Эффект памяти формы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск
 Эта статья или раздел нуждается в переработке.
Пожалуйста, улучшите её в соответствии с правилами написания статей.

Содержание

[править] 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, вопреки здравому смыслу есть 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.

[править] 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.

[править] Суть явления

Рис. 2

Почему так происходит? (См. рис. 2)

  1. В исходном состоянии в материале есть определенная структура. На рисунке она обозначена правильными квадратами.
  2. При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры — мартенситные пластины. Что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий (см. след. пункт).
  3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.
  4. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.

[править] Характеристики эффекта памяти формы

Рис. 3
Рис. 4

Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.

  1. Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом. (См. далее «Материалы с памятью формы»)
  2. Температурами мартенситных превращений.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют мартенситные превращения двух видов — прямое и обратное. Соответственно каждое из них проявляется в своем температурном интервале: МН и МК — начало и конец прямого мартенситного превращения при деформации, АН и АК — начало и конец обратного мартенситного превращения при нагреве.

Температуры мартенситных превращений являются функцией как марки сплава (системы сплава), так и его химического состава. Небольшие изменения химического состава сплава (намеренные или как результат брака) ведут к сдвигу этих температур (см. рис. 4).

Отсюда следует необходимость строгой выдержки химического состава сплава для однозначного функционального проявления эффекта памяти формы. Что переводит металлургическое производство в сферу высоких технологий.

Эффект памяти формы проявляется несколько миллионов циклов.

Предварительными термообработками можно усиливать эффект памяти формы.

Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда материал при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.

Чем выше температуры обратного мартенситного превращения, тем в меньшей степени выражен эффект памяти формы. Например, слабый эффект памяти формы наблюдается в сплавах системы Fe-Ni (5 — 20 %Ni), у которых температуры обратного мартенситного превращения 200—400˚C.

[править] Сверхупругость

Другим явлением тесно связанным с эффектом памяти формы является сверхупругость.

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.

[править] Материалы с эффектом памяти формы

[править] 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»).

[править] 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.

[править] 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 объему слитка проводят гомогенизацию при температуре 950—1000˚C в инертной атмосфере.

[править] Применение материалов с эффектом памяти формы

[править] Соединительные втулки из никелида титана

Рис. 5
Рис. 6

Втулка, впервые разработанная и внедренная фирмой «Рейхем Корпорейшен», США, для соединения труб гидравлической системы военных самолетов. В истребителе более 300 тысяч таких соединений, но ни разу не поступило сообщений об их поломках.

Внешний вид соединительной втулки показан на рис. 5. Ее функциональными элементами являются внутренние выступы.

Применение таких втулок заключается в следующем (см. рис. 6):

  1. Втулка в исходном состоянии при температуре 20˚C.
  2. Втулка помещается в криостат, где при температуре −196˚C плунжером развальцовываются внутренние выступы.
  3. Холодная втулка становится изнутри гладкой.
  4. Специальными клещами втулку вынимают из криостата и надевают на концы соединяемых труб.
  5. Комнатная температура является температурой нагрева для данного состава сплава. Дальше все происходит «автоматически». Внутренние выступы «вспоминают» свою исходную форму, выпрямляются и врезаются во внешнюю поверхность соединяемых труб.

Получается прочное вакуумплотное соединение, выдерживающее давление до 800 атм.

По сути дела этот тип соединения заменяет сварку. И предотвращает такие недостатки сварного шва, как неизбежное разупрочнение металла и накопление дефектов в переходной зоне между металлом и сварным швом.

Кроме того, этот метод соединения хорош для финального соединения при сборке конструкции, когда сварка из-за переплетения узлов и трубопроводов становится трудно доступной.

Эти втулки используются в авиационной, космической и автомобильной технике.

Этот метод также используется для соединения и ремонта труб подводных кабелей.

[править] В медицине

[править] Тепловая сигнализация

[править] Другие применения

  • Фирма «Фокусу Боро», Япония использует никелид титана в приводных устройствах самописцев. Входной сигнал самописца преобразуется в электрический ток, которым нагревается проволока из никелида титана. За счет удлинения и сокращения проволоки приводится в движение перо самописца. С 1972 года изготовлено несколько миллионов таких узлов (данные на конец XX века). Так как механизм привода очень прост, поломки случаются крайне редко.
  • Электронная кухонная плита конвекционного типа. Для переключения вентиляции при микроволновом нагреве и нагреве циркуляционным горячим воздухом используется датчик из никелида титана.
  • Чувствительный клапан комнатного кондиционера. Регулирует направление ветра в продувочном отверстии кондиционера, предназначенного для охлаждения и отопления.
  • Кофеварка. Определение температуры кипения, а также для включения-выключения клапанов и переключателей.
  • Электромагнитный кухонный комбайн. Нагрев производится вихревыми токами, возникающими на дне кастрюли под действием магнитных силовых полей. Чтобы не обжечься, появляется сигнал, который приводится в действие элементом в виде катушки из никелида титана.
  • Электронная сушилка-хранилище. Приводит в движение заслонки при регенерации обезвоживающего вещества.
  • В начале 1985 года формозапоминающие сплавы, исползуемые для изготовления каркасов бюстгальтеров, стали с успехом завоевывать рынок. Металлический каркас в нижней части чашечек состоит из проволоки из никелида титана. Здесь используется свойство сверхупругости. При этом нет ощущения присутствия проволоки, впечатление мягкости и гибкости. При деформации (при стирке) легко восстанавливает форму. Сбыт — 1 млн штук в год. Это одно из первых практических применений материалов с памятью формы.
  • Изготовление разнообразного зажимного инструмента.
  • Герметизация корпусов микросхем.
  • Высокая эффективность превращения работы в тепло при мартенситных превращениях (в никелиде титана) предполагает использование таких материалов не только как высокодемпфирующих, но и в качестве рабочего тела холодильников и тепловых насосов.
  • Свойство сверхупругости используется для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии.
  • Также используется "эффект памяти" в изготовлении ювелирных изделий. Например, украшение в виде цветка. При надевании его на шею на цепочке, лепестки цветка, прислоняясь к телу раскрываются, обнажая спрятанный внутри драгоценный камень.

[править] Литература

В. А. Лихачев и др. «Эффект памяти формы», Л., 1987 г.

А. С. Тихонов и др. «Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении», М., 1981 г.

В. Н. Хачин «Память формы», М., 1984 г.

Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%BF%D0%B0%D0%BC%D1%8F%D1%82%D0%B8_%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%8B»