Суть эффекта памяти формы

Эффекты памяти формы: материалы и механизм действия. Возможности применения

Согласно общепринятому мнению, металлы – наиболее прочные и устойчивые материалы. Однако существуют такие сплавы, которые могут после деформации восстанавливать свою форму без приложения внешней нагрузки. Для них характерны и другие уникальные физико-механические свойства, выделяющие их среди конструкционных материалов.

Сущность явления

Эффект памяти формы у сплавов заключается в том, что предварительно деформированный металл самопроизвольно восстанавливается в результате нагрева или просто после снятия нагрузки. Эти необычные свойства были замечены учеными еще в 50-е гг. XX в. Уже тогда данное явление было связано с мартенситными превращениями в кристаллической решетке, при которых происходит упорядоченное перемещение атомов.

Мартенсит в материалах с эффектом памяти формы является термоупругим. Эта структура состоит из кристаллов в виде тонких пластин, которые вытягиваются в наружных слоях, а во внутренних – сжимаются. «Носителями» деформации являются межфазные, двойниковые и межкристаллитные границы. После нагрева деформированного сплава появляются внутренние напряжения, пытающиеся вернуть металл в начальную форму.

Характер самопроизвольного восстановления зависит от механизма предшествующего воздействия и температурных условий, при которых оно протекало. Наибольший интерес представляет собой многократная цикличность, которая может составлять несколько миллионов деформаций.

Металлы и сплавы с эффектом памяти формы обладают и другим уникальным свойством – нелинейной зависимостью физических и механических характеристик материала от температуры.

Разновидности

Вышеописанный процесс может проявляться в нескольких формах:

• сверхпластичность (сверхупругость), при которой кристаллическая структура металла выдерживает деформации, значительно превышающие предел текучести в обычном состоянии;
• однократная и обратимая память формы (в последнем случае эффект неоднократно воспроизводится при термоциклировании);
• пластичность прямого и обратного превращения (накопление деформации во время охлаждения и нагрева, соответственно, при прохождении через мартенситное превращение);
• реверсивная память: при нагревании сначала происходит восстановление одной деформации, а затем, при дальнейшем увеличении температуры, – другой;
• ориентированное превращение (накопление деформаций после устранения нагрузки);
• псевдоупругость – восстановление неупругих деформаций от значений упругих в диапазоне 1-30 %.

Возврат к исходному состоянию у металлов с эффектом памяти формы может происходить настолько интенсивно, что его не удается подавить усилием, близким к пределу прочности.

Материалы

Среди сплавов, обладающих такими свойствами, наиболее распространены титано-никелевые (49– 57 % Ni и 38–50 % Ti). Они обладают хорошими эксплуатационными характеристиками:

• высокая прочность и сопротивляемость к разрушению коррозией;
• значительный коэффициент восстановления формы;
• большое значение внутреннего напряжения при возврате в начальное состояние (до 800 МПа);
• хорошая совместимость с биологическими структурами;
• эффективное поглощение вибраций.

Кроме никелида титана (или нитинола) применяются и другие сплавы:

• двухкомпонентные – Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
• трехкомпонентные – Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn-Si и другие.

Легирующие добавки могут сильно смещать температуру мартенситных превращений, влияя на свойства восстановления.

Использование в промышленности

Применение эффекта памяти формы позволяет решать многие технические задачи:

• создание герметичных трубных узлов аналогично методу развальцовки (фланцевые соединения, самозатягивающиеся обоймы и муфты);
• изготовление зажимных инструментов, захватов, толкателей;
• проектирование «суперпружин» и аккумуляторов механической энергии, шаговых двигателей;
• создание соединений из разнородных материалов (металл-неметалл) или в труднодоступных местах, когда применение сварки или пайки становится невозможным;
• изготовление силовых элементов многоразового действия;
• корпусная герметизация микросхем, гнезда для их присоединения;
• производство регуляторов и датчиков температуры в различных приборах (пожарная сигнализация, предохранители, клапаны тепловых машин и другие).

Большие перспективы имеет создание подобных аппаратов для космической промышленности (саморазворачивающиеся антенны и солнечные батареи, телескопические устройства, инструмент для монтажных работ в открытом космосе, приводы поворотных механизмов – рулей, заслонок, люков, манипуляторов). Их преимуществом является отсутствие импульсных нагрузок, которые вносят нарушения в пространственное положение в космосе.

Применение сплавов с эффектом памяти формы в медицине

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.

Недостатки и перспективы

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.

Источник

LiveInternetLiveInternet

Пятница, 09 Октября 2009 г. 18:51 + в цитатник

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.

Феномен

Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление. Что происходит?

Демонстрация эффекта «памяти» формы

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

Суть явления

Почему так происходит?

Суть явления

В исходном состоянии в материале есть определенная структура. На рисунке она обозначена правильными квадратами.

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.

При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, т. е. сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.

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.

Характеристики эффекта памяти формы

Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.

• Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом. (См. далее «Материалы с памятью формы»)
• 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.

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.

Сверхупругость

Другим явлением тесно связанным с эффектом памяти формы является сверхупругость.

Сверхупругость – свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предела 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.

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:

• Превосходной коррозионной стойкостью.
• Высокой прочностью.
• 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.
• Хорошая совместимость с живыми организмами.
• Высокая демпфирующая способность материала.

• Из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве надо использовать вакуумное оборудование.
• Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием. (Оборотная сторона высокой прочности).
• 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

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.

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.

Применение материалов с эффектом памяти формы

Соединительные втулки из никелида титана

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.

Соединительная втулка

Внешний вид соединительной втулки.	Ее функциональными элементами являются внутренние выступы.

Применение таких втулок заключается в следующем:

Применение соединительных втулок

Втулка в исходном состоянии при температуре 20˚C.

Втулка помещается в криостат, где при температуре -196˚C плунжером развальцовываются внутренние выступы.

Холодная втулка становится изнутри гладкой.

Специальными клещами втулку вынимают из криостата и надевают на концы соединяемых труб.

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.

В медицине

• Перчатки, применяемые в процессе реабилитации и предназначенные для реактивации групп активных мышц с функциональной недостаточностью. Могут быть использованы в межзапястных, локтевых, плечевых, голеностопных и коленных суставах.
• Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела.
• Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью кататера, после чего они приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию.
• Зажимы для защемления слабых вен.
• Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током.
• Крепежные штифты, предназначенные для фиксации протезов на костях.
• Искусственное удлинительное приспособление для так называемых растущих протезов у детей.
• Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости).
• Стержни для коррекции позвоночника при скалиозе.
• Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика.
• Оправа для очков. В нижней части, где стекла крепятся проволокой. Пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении. Оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании. Используется эффект сверхупругости.
• Ортопедические имплантаторы.
• Проволока для исправления зубного ряда.

Тепловая сигнализация

• Пожарная сигнализация.
• Противопожарные заслонки.
• Сигнальные устройства для ванн.
• Сетевой предохранитель (защита электрических цепей).
• Устройство автоматического открывания-закрывания окон в теплицах.
• Бойлерные баки тепловой регенерации.
• Пепельница с автоматическим стряхиванием пепла.
• Электронный контактор.
• Система для предотвращения выхлопа газов, содержащих пары топлива (в автомобилях).
• Устройство для удаления тепла из радиатора.
• Устройство для включения противотуманных фар.
• Регулятор температуры в инкубаторе.
• Ёмкость для мытья теплой водой.
• Регулирующие клапаны охлаждающих и нагревательных устройств, тепловых машин.

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.
• Электро-магнитный 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.

Эта статья была написана для Wikipedia. Надеюсь, что там она еще сохранилась. Иллюстрации здесь те же самые, но в другой компоновке.

• 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