Эффект памяти формы

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

.

Содержание

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.

Суть явления

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. 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; 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

.

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

:
  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

:

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

.

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

.

Применение материалов с эффектом памяти формы

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. 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. 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

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. 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.
  • «Эффект памяти» используется и иллюзионистами — Например, в фокусе, в котором изогнутый гвоздь сам выпрямляется в руках фокусника или одного из зрителей.

См. также

Литература

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Look at other dictionaries:

  • эффект памяти формы — Смотри эффект памяти формы (ЭПФ) …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • Эффект памяти формы — способность никель титановых сплавов воспроизводить заданную форму изделия при определенном тепловом воздействии.Эффектом памяти формы обладает сплав нитинол, в котором примерно при 60°С происходит прямое мартенситное превращение. При нагреве… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ — способность никель титановых сплавов воспроизводить заданную форму изделия при определенном тепловом воздействии. Эффектом памяти формы обладает сплав нитинол, в котором примерно при 60°С происходит прямое мартенситное превращение. При… …   Металлургический словарь

  • эффект памяти формы (ЭПФ) — [shape memory effect] способность металлического материала (сплава) восстанавливать полностью или частично свою нарушенную при деформации форму в результате специальной термической обработки. ЭПФ проявл. у всех сплавов с мартенсит, превр.,… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • ЭФФЕКТ ЗАПОМИНАНИЯ ФОРМЫ — эффект памяти, в металловедении восстановление исходной формы деформир. металлич. изделий в результате нагрева. Наблюдается в сплавах никель титан (нитинол), медь алюминий никель, медь цинк алюминий и др. Связан с образованием мартенсита в… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Эффект памяти — аккумулятора Эффект памяти формы Список значений слова или словосочетания со ссылками на соответствующие статьи. Если вы попали сюда …   Википедия

  • ЭФФЕКТ ПАМЯТИ — восстановление в результате нагрева после пластической деформации первоначальной формы изделия. Наблюдается в изделиях из сплавов Ni Ti (нитинол), Au Cd, Ti Co, Ti Fe и др., а также в полимерных изделиях, сформированных в высокоэластичном… …   Большой Энциклопедический словарь

  • ЭФФЕКТ ПАМЯТИ — «ЭФФЕКТ ПАМЯТИ», восстановление в результате нагрева после пластической деформации первоначальной формы изделия. Наблюдается в изделиях из сплавов Ni Ti (нитинол), Au Cd, Ti Co, Ti Fe и др., а также в полимерных изделиях, сформированных в… …   Энциклопедический словарь

  • «эффект памяти» — восстановление в результате нагрева после пластической деформации первоначальной формы изделия. Наблюдается в изделиях из сплавов Ni Ti (нитинол), Au Cd, Ti Co, Ti Fe и др., а также в полимерных изделиях, сформованных в высокоэластическом… …   Энциклопедический словарь

  • "ЭФФЕКТ ПАМЯТИ" — восстановление в результате нагрева после пластич. деформации перво нач. формы изделия. Наблюдается в изделиях из сплавов Ni Ti (нитинол), Au Cd, Ti Co, Ti Fe и др., а также в полимерных изделиях, сформованных в высокоэластич. состоянии …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) — [shape memory alloys] новый класс металлических материалов, эксплуатационные свойства которых определяются способностью восстанавливать свою додеформационную форму в результате нагрева выше температуры обратного мартенситного превращения (Смотри… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • эффект Холла — [Hall effect] возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в металле или полупроводнике, по которому проходит электрический ток, при помещении его в магнитное поле, перпендикулярно к направлению тока. Открыт американским… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • эффект Мессбауэра — [Mossbauer effect] резонансное поглощение γ квантов атомными ядрами, наблюдаемое, когда источник и поглотитель γ излучения твердое тело, а энергия квантов невелика ( 150 кэВ). Иногда эффект М. называют резонанс, поглощением без отдачи или ядерным …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • эффект Зеебека — [Seebeck effect] явление возникновения электродвижущей силы в электрическом контуре, состоящем из разных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры; открыт в 1821 г. немецким физиком Т. Зеебеком. Электродвижущая сила,… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • эффект Баушингера — [Bauschinger effect] уменьшение сопротивления металла или сплава малым пластическим деформациям (например, при сжатии) после предварительной деформации противоположного знака (при растяжении). У монокристаллов чистых металлов эффект Баушингера… …   Энциклопедический словарь по металлургии