Главная / Наука / Эффекты памяти формы: материалы и механизм действия. Возможности применения

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.

bisbroker.ru