Сплавы с эффектом памяти формы реферат

Обновлено: 02.07.2024

Эффект памяти формы и сверхэластичности был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием. В 50-е годы ХХ столетия появились первые работы, в которых были представлены исследования эффектов памяти формы и сверхэластичности в сплавах на основе меди и благородных металлов [1].
Однако, интерес к этим работам был ограничен весьма узким кругом специалистов-исследователей. Для широкого круга они оставались неизвестными, что было обусловлено дороговизной исследовавшихся материалов и сложностью технологии их выплавки.
Подлинный "бум" вызвало обнаружение эффекта памяти формы в сплавах никеля и титана эквиатомного состава. Это произошло в начале 60-х годов в Naval Ordnance Laboratory (США).

Вложенные файлы: 1 файл

Dokument_Microsoft_Word_4.docx

Однако, интерес к этим работам был ограничен весьма узким кругом специалистов-исследователей. Для широкого круга они оставались неизвестными, что было обусловлено дороговизной исследовавшихся материалов и сложностью технологии их выплавки.

Подлинный "бум" вызвало обнаружение эффекта памяти формы в сплавах никеля и титана эквиатомного состава. Это произошло в начале 60-х годов в Naval Ordnance Laboratory (США). В течение некоторого времени (в зарубежной литературе до сих пор) этот сплав называли "нитинол" по химической формуле TiNi и аббревиатуре названия лаборатории. Позже это название в значительной мере было вытеснено химическим - никелид титана

Память формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка нитинола может находиться в двух устойчивых состояниях (фазах) — мартенситном и аустенитном. При температуре выше некоторой критической весь сплав находится в аустенитном состоянии с кубической кристаллической решеткой. При охлаждении сплав приобретает в мартенситную структуру, которая благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической решетки обеспечивает пластичность.

Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать почти любую конфигурацию, и она будет сохраняться до тех пор, пока предмет не нагреют до критической температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически невыгодной, и металл переходит в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму

На сегодняшний день известно уже более десятка сплавов с памятью формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых остается самым распространенным. В них четко выражен эффект памяти формы, причем диапазон температур можно с хорошей точностью регулировать, вводя в сплав различные примеси.

Экспериментальные исследования показали, что сплавы на основе никелида титана радикальным образом отличаются от других материалов, физические свойства которых максимально приближают их к тканям организма, благодаря чему конструкции из сплавов на основе никелида титана (TiNiMo) способны длительно функционировать без каких-либо изменений. Исследования, проведенные к настоящему времени, показали, что эти сплавы не токсичны, не вызывают канцерогенного действия на окружающие ткани, имеют высокую коррозийную стойкость в тканях живого организма и высокую степень биологической совместимости.

Материалы с памятью формы используются в клинической практике и других областях медицины (разрешено использовать в клинике приказом МЗиМП РФ №8 от 30 января 1995г.)

К сожалению, пока изделия из никелид-титановых сплавов не получили широкого распространения. Это связано со сложностью металлургического производства. Всего в нескольких странах, в том числе и в России, могут в промышленных масштабах получать полуфабрикаты с требуемым химическим составом и уровнем свойств. Плюс сложная технология переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания требует применения дорогостоящего оборудования и определяет высокий уровень брака. Все это приводит к высокой стоимости изделий [2].

Эффект памяти формы

Основным параметром, характеризующим ЭПФ, является обратимая деформация (ε_об), предельная величина которой определяется деформацией решетки при МП и мартенсит — мартенситных превращениях (ММП). Текущая величина восстановленной деформации (ε_в) при восстановлении формы (ВФ) определяется механизмами накопления и возврата деформации и внешними параметрами, каковыми являются температура (Т) и механическое напряжение (σ). В зависимости от того, изменение какого параметра является определяющим в процессе возврата накопленной деформации ε_н, все эффекты, связанные с возвратом формы (ВФ), можно разделить на две группы: 1) ЭПФ, обусловленные термомеханическим возвратом; 2) ЭПФ, обусловленные механотермическим возвратом. Первая группа эффектов обусловлена в основном изменением температуры, а σ играет второстепенную роль, а вторая — изменением напряжения, когда температура обеспечивает только необходимые термодинамические условия. Естественно, что во всех случаях наведение деформации происходит при приложении напряжения [3].

Эффекты, обусловленные термомеханическим возвратом

Эта группа эффектов связана с возвратом накопленной деформации в процессе обратного МП при нагреве до температур выше А_к. В зависимости от способа наведения и механизма накопления деформации можно выделить следующие эффекты.

Односторонний или необратимый ЭПФ. Классическим вариантом необратимого ЭПФ является ВФ при нагреве после деформации образцов при температуре деформации Т_д со структурой атермического мартенсита (Т_д Т_д >М_н). Вторым вариантом необратимого ЭПФ является эффект, при котором накопление деформации происходит за счет пластичности МП при охлаждении в интервале М_н-М_к в присутствии внешних напряжений.

Рассмотренный ЭПФ при различных способах наведения деформации необратим в том смысле, что для его повторной реализации необходимо провести повторное нагружение для накопления деформации. Основными характеристиками необратимого ЭЗФ являются уже упомянутые ε_н, ε_в, степень ВФ (СВФ - (ε_в/ε_н) 100 %) и температуры начала и конца ВФ (А_н в и А_к в ). При ВФ в условиях внешнего противодействия определяют также удельную работу (а_в) или развиваемые реактивные напряжения (σ_р).

Обратимый эффект запоминания формы. Этот эффект реализуется при многократном термоциклировании через интервал, охватывающий прямое и обратное МП. Существует два способа наведения обратимой при термоциклировании деформации. Первый способ состоит в термоциклировании в условиях действия внешнего напряжения, когда накопленная за счет реализации пластичности прямого МП деформация полностью или частично возвращается при нагреве при действии того же внешнего напряжения. При такой схеме может быть достигнута значительная (до 100 %) обратимая деформация, величина которой однако уменьшается с увеличением числа теплосмен. Во многих случаях после 10-20 теплосмен возможна стабилизация величины обратимой деформации.

Второй способ состоит в предварительном воздействии на материал, в результате которого создаются внутренние ориентированные напряжения, обеспечивающие реализацию пластичности МП и возврат накопленной деформации при обратном МП. В этом случае обратимая деформация достигает 4 %. Внутренние напряжения могут быть вызваны:

а) пластической деформацией материала в мартенситном состоянии или состоянии исходной фазы; б) однократным нагревом или охлаждением под постоянным напряжением через интервал прямого и обратного МП; в) термоциклированием под напряжением через интервал прямого и обратного МП; г) образованием дисперсных выделений в исходной фазе с последующей пластической деформацией.

В литературе встречаются также названия: двухсторонний, двунаправленный, двухпутевой эффект и многообратимая память формы. Все они относятся к обратимому ЭПФ. Специфическим видом обратимого ЭПФ является круговой ЭПФ [3] и эффект реверсивно-обратимой памяти формы.

Эффекты, обусловленные механотермическим возвратом

Эта группа эффектов связана с возвратом накопленной при нагружении в изотермических условиях деформации при уменьшении или изменении знака деформирующего напряжения. Она объединяется одним понятием — псевдоупругость (ПУ). В зависимости от механизма накопления и возврата деформации, а также соотношения температуры, при которой производится механическое воздействие, с характеристическими температурами МП выделяют следующие основные виды псевдоупругости.

Сверхупругость (СУ). Этот эффект обусловлен образованием мартенсита напряжения. Полный возврат накопленной деформации происходит только при условии, что М σ _н>Т_д>А_к. При А_К>Т_Д>А_Н только часть деформации устраняется за счет СУ, а при Т_Д

Рис. 1. Кривые напряжение – деформация монокристаллов Cu-Al-Ni с исходной структурой γ΄₁ мартенсита [3]

Разновидностями псевдоупругости являются так же ферроупругость и резиноподобное поведение, которые появляются при нагружении в мартенситном состоянии.

Металлические системы с ЭПФ

Эффект памяти формы в той или иной степени проявляется во всех сплавах на основе металлов и интерметаллидов, в которых МП характеризуется кристаллографической и термической обратимостью, а все деформационные процессы, развивающиеся при аккомодации и активном нагружении, осуществляются механизмами, исключающими дислокационное скольжение. Уровнем характеристик ЭПФ, представляющих определенный интерес для практической реализации в конструкциях, имеют сплавы на основе меди, титана, железа, марганца и, особенно, сплавы на основе никелида титана [3].

Сплавы на основе титана. В титане и сплавах на его основе высокотемпературная β-фаза с неупрядоченной ОЦК структурой может претерпевать при закалке три МП [4]: β→α′ (ГП), β→ω(гексагональная) и β→α" (орторомбическая), из которых только последнее удовлетворяет почти всем требованиям (кроме упорядочения) для проявления ЭПФ и СУ. Несмотря на отсутствие упорядочения, внутреннее двойниковое строение мартенсита, по-видимому, обеспечивает почти полную кристаллографическую обратимость α"→β МП при нагреве, но из-за низкой термической стабильности мартенсита и β-фазы обратное МП может быть реализовано только при высоких скоростях нагрева (рис 2). Поэтому большинство сплавов на основе титана, в которых обнаружены ЭПФ и СУ, содержат довольно большое суммарное количество β-стабилизаторов (V, Mo, Fe, Сr), что уменьшает критическую скорость нагрева. Это позволяет обеспечить протекание МП при отрицательных или не очень высоких, по сравнению с комнатной, температурах. Необходимый фазовый состав и химический состав фаз обычно достигается подбором температуры нагрева под закалку или химического состава сплава [3,5].

Рис. 2. Изменение величины накопленной (ε_н) и восстановленной (ε_в) за счет реализации ЭПФ деформации при нагреве с различной скоростью (υ н ) закаленных сплавов системы Ti-5Al-V (a) температур начала (А в _к) ВФ (б)

(деформация – растяжение, Т_д =20°С, ε_L – усредненные значения максимальной кристаллографически обратимой деформации) [3].

Из-за низкой термической стабильности фаз и широкого температурного интервала МП накопление деформации обычно проводят в условиях изотермического нагружения. Наиболее эффективным механизмом накопления деформации является ориентированный рост мартенсита в β-фазе при температурах, близких к М_н, хотя возможен и механизм переориентации атермического мартенсита. Вследствие неупорядоченной структуры β-фазы накопление деформации происходит в условиях все возрастающего напряжения (σ н _к = 200 - 400 МПа), что не позволяет достичь значений σ к _об без заметного дислокационного скольжения в отдельных микрообъемах β-фазы или мартенсита. Кроме того, неупорядоченная структура практически полностью исключает такой механизм накопления деформации как раздвойникование и передвойникование. Этим обусловлен тот факт, что величина ε_в при реализации ЭПФ обычно на 1 % ниже, чем ε_н, которая в свою очередь на 1-2% меньше максимальных значений кристаллографически обратимой деформации (рис. 2).

Для сплавов с широким интервалом МП (100-150°С), каковыми являются сплавы на основе титана, существенно ограничены возможности изменения температуры нагружения для накопления деформации. Чаще всего нагружение проводят при комнатной температуре, добиваясь необходимых условий подбором химического состава β-фазы, например, закалкой с оптимальной температуры. Но даже при обеспечении оптимальных термодинамических условий полностью реализовать СУ в титановых сплавах не удается, хотя ее доля в ε_в в отдельных случаях может быть достаточно велика. Основная часть накопленной деформации устраняется при нагреве за счет реализации ЭПФ [5,6].

Как свидетельствуют данные, приведенные на рис 2, наибольшая СВФ наблюдается, когда ЭПФ реализуется за счет мартенсита напряжения. Такие же результаты были получены на закаленном из β-области зарубежном промышленном сплаве Ti-10V-2Fe-3Al. Для промышленных конструкционных сплавов ВТ16 и ВТ23 СВФ при ε_н = 4% не превышает 80% из-за наличия в структуре 15% α-фазы. Ее присутствие в таких количествах ухудшает характеристики ВФ в свободном состоянии, но значительно увеличивает реактивные напряжения [3]. По удельным характеристикам ВФ при внешнем противодействии сплавы на основе титана могут составить конкуренцию сплавам на основе никелида титана.

ЭПФ может проявляться и в титановых сплавах со структурой атермического мартенсита. Однако здесь возникают две проблемы. Во-первых, необходимо, чтобы мартенсит имел только двойниковое строение, что достигается снижением М_к почти до комнатной температуры за счет изменения степени легирования. Во-вторых, необходимо предотвратить диффузионный распад мартенсита путем высокой скорости нагрева. Выполнение этих требований дает возможность достигнуть величины ε_в около 4,5% при значениях А в _н 400°С, а А в _к 600°С (рис. 2). Это позволяет рассматривать сплавы на основе титана со структурой α"-мартенсита, как перспективные для реализации высокотемпературного ЭПФ.

Однако если рассматривать обычные условия эксплуатации (низкие температуры ВФ, невысокие скорости нагрева и т.д.), то наиболее оптимальным следует считать исходный фазовый состав, представленный α"-мартенситом максимальной и/или механически нестабильной β_м мнс - фазой минимальной степени легирования β-стабилизирующими элементами (V, Mo, Nb и др.). Из легирующих элементов наиболее перспективными для создания сплавов с ЭПФ следует считать молибден и, особенно, ванадий. Последний, в сочетании с алюминием (5-10 ат.%), обеспечивает реализацию при β-α" МП максимальную величину кристаллографически обратимой деформации. Хотя ЭПФ может быть реализован и на многокомпонентных промышленных титановых сплавах мартенситного класса (типа ВТ16 и ВТ23). При этом необходимый фазовый состав достигается закалкой с температуры, близкой к критической [3]. Следует отметить, что одновременное присутствие в структуре сплавов на основе титана α" и β_м мнс -фаз обеспечивает им высокую демпфирующую способность, обусловленную высокой подвижностью когерентной межфазной β/α"-границы [5]. При создании новых сплавов на основе титана с ЭПФ необходимо решить проблемы термической стабильности, сужения температурного интервала МП и увеличения максимальных значений ε к _об, ε_н и ε_в.

Любой природный материал обладает своими уникальными качествами. Так многим металлам присущи такие качества, как твердость, прочность и долговечность. Также металлы могут обладать еще одним интереснейшим свойством, о котором не все знают, а именно, металлы могут обладать памятью.

Работы по изучению данного свойства велись и ведутся до сих пор во многих странах. Поэтому тема данной работы весьма актуальна. Для нас кажется весьма привычным и естественным, что пружина всегда возвращается в исходное положение, так же как и изогнутая стальная линейка, и это никого не удивляет. Однако если предел упругости материала будет превышен, то непременно наступит пластическая деформация и тогда предмет уже не примет исходную форму сам, если только не продеформировать материал в противоположном направлении. Но это лишь привычные для нас, общепринятые представления.

1. Феномен и суть явления.

Чтобы понять феномен явления его достаточно один раз увидеть. Для эксперимента можно взять металлическую проволоку и изогнуть ее, а затем нагреть. Проволока от нагрева начинает распрямляться и затем восстанавливает свою исходную форму.

Данный феномен происходит потому что при деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние в свою очередь сжимаются, при этом средние вовсе остаются неизменными. [3]

Такие вытянутые структуры называют мартенситными пластинами, которые не являются чем-то необычным для металлических сплавов. Здесь необычность проявляется в другом: в мартенсит термоупругий в материалах с памятью формы. И начинает проявляться эта термоупругость мартенситных пластин при именно при нагреве, когда появляется внутреннее напряжение, стремящееся вернуть в исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает свою исходную форму, так ка в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении. [2]

Все металлы и сплавы имеют свою кристаллическую решетку, параметры которой заданы изначально. Но может осуществляться перестройка этой кристаллической решетки в связи с изменением температуры и давления. В данном случае говорят, что происходит полиморфное превращение, то есть смена типа кристаллической решетки (происходит ее перестройка). Полиморфное превращение может осуществляться при помощи двух способов: воздействия высоких температур, при которой подвижность атомов возрастает и мартенситного превращения.

Что бы понять сущность первого способа можно представить в виде атомов детские кубики, а в виде кристаллической решетки- здание из этих кубиков-атомов. Чтобы осуществить полиморфное превращение, то есть построить из этих же кубиков, но уже другое здание необходимо просто разобрать старое и собрать новое здание. Поскольку путь каждого кубика при перестройке совершенно не связан с другими, то он может оказаться абсолютно в любом месте нового здания. Перестройка решетки по такой схеме может произойти только в случае, когда диффузия, то есть подвижность атомов достаточно высока, для того чтобы осуществить перемещение их на совершенно новые места.

Однако, для того чтобы произвести перестройку кристаллической решетки, когда температура полиморфного превращения не достаточно высока, нужно применять бездиффузионный способ.

При изучении закалки – одного из древнейших и основных процессов термической обработки стали был и обнаружен такой бездиффузионный способ. В результате закалки образуется фаза с новой кристаллической решеткой, то есть мартенсит. Именно поэтому второй способ смены типа кристаллической решетки (полиморфного превращения) получил название мартенситного превращения.

Мартенситное превращение является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Данный способ характерен для сталей, чистых металлов, полупроводников, цветных сплавов и полимеров всегда в случае перестройки решетки при отсутствии диффузии.

Если вернуться к примеру с кубиками-атомами, то в случае с мартенситным превращением особенность заключается в том, что отсутствует диффузия и поэтому старое здание невозможно просто разобрать. Здесь кубики перемещаются без разрушения межатомных связей, то есть не отрываясь друг от друга и почти одновременно из старых положений в новые. Мартенситное превращение потому иногда называют сдвиговым, что такое согласованное и коллективное перемещение носит характер сдвига.

Именно кооперативный сдвиг атомов приводит к неизбежному изменению формы объема сплава, а изменение формы и является главной особенностью мартенситного превращения.

С данной особенностью и связан эффект памяти сплавов, однако не все сплавы, которые претерпевают мартенситное превращение, могут обладать памятью. При мартенситном превращении изменение формы является необходимым условием, но все же недостаточным для проявления памяти.

Можно выделить три основных события в истории изучения мартенситных превращений, оказавших непосредственное влияние на формировании нового направления, которое занимается изучением эффекта памяти формы в сплавах и применением данного эффекта.

В данной статье описывалась особенность мартенситного превращения в медном сплаве. Она заключалась в том, что при охлаждении этого медного сплава мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве и вовсе постепенно исчезали. В данном случае, если провести аналогию с пружиной, можно сказать, что она способна останавливать рост кристалла прежде, чем разрушится сама. Подпружиненным оказывается кристалл мартенсита, что в свою очередь и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой. Получается, что если охлаждать, то граница будет смещаться в одну сторону, а если нагревать - в другую, т.е. обратную.

Описанное явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле. Стоит отметить, что изменением формы сопровождается и термоупругое мартенситное превращение, только в данном случае изменение имеет обратимый характер. И именно такое превращение и обеспечивает память металлов.

Второе событие относят к 1958 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе было представлено устройство двух американских ученых: Т. Рида и Д. Либермана. Основой такого устройства служил тонкий длинный стержень из золото-кадмиевого сплава. Один его конец был жестко закреплен в стойке в горизонтальном положении, а на другой вешали груз и под тяжестью он изгибался. Однако необычным было то, что когда стержень нагревали, то он выпрямлялся и спокойно поднимал груз, если же его охлаждали, то он снова становился изогнутым. Таким способом было наглядно продемонстрировано свойство памяти формы у металлов.

В начале 60-х годов в Америке произошло третье ключевое событие, когда в результате поиска прочного, относительно легкого и при этом имеющего способность работать в агрессивных средах, ученые создали сплав никеля с титаном в пропорции один к одному.

Данный сплав при обработке проявил свойство памяти формы, о котором даже не подозревали. Эффект памяти проявлялся очень сильно и это открывало широкие перспективы для использования такого сплава.

Новый материал получил название нитинол- производное от трех слов: никель, титан и название лаборатории НОЛ. Как стало известно позже, и в данном случае свойство памяти формы основывалось на мартенситном превращении.

2. Материалы с эффектом памяти формы и сферы их применения.

В современном мире существуют сотни сплавов с мартенситным превращением, однако не все из них способны вспоминать свою форму. И известно лишь несколько сплавов, где эффект памяти формы может иметь практическое значение.

Наиболее перспективным и распространенным из всех материалов с памятью формы является нитинол. Именно нитинол часто используют в устройствах и приборах разного назначения. Так происходит еще и потому, что он имеет ряд других полезных свойств помимо памяти формы. Так нитинол обладает высокой коррозионной стойкостью, технологичностью и значительной прочностью.

Таким образом получается довольно прочное соединение, которое способно выдержать давление до 800 атм. Такой тип соединения заменяет собой сварку, предотвращая недостатки сварного шва. Помимо этого, метод можно применять при сборке конструкции, когда сварка труднодоступна из-за переплетения узлов и трубопроводов. Данные втулки нашли свое применение не только а авиационной технике, но и космической, а так же в автомобильной.

Металлы с эффектом памяти формы нашли свое применение в такой важной области нашей жизни, как медицина. С помощью металлов с таким свойством, как память формы были разработаны перчатки, которые применяются в процессе реабилитации, фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, зажимы для защемления слабых вен, стержни для коррекции позвоночника при сколиозе, оправа для очков, ортопедические импланты, проволока для исправления зубного ряда и еще огромное множество других полезных и жизненно необходимых медицинских устройств.

Так же свойство эффекта памяти широко применяется в тепловых сигнализациях, а именно в пожарных сигнализациях, противопожарных заслонках, различных сигнальных устройствах для ванн, бойлерных баках тепловой регенерации. Также свойство широко применяется в автомобилестроении, а именно в системах для предотвращения выхлопа газов, которые содержат пары топлива, в устройствах для удаления тепла из радиатора, устройствах для включения противотуманных фар.

Металлы с эффектом памяти применяются и в других различных областях, например, для герметизации корпусов микросхем, изготовления кофеварок, электронных кухонных плит конвекционного типа, чувствительных клапанов кондиционера, при изготовлении электромагнитных кухонных комбайнов, и разнообразных зажимных инструментов. Также сплавы с таким свойством могут быть использованы в качестве рабочего тела холодильников и тепловых насосов.

Изучение свойства памяти формы ведется и по сей день во многих странах мира, так как данное свойство имеет огромные перспективы в применении.

Уже сейчас благодаря металлам обладающим свойством памяти появилась возможность пользоваться такими устройствами в медицине, как искусственные мышцы, приводящиеся в действие электрическим током, фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, стержни для коррекции позвоночника; в автомобилестроении, как системы предотвращения выхлопа газов, устройства для включения противотуманных фар; а также устройствами тепловых сигнализаций и другими.

А ведь еще совсем недавно применяемое свойство памяти формы в различных сплавах применялось фокусниками в трюке с изогнутым гвоздем, который сам распрямлялся в руках зрителя, для потехи публики.

Список использованных источников

В. Н. Хачин. Память формы. — М.: Знание, 1984.

Лихачев В.А. Эффект памяти формы,1997.

Васильев А.Н. , Бучельников В.Д. , Такаги Т. , Ховайло В.В. , Эстрин Э.И. Ферромагнетики с памятью формы // Успехи физических наук , 2003.

Применение сплавов с эффектом памяти формы. Основные свойства мононикелида титана: пластичность, высокая прочность, коррозионная стойкость. Характеристика структуры сплавов. Анализ схемы космического аппарата с самотрансформирующимися элементами.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	02.03.2012
Размер файла	1,0 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Введение

сплав мононикелид титан коррозионный

Сплавы с ЭПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности. Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные превращения существуют например в таких системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения [2].

Характеристика сплавов

Механизмом, определяющим свойства “ памяти формы ”, является кристаллографическое обратимое термоупругое мартенситное превращение - эффект Курдюмова. Это превращение сопровождается изменением объема, которое носит обратный характер, обеспечивая память.

В сплавах с эффектом “ памяти формы ” при охлаждении происходит рост термоупругих кристаллов мартенсита, а при нагреве - их уменьшение или исчезновение. Эффект “ памяти формы ” наиболее хорошо проявляется при низких температурах и в узком интервале температур, иногда порядка нескольких градусов ( кельвин ).

В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами “ памяти формы ”: Ni - Al, Ni - Co, Ni - Ti; Ti - Nb; Fe - Ni; Cu - Al, Cu - Al - Ni и др.

Способ получения сплавов

Сплавы с памятью формы получаются путем сплавления индивидуальных компонентов. Расплав быстро охлаждают и проводят высокотемпературную обработку.

Мартенситное превращение в сплавах на основе NiTi является атермическим процессом, скорость которого целиком определяется скоростью изменения температуры вблизи термодинамического равновесия фаз. Поэтому все специфические механические эффекты в NiTi, сопровождающие мартенситное превращение, такие как память формы, пластичность превращения, могут быть реализованы за очень малые времена при соответствующих режимах нагрева и охлаждения. В быстродействующих устройствах для ускорения обменом теплом с теплоагентом (жидким или газообразным) используют тонкомерную ленту, проволоку и трубы с микронными линейными размерами в сечении. В этом случае большое значение приобретает состояние свободной поверхности сплава. Поскольку даже небольшие вариации состава приводят к изменению температурной кинетики и полноты превращения, то сегрегация элементов и окисление поверхности существенно изменяют и специальные свойства материала. Особую важность указанное обстоятельство приобретает вследствие необходимости предварительной термической или термомеханической обработки материала.

Исследования показали склонность никелида титана на свободной поверхности при термических воздействиях. В атмосфере, содержащей кислород, сплав окисляется с образованием оксидного слоя, содержащего в основном оксид TiO₂. Можно полагать, что поскольку титан химически весьма активен то в бескислородной среде атомы титана будут образовывать соединения с любым неинертным газом, например в атмосфере азота - нитриды. Избежать образования оксидов по границам зерен и на поверхности можно лишь при термообработках образцов в вакууме либо в инертной среде [1].

Структура и свойства сплавов

Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект “ памяти формы ” в соединении NiTi может повторяться в течение многих циклов.

Свойства мононикелида титана:

высокая прочность: sт=300?500 МПа; sв=770?1100 МПа;

коррозионная и кавитационная стойкость и демпфирующая способность (хорошо поглощает шум и вибрацию).

Кристаллическая решетка нитинола может находиться в одной из двух форм: либо в виде объемно-центрированного куба (ОЦК), такое состояние решетки называется аустенитной формой; либо в виде ромбовидной структуры с центрированными гранями (РГЦ) -- мартенситная форма. Переход объемно-центрированного куба в гранецентрированный ромб называется прямым мартенситным превращением, а переход структуры РГЦ в структуру ОЦК -- обратным мартенситным превращением. На превращениях этих двух различных кристаллических структур и основано явление эффекта запоминания формы. Его называют также термоупругим мартенситным превращением, или переходом мартенсит--аустенит и обратно [1].

Псевдоупругость -- это способность материала с ЭПФ пластически деформироваться при определенных условиях и восстанавливать деформацию при снятии внешней деформирующей нагрузки, как показано на рис. 1

Рис. 1 Псевдоупругое механическое поведение на основе сплава TiNi

Значение псевдоупругой деформации может составлять для разных сплавов от 2 до 8 %, что позволяет изготавливать из сплавов с ЭПФ упругие элементы с существенно более высокими деформационными способностями (например, суперпружины).

Эффект псевдоупругости может реализовываться и при других условиях деформирования, например при Т

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.

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:

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.

Читайте также: