додаткові можливості при дослідженні роботи двигуна в складі тягового електроприводу електровозу однофазно-постійного струму

Влияние ультразвука на физико-механические свойства проволоки при равноканальном угловом протягивании

The structure of ultrafine-grained materials obtained by deformation methods under the influence of ultrasonic vibrations is investigated; new methods of intense plastic deformation have been developed with the imposition of ultrasonic vibrations, allowing the formation of an ultrafine-grained structure in extended materials; optimal modes of plastic deformation and heat treatment were determined, allowing one to achieve the highest thermal stability and ductility in combination with high strength of materials. The designs of ultrasonic oscillatory systems for obtaining extended bulk nanostructured materials were developed, and a technological scheme of producing an ultrafine-grained wire using ultrasonic processing with equal-channel angular broaching was tested. It is shown that this process of deformation processing is industrially applicable, and can be combined into a single technological cycle with wire drawing. The results can be used in engineering, instrument making and cable industry.Исследована структура ультрамелкозернистых материалов, полученных деформационными способами при воздействии ультразвуковых колебаний; предложены новые способы и устройства интенсивной пластической деформации с наложением ультразвуковых колебаний, позволяющие формировать ультрамелкозернистую структуру в протяженных материалах; определены оптимальные режимы пластической деформации и термообработки, позволяющие достичь наиболее высокой термостабильности и пластичности в сочетании с высокой прочностью материалов. Разработаны конструкции ультразвуковых колебательных систем для получения протяженных объемных наноструктурированных материалов, и опробована технологическая схема получения ультрамелкозернистой проволоки с использованием ультразвуковой обработки при равноканальном угловом протягивании. Показано, что данный процесс деформационной обработки может быть совмещен в единый технологический цикл с волочением проволоки. Применим в машиностроении, приборостроении и кабельной промышленности

Влияние термообработки на величину термокинетической ЭДС при обратном фазовом переходе в никелиде титана

The effect of duration and annealing temperature in the range of 400–800 °C on the thermokinetic EMF value in titanium nickelide, the composition of which is close to the equi-atomic one, at a reverse phase transition was investigated. Thermokinetic EMF was measured directly using a digital millivoltmeter MNIPI V7-72. The phase and elemental composition of the alloy and the kinetics of thermoelastic phase transformations have been checked by X-ray diffraction and calorimetric studies, and X-ray microanalysis. Annealing at temperatures of 500 and 800 °C leads to an increase in the thermokinetic EMF value from 0.22 to 0.25 mV. Removal of the oxide layer from the sample surface annealed at 700 °C for 0.5 h leads to an increase in the thermokinetic EMF value from 0.22 to 0.26 mV for the 1-st thermal cycle. It was found that thermal cycling causes a decrease in the thermokinetic EMF values down to 0.98 mV for the 20th thermal cycle for the samples without an oxide layer and to 0.3 mV for the samples with an oxide layer, respectively. With the increase in annealing time up to 20 h at 700 °C, the decrease in the thermokinetic emf value to 0.16 mV was observed. The thermokinetic EMF value after heat treatment is associated with changes in the physical and mechanical properties of the alloy and characterized by a shift of the characteristic temperatures of the phase transition. The research results are important for understanding the physics of thermoelectric phenomena in shape memory alloys during nonstationary heating and can be used both to control the homogeneity of their physical and mechanical properties and to design smart actuators and sensors, mechanisms of control systems.Определена зависимость термокинетической ЭДС при обратном фазовом переходе в никелиде титана состава, близкого к эквиатомному, от продолжительности и температуры отжига в интервале 400÷800 °С. Термокинетическую ЭДС измеряли прямым способом с помощью цифрового милливольтметра МНИПИ В7-72. Анализ фазового, элементного состава сплава и кинетику термоупругих фазовых превращений проводили на основании результатов рентгеноструктурных и калориметрических исследований, микрорентгеноспектрального анализа. Установлено, что отжиг при температуре 500 и 800 °С приводит к росту термокинетической ЭДС от 0,22 до 0,25 мВ. Удаление оксидного слоя с поверхности образца после отжига при 700 °С в течение 0,5 ч приводит к росту величины термокинетической ЭДС в первом термоцикле от 0,22 до 0,26 мВ. Термоциклирование образцов без оксидного слоя вызывает уменьшение термокинетической ЭДС за 20 термоциклов до 0,98 мВ, а при наличии оксидного слоя – до 0,3мВ. Увеличение времени отжига при 700 °С до 20 ч приводит к снижению термокинетической ЭДС до 0,16 мВ. Величина термокинетической ЭДС после термообработки связана с изменением физико-механических свойств сплава и характеризуется смещением характеристических температур фазового перехода. Результаты исследований важны для понимания физики протекания термоэлектрических явлений в сплавах с эффектом памяти формы при нестационарном нагреве и могут быть использованы как для контроля однородности их физико-механических свойств, так и при проектировании исполнительных элементов, интеллектуальных датчиков и механизмов систем управления

Моделирование деформационного поведения TiNi-сплава с TiN-покрытиями для медицинского применения

The deformation behavior of the titanium nickelide alloy Ti–55.84 wt. % Ni (TiNi) with titanium nitride (TiN) coatings obtained by arc-PVD has been simulated. Differential scanning calorimetry and three-point bending test were used to study the parameters of martensitic transformations and the deformation behavior of this alloy. The values of the characteristic temperatures for the TiNi alloy that can be used in medical applications were substantiated. The elastic-force characteristics of the alloy related to the properties in the superelastic state were considered. The dependiences of the change in the phase yield strength, the stress of the unloading plateau, and the residual deformation of the TiNi samples with TiN coatings on the ambient temperature range between 6 to 37 °C were determined. Based on these dependencies, a deformation curve was obtained that can predict the mechanical behavior of a TiNi product, for example, a stent, before and during its implantation into a human body. TiNi-based shape memory alloys are widely used in various branches of medicine; therefore, the development of technological methods for manufacturing products from TiNi with high corrosion resistance is promising.Выполнено моделирование деформационного поведения сплава никелида титана Ti–55,84 мас.% Ni (TiNi) с покрытиями из нитрида титана (TiN), полученными вакуумно-дуговым осаждением. С использованием методов дифференциальной сканирующей калориметрии и трехточечного изгиба исследованы параметры мартенситных превращений и деформационное поведение данного сплава. Обоснованы значения характеристических температур TiNi для его использования в качестве материала медицинского назначения. Рассмотрены упруго-силовые характеристики сплава, связанные с проявлением свойств в сверхэластичном состоянии. Установлены зависимости изменения фазового предела текучести, напряжения разгрузочного плато и остаточной деформации образцов TiNi с TiN-покрытиями от температуры окружающей среды в диапазоне от 6 до 37 °С. На основе данных зависимостей получена деформационная кривая, позволяющая прогнозировать механическое поведение изделия из никелида титана, например, стента до и во время его имплантации в организм человека. Сплавы с памятью формы на основе TiNi широко применяются в различных отраслях медицины, в связи с этим перспективны разработки технологических приемов изготовления изделий из TiNi с высокими показателями коррозионной стойкости

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОЕМКОСТНОГО ЗЕРКАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

The paper cites a capacitance calculation of multi-sectional reflection symmetric superimposed instrument capacitor filled with anisotropic layer medium. Integral equations for capacitor electrodes and algorithm for their numerical solution are given in the paper. The paper contains checking an adequacy of the model to real structures. Приводится расчет емкости многосекционного зеркально-симметричного накладного измерительного конденсатора, заполненного анизотропной слоистой средой. Приведены интегральные уравнения для электродов конденсатора и алгоритм их численного решения. Проверена адекватность модели реальным конструкциям.

ДВУХПАРАМЕТРОВЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

It is considered two parameter the sensors of level of a liquid. The sensors contains three cylindrical electrodes of unequal length. The potential of an average electrode varies. For the control of dielectric properties of a liquid the length of an internal electrode differs from length of two external electrodes. For numerical 3D sensors modelling the method of the integrated equations and mirror displays is used. The program of numerical calculation is realised in MAPLE. Check on adequacy of model to real designs is checked up.Предложен двухпараметровый датчик уровня жидкости, состоящий из трех цилиндрических электродов разной длины с варьируемым потенциалом среднего электрода. Методом интегральных уравнений проведено численное 3D-моделирование конструкции датчика. Программа численного расчета реализована в MAPLE. Проведена проверка на адекватность модели реальным конструкциям датчиков. Экспериментально и теоретически показаны преимущества разработанного датчика, позволяющего в отличие от широко используемых однопараметровых датчиков одновременно измерять диэлектрические свойства жидкости и ее уровень без дополнительной калибровки

Задание функциональных свойств TiNi сплавам в процессе ионно-плазменного осаждения покрытий

The aim of the present work is to study the influence of the technological parameters of the ion-plasma treatment (IPT) on the functional properties of a TiNi shape memory alloy and its biocompatibility. The object of the study was the Ti–50.8 at. % Ni alloy, widely applied in medical devices. IPT was carried out by vacuum-arc evaporation of a titanium cathode at different values of the bias potential (0, –100, and –500 V), followed by TiN deposition. The functional properties of the TiNi alloy after IPT were investigated using differential scanning calorimetry. The biocompatible properties were evaluated using atomic emission spectrometry to measure a nickel concentration after one year holding TiN-coated TiNi samples in the 0.9 % NaCl solution. It has been determined that by setting the temperature regime of heating of Ti–50.8 at. % Ni alloy samples due to the technological parameters of the IPT process, it is possible to change the interval of realization of thermoelastic martensitic transformations, and, consequently, the temperature response of devices made of this alloy, i. e. to set the necessary functional properties. The comparative analysis of the characteristic temperatures after heat and ion-plasma treatments allow us to conclude that the proposed method for calculation of the TiNi substrate temperature is correct at IPT. The calculated temperature of the TiNi samples was ~275 °C at the zero potential, which is sufficient to shift the characteristic temperatures of the alloy. The substrate temperature during deposition was ~400 °C at a – 100 V bias and above 600 °C at a – 500 V bias, respectively. The Ni concentration in the model solution did not exceed 0.14 mg/l after one year holding, which indicates the high biocompatibility of the TiN-coated TiNi samples.Работа посвящена исследованию влияния технологических параметров процесса ионно-плазменной обработки (ИПО) на функциональные свойства TiNi сплава с эффектом памяти формы и его биосовместимость. В качестве объекта исследования выбран сплав Ti–50,8 ат. % Ni, широко применяемый в медицинских изделиях и устройствах. Ионно-плазменную обработку осуществляли путем вакуумно-дугового испарения катода из титана при значениях потенциала смещения 0, –100 и –500 В с последующим осаждением защитно-декоративного TiN покрытия. Контрольную группу образцов подвергали термообработке при температурах 200–700 °С в течение 20 мин. Функциональные свойства TiNi сплава после ИПО исследовали методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Биосовместимые свойства оценивали методом атомно-эмиссионной спектрометрии, измеряя количество никеля в 0,9 %-ном растворе NaCl после выдержки в нем TiNi образцов с TiN покрытием. Установлено, что задавая температурный режим нагрева образцов из сплава Ti–50,8 ат. % Ni за счет технологических параметров процесса ИПО, можно менять интервал реализации термоупругих мартенситных превращений, а следовательно, и температуру срабатывания устройств, изготавливаемых из этого сплава, т. е. задавать им необходимые функциональные свойства. Сопоставительный анализ характеристических температур после термической и ионно-плазменной обработок позволил сделать вывод о корректности предложенного метода расчета температуры TiNi подложки при ИПО. Расчетная температура образцов TiNi при нулевом потенциале составила ~275 °С, что достаточно для смещения характеристических температур сплава. Осаждение при потенциале –100 В обеспечило нагрев подложки до ~400 °С, при –500 В – свыше 600 °С. Концентрация Ni в модельном растворе после годовой выдержки не превышала 0,14 мг/л, что свидетельствует о высокой биосовместимости TiNi сплава с TiN покрытием

Функциональные свойства ортодонтических сверхэластичных дуг из никелида титана с защитными покрытиями нитрида титана

Today there are many manufacturers of orthodontic archwires composed of a nickel-titanium (TiNi) alloy with different elastic-force characteristics. A limited number of orthodontic archwires is available for initial tooth alignment, since reactive stresses do not always satisfy the condition 160 ≤ σc ≤ 200 MPa. The use of orthodontic archwires with polymer coatings having better aesthetics is increasing. However, they show excessive wear and color change during a long-term orthodontic treatment. The aim of this paper is to study and optimize the functional characteristics of superelastic archwires composed of Ti-50.8 аР % Ni alloy with TiN coatings deposited at varying deposition times. A three-point bending test was carried out to evaluate the functional properties. The distance between the supporters was 10 mm. The archwires were subjected to bending at a temperature of 23 ± 3 °C. Each test was continued until deformation of 1.5; 3; 4.5 and 6 % was reached. It has been found that titanium nitride coatings deposited on the Ti-50.8 at. % Ni surface alloy by the vacuum-plasma method act as the barrier layer to prevent the release of nickel ions into biological environment. Heat treatment (~400 °C) during deposition allows the required elastic-force characteristics and functional properties of the material to form. The optimal reactive stress (160-200 MPa) and the reverse martensitic transformation temperature occurred near room temperature can be obtained due to an appropriate selection of the deposition parameters. In the martensitic phase at room temperature, the archwire can be deformed. When the archwire sample is placed in oral cavity and heated to temperatures above 30 °C the material is in the superelastic state. Further research is needed in terms of coating stability during deformation when the material in superelastic state, as well as conducting corrosion testing, studying biocompatibility of archwire samples with titanium nitride coatings in order to successfully implement the proposed technology in dental practice. The prototypes of orthodontic TiNi archwires with protective and decorative TiN coatings will be obtained for medical application.Высокие коррозионная стойкость и биологическая совместимость наряду с другими уникальными свойствами сплавов на основе никелида титана (TiNi) обусловливают широкие возможности для их практического применения в медицине. Достаточно широко титан-никелевые сплавы используются в стоматологии, где из них изготавливают имплантаты (штифты, скобы и др.), эндодонтический инструментарий, а также ортодонтические устройства - сверхэластичные дуги для коррекции зубного ряда. Многообразие ортодонтических дуг из TiNi сплавов включает большое количество импортных торговых марок с широким диапазоном упруго-силовых характеристик. Однако далеко не все из них могут быть рекомендованы на начальных этапах коррекции из-за слишком высоких, потенциально травмоопасных, развиваемых усилий. Все большее применение находят ортодонтические дуги с полимерными покрытиями, имеющими эстетический внешний вид, однако для них характерны повышенный износ и потемнение цвета при длительной эксплуатации. Авторами разработан способ задания формы для ортодонтических дуг из TiNi сплава с одновременным нанесением биоинертного покрытия нитрида титана. В работе исследовались функциональные характеристики сверхэластичных дуг из сплава Ti-50,8 ат. % Ni с осажденными вакуумно-плазменным способом в течение различного времени TiN покрытиями. Установлено, что такие покрытия выступают в качестве барьерного слоя на поверхности изделий для предотвращения выхода никеля в окружающую среду, а термическое воздействие (~400 °С) при осаждении позволяет сформировать требуемый комплекс упруго-силовых характеристик и функциональных свойств в материале изделия. В частности, за счет подбора времени осаждения можно достичь оптимальных значений реактивных напряжений (160-200 МПа) и температуры окончания обратного мартенситного превращения, реализуемого вблизи комнатной температуры