Эффект памяти формы
Эффект памяти формы — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.
Введение
[править | править код]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
[править | править код]![Рис. 1](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/5/5a/EfMem01.jpg/200px-EfMem01.jpg)
Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление (см. рис 1). Что происходит?
- Есть металлическая проволока.
- Эту проволоку изгибают.
- Начинаем нагревать проволоку.
- При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.
Суть явления
[править | править код]![Рис. 2](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/0/05/EfMem02.jpg/200px-EfMem02.jpg)
Почему так происходит? (См. рис. 2)
- В исходном состоянии в материале существует определённая 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, то есть 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
[править | править код]![Рис. 3](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/a/a8/EfMem03.jpg/200px-EfMem03.jpg)
![Рис. 4](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/2/28/EfMem04.jpg/200px-EfMem04.jpg)
Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.
- Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом.
- 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 охлаждении, 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
[править | править код]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[1]. Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.
Материалы с эффектом памяти формы
[править | править код]Никелид титана
[править | править код]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
[править | править код]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), противокоррозионным 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
[править | править код]Плавку производят в вакуумно-гарнисажной или 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 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
[править | править код]Соединительные втулки из никелида титана
[править | править код]![Рис. 5](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/7/7b/EfMem05.jpg/200px-EfMem05.jpg)
![Рис. 6](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/7/75/EfMem06.jpg/200px-EfMem06.jpg)
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 3415 дней]. Внешний вид соединительной втулки показан на рис. 5. Её функциональными элементами являются внутренние выступы.
Применение таких втулок заключается в следующем (см. рис. 6):
- 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, 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 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 труднодоступной. Эти втулки используются в авиационной, космической и автомобильной технике. Этот метод также используется для соединения и ремонта труб подводных кабелей.
В медицине
[править | править код]- Производство стентов, широко использующихся в рентгенэндоваскулярной хирургии.
- 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 катетера, 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 сколиозе.
- 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 имплантаты.
- Проволока (ортодонтическая дуга) для исправления зубного ряда.
- Дентальные имплантаты (самофиксация расходящихся элементов в кости).
- Пластины для исправления воронкообразной деформации грудной клетки.
Тепловая сигнализация
[править | править код]- 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 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
[править | править код]- 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
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Бойко, 1991, с. 160.
Литература
[править | править код]- 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. Размытые мартенситные переходы и пластичность кристаллов с эффектом памяти формы // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 2, c. 187—212.
- Васильев А. Н., Бучельников В. Д., Такаги Т., Ховайло В. В., Эстрин Э. И. Ферромагнетики с памятью формы // 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. Мелкомасштабное фазовое расслоение и электронный транспорт в манганитах // 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. Магнитные сплавы с памятью формы: фазовые переходы и функциональные свойства // 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
[править | править код]- Об эффекте памяти металла в Киножурнале «Хочу всё знать» на YouTube
- Публикации, диссертации, патенты к теме ЭПФ
Для улучшения этой статьи желательно:
|