Interested Article - Эффект памяти формы

ainsleigh
  • 2021-11-18
  • 1

Эффект памяти формы — явление возврата к первоначальной форме при нагреве , которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.

Введение

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

Однако существует ряд материалов , металлических сплавов , которые при нагреве после предварительной деформации демонстрируют явление возврата к первоначальной форме.

Феномен

Рис. 1
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.

Суть явления

Рис. 2
Рис. 2

Почему так происходит? (См. рис. 2)

  1. В исходном состоянии в материале существует 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.
  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.

Характеристики эффекта памяти формы

Рис. 3
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 4

Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.

  1. Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом.
  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: М Н и М К — начало и конец прямого мартенситного превращения при охлаждении, А Н и А К — 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 ; его можно усиливать предварительными термообработками .

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.

В ряду функциональных свойств памяти формы важное теоретическое и практическое значение принадлежит явлению так называемой деформации ориентированного превращения. Смысл этого наследственного феномена заключается в следующем. Если охлаждаемое под напряжением тело разгрузить в области температур реализации пластичности прямого мартенситного превращения и не прекратить понижение температуры, далеко не всегда продолжающееся охлаждение не будет вызывать макроскопического деформирования. Наоборот, чаще всего деформация продолжает накапливаться, как если бы материал почти не разгружали. В других случаях имеет место интенсивный возврат при охлаждении. Такие свойства, первое из которых принято называть деформацией ориентированного превращения, второе — аномальным возвратом деформации, связывают с подрастанием возникших под нагрузкой кристаллов мартенсита — в случае деформации ориентированного превращения кристаллов положительной ориентации, а в случае аномального возврата — отрицательной ориентации. Названные явления могут быть инициированы, в частности, ориентированными микронапряжениями.

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 . 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 ( нитинол ) — интерметаллид эквиатомного состава с 55 % Ni (по массе). 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 .

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

Никелид титана обладает следующими свойствами:

  • очень высокой 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;
  • хорошей биологической совместимостью;
  • высокой демпфирующей способностью.

К недостаткам материала относят плохую технологичность и высокую цену:

  • из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород , для предотвращения окисления при производстве необходимо использовать вакуумирование;
  • оборотной стороной высокой прочности является затрудненность обработки при изготовлении деталей, особенно резанием;
  • в конце XX века никелид титана стоил ненамного 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.

Другие сплавы

На конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана, эффект памяти формы обнаружен в следующих 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; по сравнению с никелидом титана не подвержен быстрому окислению на воздухе, легко обрабатывается и в пять раз дешевле, но хуже по механическим (вследствие укрупнения зерна при термообработке), противокорозионным и технологическим свойствам (проблемы стабилизации зерна в порошковой металлургии ), характеристикам формозапоминания;
  • Cu—Al—Ni — разработан в Осакском университете ( 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 [ кто? ] 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

Плавку производят в вакуумно-гарнисажной или электродуговой печи с расходуемым электродом в защитной атмосфере ( гелий или аргон ). Шихтой в обоих случаях служит 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 в 1,2 кА, напряжение — 40 В, давление гелия — 53 МПа. Оптимальный режим остывания слитков с целью предотвращения растрескивания — охлаждение с печью (не больше 10 ˚C/с). 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.

Применение материалов с эффектом памяти формы

Соединительные втулки из никелида титана

Рис. 5
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 6

Втулка впервые разработана и внедрена фирмой «Рейхем Корпорейшен» (США) для соединения труб гидравлической системы военных самолетов . В истребителе более 300 000 таких соединений, но ни разу не поступило сообщений об их поломках [ источник не указан 3154 дня ] . Внешний вид соединительной втулки показан на рис. 5. Её 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, при нагревании до которой все происходит автоматически: внутренние выступы восстанавливают 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 , 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 труднодоступной. Эти втулки используются в авиационной, космической и автомобильной технике . Этот метод также используется для соединения и ремонта труб подводных кабелей.

В медицине

Тепловая сигнализация

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. Индукционный нагрев производится вихревыми токами , возникающими на дне кастрюли под действием магнитных 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, используемые 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 формы в изготовлении ювелирных изделий, например, в украшениях в виде цветка, при нагревании которого прикосновением тела лепестки цветка раскрываются, обнажая спрятанный внутри драгоценный камень.
  • Эффект памяти формы используется и иллюзионистами, например, в фокусе с изогнутым гвоздём, самостоятельно выпрямляющимся в руках фокусника или одного из зрителей.

См. также

Примечания

  1. , с. 160.

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 .
  • 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 .
  • Малыгин Г. А. // Успехи физических наук , 2001, т. 171, № 2, c. 187—212.
  • Васильев А. Н. , Бучельников В. Д. , Такаги Т. , Ховайло В. В. , Эстрин Э. И. // Успехи физических наук , 2003, т. 173, № 6, c. 577—608.
  • Каган М. Ю. , Клапцов А. В. , Бродский И. В. , Кугель К. И. , Сбойчаков А. О. , Рахманов А. Л. // Успехи физических наук , 2003, т. 173, № 8, c. 877—883.
  • Бучельников В. Д. , Васильев А. Н. , Коледов В. В. , Таскаев С. В. , Ховайло В. В. , Шавров В. Г. // Успехи физических наук , 2006, т. 176, № 8, c. 900—906.
  • Воронов В. К. , Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, 2-е изд., М.: ЛКИ, 2012, 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7
  • Бойко В. С., Гарбер Р. И., Косевич А. М. Обратимая пластичность кристаллов. — М. : Наука, 1991. — 280 с.
  • Займовский В. А., Колупаева Т. Л. Необычные свойства обычных материалов. — М. : Наука, 1984.

Ссылки

ainsleigh
  • 2021-11-18
  • 1

Same as Эффект памяти формы

The title for the last searches