Эффект памяти формы – это… Что такое Эффект памяти формы?

Введение Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира, это стойкость и надежность металлических изделий и конструкций стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим в…

Мартенситное превращение

Каждый металл и сплав имеет свою кристаллическую решетку, архитектура и размеры которой строго заданы. Но у многих металлов с изменением температуры, давления решетка не остается одной и той же: наступает момент, когда происходит ее перестройка. Такая смена типа кристаллической решетки — полиморфное превращение — может осуществляться двумя способами.

Для наглядности представим себе решетку в виде здания, сложенного из детских кубиков. Как теперь из этих же кубиков (атомов) построить здание другой архитектуры («произвести» полиморфное превращение)? Ответ очевиден: разобрать старое здание и сложить новое. Конечно, теперь каждый кубик может оказаться в любом месте нового здания, в окружении уже других соседей. Это понятно, ведь при перестройке путь любого кубика индивидуален — никак не связан с другими. Именно по такой схеме и происходит перестройка решетки, если подвижность атомов — диффузия — достаточно высока, чтобы обеспечить их перемещение на новые места. Это возможно, когда полиморфное превращение происходит при высокой температуре.

А как произойдет перестройка решетки в тех случаях, когда температура полиморфного превращения низка? С энергетических позиций решетка высокотемпературной модификации обязательно должна перестроиться, но диффузия атомов практически отсутствует, так как энергия их тепловых колебаний недостаточна для отрыва от соседей. Значит, должен существовать другой, бездиффузионный способ?

Действительно, такой способ был обнаружен при изучении одного из древнейших процессов термической обработки стали — закалки. В результате ее образуется фаза с новой кристаллической решеткой — мартенсит; соответственно способ перестройки решетки получил название мартенситного превращения.

В дальнейшем оказалось, что мартенситное превращение — это вообще один из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Он характерен не только для сталей, но и для чистых металлов, цветных сплавов, полупроводников, полимеров всегда, когда перестройка решетки вынуждена происходить в отсутствие диффузии.

Каковы же особенности перестройки решетки при таком, бездиффузионном способе превращения? Вернемся к нашей модели с кубиками. Теперь старое здание разобрать на кубики не удастся — диффузия отсутствует. Остается одна возможность: не отрывая кубики друг от друга (не разрушая межатомные связи), перемещать их целыми кооперативами, практически одновременно из старых положений в новые. Ясно, что такое коллективное, согласованное перемещение носит характер сдвига (поэтому мартенситное превращение называют иногда сдвиговым).

Кооперативный сдвиг атомов неизбежно приводит к изменению формы объема сплава. Изменение формы — это главная особенность мартенситного превращения.

Именно с ней связан эффект памяти сплавов. Но не следует думать, что любой сплав, претерпевающий мартенситное превращение, обладает памятью. Как станет ясно из дальнейшего, изменение формы при таком превращении — это условие необходимое, но еще недостаточное для проявления памяти.

В многолетней истории изучения мартенситных превращений можно выделить три ключевых события, которые оказали непосредственное влияние на формирование нового неумного направления, занимающегося изучением и применением эффекта памяти формы в сплавах.

Событие первое. В 1949 году в журнале «Доклады Академии наук СССР» появилась статья Г. В. Курдюмова и Л. Г. Хандроса «О термоупругом равновесии при мартенситных превращениях». Ее авторы в одном из медных сплавов обнаружили ранее неизвестную особенность мартенситного превращения.

Здесь придется обратиться к считавшейся классической картине мартенситного превращения. Свободная энергия рождающихся кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы. Именно это стимулирует развитие мартенситного перехода. Однако появляются и силы препятствующие. Прежде всего это повышение свободной энергии из-за возникновения границы раздела старой и новой фаз. Кроме того, растущие кристаллы мартенситной фазы вынуждены деформировать окружающую матрицу, которая, конечно, сопротивляется этому. В результате возникает упругая энергия, которая препятствует дальнейшему росту кристаллов. Накопление упругой энергии подобно пружине, сжимающейся по мере роста кристалла. Когда эта энергия превысит предел упругости, происходит как бы разрушение пружины, что вызывает интенсивную деформацию материала в окрестности границы раздела фаз. Рост кристалла прекращается. Этот процесс может происходить исключительно быстро, подобно взрыву, и тогда отдельные кристаллы мартенсита вырастают практически мгновенно до своих конечных размеров. В сталях мартенситное превращение происходит именно так.

Обратный переход мартенсита в аустенит (так называется высокотемпературная фаза стали, из которой он образовался) уже не может произойти по обратному «взрывному» механизму. Пружина была сломана, границы между фазами нарушены, и теперь обратная бездиффузионная, сдвиговая перестройка решетки затруднена. Нужен значительный перегрев сплава, чтобы в недрах мартенсита начали зарождаться и расти кристаллы аустенита. При этом их исходная форма, как правило, не восстанавливается (атомы не попадают на свои прежние места).

Особенность мартенситного превращения, которую наблюдали в медном сплаве, состояла в том, что при его охлаждении мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве постепенно исчезали. Если продолжить аналогию с пружиной, то можно сказать, что в данном случае она успевает остановить рост кристалла прежде, чем сама разрушится. Кристалл мартенсита оказывается как бы подпружиненным, что и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой: при охлаждении граница смещается в одну сторону, при нагреве — в обратную.

Вскоре авторы обнаружили также, что граница между фазами ведет себя аналогично, если охлаждение и нагрев заменить соответственно приложением и снятием нагрузки.

Новое явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле.

Термоупругое мартенситное превращение также сопровождается изменением формы, но в данном случае это изменение носит (что очень существенно) обратимый характер: исходная форма кристаллов аустенита восстанавливается. И, как стало ясно в дальнейшем, именно такое превращение в основном и обеспечивает память металлов.

Событие второе. В 1958 году на Всемирной выставке в Брюсселе внимание посетителей привлекало устройство американских ученых Т. Рида и Д. Либермана. Основной его частью был тонкий (диаметром 3 мм) длинный (100 мм) стержень из золото-кадмиевого сплава (66% золота). Одним концом он был жестко закреплен в стойке и находился в горизонтальном положении. На свободный конец стержня подвешивали груз (около 50 г), под тяжестью которого стержень изгибался. Поведение стержня было необычным. Когда от нагревателя к стержню подводили тепло, он выпрямлялся и поднимал груз, но стоило вентилятору охладить стержень, как он снова изгибался и т. д. Это была действующая модель теплового двигателя, у которого твердое рабочее тело из золото-кадмиевого сплава в результате охлаждения и нагрева обратимо меняло форму, что было прямым следствием термоупругого мартенситного превращения.

Так наглядно было продемонстрировано неизвестное ранее у металлов свойство памяти формы.

Событие третье. В начале 60-х годов в одной американской лаборатории в результате поисков материала, который был бы прочным, относительно легким и при этом мог бы работать в агрессивных средах, был создан сплав никеля с титаном (1 : 1).

В процессе обработки этот сплав неожиданно проявил свойство, о существовании которого исследователи даже и не подозревали: предварительно деформированный образец при нагреве вспоминал свою первоначальную форму.

Открытие в «рядовом» сплаве уникального свойства (которому именно тогда и дали название «эффект памяти») восприняли как сенсацию.

Эффект проявлялся настолько сильно, что буквально захватывало дух от перспектив его использования. С другой стороны, случайность сделанного открытия не позволила сразу дать правильное объяснение природы эффекта, и это, естественно, сдерживало его широкое практическое применение.

Новый материал нитинол (образован из слов НИкель, ТИтан и НОЛ — сокращенное название лаборатории, где он был получен) и его замечательное свойство памяти стали объектом интенсивного изучения. Но только через несколько лет стало ясно, что и в данном случае память сплава — следствие мартенситного превращения.

Под влиянием всех трех событий к концу шестидесятых годов сформировалась целая область физических исследований и технических применений эффекта памяти формы в сплавах.

Приветствую, дорогие друзья!

А знали ли вы, что металл способен запоминать первоначальное состояние. Если придать ему форму, а после изменить температуру окружающей среды, то металл вернется в первоначальное положение. Например: берем металлическую деталь или проволоку, сгибаем ее, после чего нагреваем. Видим, как металл приобретает первоначальную форму. Конечно же не все металлические сплавы обладают такими способностями, а только определенный ряд.

scale_1200

В данном эффекте участвуют два фактора – это марка сплава и температура мартенситных превращений. Марка сплава – это четкий химический состав сплава. Мартенситные превращения – это изменения состояния металла (формы) за счет нагревания или охлаждения.

Введение

Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира — это стойкость и надежность металлических изделий и конструкций, стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям.

Однако, казалось бы, вопреки здравому смыслу, существует ряд материалов, металлических сплавов, которые при нагреве, после предварительной деформации, демонстрируют явление возврата к первоначальной форме. То есть эти металлы, не являясь живыми существами, обладают особым свойством, позволяющим им проявлять своеобразную память.

Феномен

Рис. 1

Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление (см. рис 1). Что происходит?

  1. Есть металлическая проволока.
  2. Эту проволоку изгибают.
  3. Начинаем нагревать проволоку.
  4. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Как данный эффект происходит?

1) Когда мы сгибаем металл, внешний слой вытягивается, а внутренний сжимается (деформируем мартенситные пластины)

2) При нагреве у металла, мартенситные пластины проявляют термоупругие свойства. Возникает напряжение в металлическом теле, которое выравнивает деформированные слои, возвращая изначальную форму.

zen.yandex.ru

Не у всех сплавов мартенситные пластины обладают термоупругими свойствами. При охлаждении металл приобретает вторую форму. На этом все, благодарю за внимание! Подписывайтесь на мой канал! Я стараюсь для вас)

zen.yandex.ru

Сверхупругость

Другим явлением, тесно связанным с эффектом памяти формы, является сверхупругость — свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.

Сверхупругое поведение на порядок выше упругого.

Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.

Профессии сплавов с памятью

Среди всех известных материалов с памятью формы наиболее перспективен для техники нитинол. Именно его чаще всего используют в приборах и устройствах разного назначения. Этому способствует не только отличная его память, но и целый комплекс других полезных свойств: высокая коррозионная стойкость, значительная прочность, технологичность.

Сегодня уже четко обозначились области, где применение сплавов с памятью наиболее перспективно. Прежде всего это энергетика. С их помощью пытаются создать тепловые двигатели, использующие низкотемпературные источники тепла. В 1977 году в Киеве на международной конференции по мартенситным превращениям демонстрировался фильм о таких устройствах. Схема теплового двигателя предельно проста (напомним, что прототипом его было устройство, описанное в событии № 2). Рабочие элементы, выполненные из нитинола и насаженные по окружности колеса, попадая в холодную воду, принудительно деформируются,— например, плоские пластины изгибаются в полуокружности. Затем в горячей воде пластины выпрямляются и при этом совершают работу. Часть ее идет на деформацию рабочих элементов, находящихся в это время в холодной воде, а другая часть на привод колеса, которое, в свою очередь, вращает электрогенератор.

Пока существуют лишь модели таких двигателей. Но даже они показывают высокую эффективность превращения тепла в работу с помощью сплавов с памятью. При этом надо еще раз подчеркнуть, что для работы тепловых двигателей используется тепло, которое пока другими способами превратить в работу сложно и дорого, а часто и вообще невозможно. Такое тепло, как правило, сегодня «пропадает» (солнечная энергия, геотермальные источники и тепловые отходы электростанций и др.).

Естественно, что материалы с памятью формы эффективны и для обратного процесса: «перекачки» тепла, то есть в качестве рабочего тела для холодильников или тепловых насосов.

Другое применение сплавов с памятью — герметизация и соединение различных деталей. В частности, применяют втулки из нитинола для соединения трубопроводов. Из сплава делают втулку, внутренний диаметр которой чуть меньше наружного диаметра трубопровода, охлаждают ее и раздают по диаметру так, чтобы свободно надеть на концы трубопровода. Затем втулку нагревают, и она восстанавливает (вспоминает) свой первоначальный размер, плотно обжимает трубопровод и тем самым осуществляет герметичное соединение. О высокой надежности такого соединения свидетельствует, например, следующий факт. Более 100 тысяч втулок из нитинола было установлено на истребителях F-14 (США) — и ни единого случая разрушения соединений или поломки при эксплуатации.

С помощью нитинола герметизируют также корпуса радиотехнических приборов без применения сварки или пайки. Здесь плоскую крышку предварительно деформируют в полусферу и свободно устанавливают в корпусе прибора. При нагреве крышка возвращается к исходной плоской форме, при этом врезается в пазы корпуса, надежно изолируя прибор от внешней среды.

Сплавы с памятью находят применение и в качестве рабочих элементов различных термочувствительных, сигнальных и исполнительных устройств и механизмов.

Большой интерес для космической техники представляют саморазвертывающиеся устройства, например, антенны, сделанные из нитинола. Изделие, имеющее большие размеры, свертывают (деформируют) и в таком компактном виде транспортируют к месту назначения, где после нагрева оно восстанавливает свою форму.

Нитинол находит применение и в медицине. За рубежом, например, разрабатываются методы лечения сколиоза (деформации позвоночника) с помощью стержня из нитинола.

Оригинальные работы ведутся Сибирским физико-техническим институтом совместно с Читинским и Томским медицинскими институтами, Курганским научно-исследовательским институтом экспериментальной и клинической ортопедии и травматологии. Разработан ряд новых хирургических приспособлений для соединения и сращивания отломков костей, протезирования и пломбирования зубов. Исследуются также возможности применения нитинола для создания новых медицинских инструментов.

Этими примерами, конечно, не исчерпываются все области использования сплавов с памятью. Послужной список их профессий, несомненно, шире, – и он непрерывно растет.

Вызывать у сплава мартенситный переход и соответственно управлять обратимым изменением формы можно не только с помощью нагрева и охлаждения или нагрузки. Такую роль может играть электрическое или магнитное поле. Следовательно, в принципе возможно создание, например, сплавов с магнитоупругим мартенситным превращением. В таких материалах магнитное поле либо самостоятельно, либо в совокупности с температурой (или нагрузкой) должно стимулировать мартенситный переход и тем самым приводить к обратимому изменению формы, то есть к памяти формы.

Вообще-то сплавы, где магнитным полем можно вызвать мартенситный переход, известны. Однако мартенсит в них, как правило, не упругий, а следовательно, и без памяти. А в сплавах, где наблюдаются термоупругие переходы, они практически не чувствительны к изменению напряженности магнитного поля. Но несомненно, что материалы с магнитомеханической памятью должны существовать.

Остановимся еще на одном интересном направлении, которое связано с изучением сплавов с памятью.

Смена типа кристаллической решетки при мартенситном превращении, кроме обратимого изменения формы, должна, конечно, вызывать и изменения всех других свойств, которые определяются строением решетки. Очевидно, что наряду с необычным механическим поведением сплавы с памятью» должны отличаться и особым комплексом обратимо меняющихся физических свойств. Для управления ими достаточно незначительно изменить температуру или приложить небольшую внешнюю нагрузку. Ситуация уникальная. Теоретически все именно так. А практическая задача состоит в том, чтобы найти сплавы, где нужные свойства будут существенно меняться. Первые успехи в этом направлении уже есть. Так, экспериментально наблюдали, что при нагружении нитинола выше некоторой величины электрическое сопротивление его скачком увеличивается на десятки процентов.

Кандидат физико-математических наук В. Хачин.

Категория: Металлы и сплавы |Просмотров: 22596 | Теги: Память металлов| Рейтинг: 0.0/0

Всего комментариев: 0

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.

[

Регистрация

|

Вход

]

Материалы с эффектом памяти формы

Никелид титана

Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана.

Никелид титана — это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас.%Ni. Температура плавления 1240—1310˚C, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.

Другое название этого сплава, принятое за рубежом, — нитинол происходит от аббревиатуры NiTiNOL, где NOL — это сокращенное название Лаборатории морской артиллерии США, где этот материал был разработан в 1962 году.

Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма.

Никелид титана обладает:

  1. Превосходной коррозионной стойкостью.
  2. Высокой прочностью.
  3. Хорошими характеристиками формозапоминания. Высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила. Деформация до 8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа.
  4. Хорошая совместимость с живыми организмами.
  5. Высокая демпфирующая способность материала.

Недостатки:

  1. Из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве надо использовать вакуумное оборудование.
  2. Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием. (Оборотная сторона высокой прочности).
  3. Высокая цена. В конце XX века он стоил чуть дешевле серебра.

При современном уровне промышленного производства изделия из никелида титана (наряду со сплавами системы Cu-Zn-Al) нашли широкое практическое применение и рыночный сбыт. (См. далее «Применение материалов с памятью формы»).

Другие сплавы

На конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана эффект памяти формы обнаружен в системах:

  • Au-Cd. Разработан в 1951 году в Иллинойском университете, США. Один из пионеров материалов с памятью формы.
  • Cu-Zn-Al. Наряду с никелидом титана имеет практическое применение. Температуры мартенситных превращений в интервале от −170 до 100˚C.
    • Преимущества (по сравнению с никелидом титана):
      • Можно выплавлять в обычной атмосфере.
      • Легко обрабатывается резанием.
      • Цена — в пять раз дешевле.
    • Недостатки:
      • Хуже по характеристикам формозапоминания.
      • Хуже механические и коррозионные свойства.
      • При термообработке легко происходит укрупнение зерна, что приводит к снижению механических свойств.
      • Проблемы стабилизации зерна в порошковой металлургии.
  • Cu-Al-Ni. Разработан в университете города Осака, Япония. Температуры мартенситных превращения в интервале от 100 до 200˚C.
  • Fe-Mn-Si. Сплавы этой системы наиболее дешевые.
  • Fe-Ni
  • Cu-Al
  • Cu-Mn
  • Co-Ni
  • Ni-Al

и др.

Некоторые исследователи полагают, что эффект памяти формы принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситные превращения, в том числе и у таких чистых металлов как титан, цирконий и кобальт.

Применение сплавов с эффектом памяти формы в медицине

Стенты из материалов с эффектом формы

В медицинском материаловедении металлы с данными свойствами используются для изготовления таких технологических устройств, как:

  • шаговые двигатели для вытяжения костей, выпрямления позвоночника;
  • фильтры для кровезаменителей;
  • приспособления для фиксации переломов;
  • ортопедические аппараты;
  • зажимы для вен и артерий;
  • детали насосов для искусственного сердца или почки;
  • стенты и эндопротезы для имплантации в кровеносных сосудах;
  • ортодонтические дуги для коррекции зубного ряда.

Производство никелида титана

Плавка происходит в вакуумно-гарнисажной печи или в электродуговой печи с расходуемым электродом в защитной атмосфере (гелий или аргон). Шихтой в обоих случаях служит йодидный титан или титановая губка, спрессованная в брикеты, и никель марки Н-0 или Н-1.

Для получения равномерного химического состава по сечению и высоте слитка рекомендуется двойной или тройной переплав.

При выплавке в дуговой печи рекомендуется сила тока 1,2 кА, напряжение 40 V, давление гелия 53 МПа.

Оптимальный режим остывания слитков с целью предотвращения растрескивания — охлаждение с печью (не больше 10˚ в секунду).

Удаление поверхностных дефектов — обдирка наждачным кругом.

Для более полного выравнивая химического состава по объёму слитка проводят гомогенизацию при температуре 950—1000˚C в инертной атмосфере.

Недостатки и перспективы

Перспективы применения материалов с эффектом памяти формы

Несмотря на широкие возможности, сплавы с эффектом памяти формы имеют недостатки, которые ограничивают их широкое внедрение:

  • дорогостоящие компоненты химического состава;
  • сложная технология изготовления, необходимость использования вакуумного оборудования (чтобы избежать включения примесей азота и кислорода);
  • фазовая нестабильность;
  • низкая обрабатываемость металлов резанием;
  • трудности в точном моделировании поведения конструкций и изготовлении сплавов с заданными характеристиками;
  • старение, усталость и деградация сплавов.

Перспективным направлением в развитии этой области технологий является создание покрытий из металлов, обладающих эффектом памяти формы, а также изготовление таких сплавов на основе железа. Композитные структуры позволят объединить в одном техническом решении свойства двух и более материалов.

См. также

  • Термоусаживающиеся материалы
  • Наследственная механика
  • Эредитарность

Литература

  • Лихачев В. А., Кузьмин С. Л., Каменцева З. П. Эффект памяти формы. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1987.
  • Тихонов А. С., Герасимов А. П., Прохорова И. И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. — М.: Машиностроение, 1981. — 81 с.
  • Лихачев В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. -. — СПб.:: Наука, 1993. — 441 с. — ISBN 5-02-024754-6
  • Тихонов А. С., Герасимов А. П., Прохорова И. И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. — М.: Машиностроение, 1981. — 81 с.
  • В. Н. Хачин. Память формы. — М.: Знание, 1984. — 64 с. — («Знание», «Физика».).
  • Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М.: Металлургия, 1990. — 224 с.
  • С. В. Шишкин, Н. А. Махутов Расчёт и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. — Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. — 412 с. — ISBN 978-5-93972-596-5

Ссылки

  • Об эффекте памяти металла в Киножурнале «Хочу всё знать» на YouTube
  • Публикации, диссертации, патенты к теме ЭПФ
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...