Эффект памяти формы металлов

Обновлено: 18.05.2024

1. Механизмы образования эффекта памяти формы

Преобладающее большинство металлов и сплавов при напряжениях, превышающих предел упругости, после снятия нагрузки не воспроизводят первоначальных размеров и формы. В настоящее время достаточно широкое применение в различных отраслях современной техники и промышленности находят сплавы, проявляющие эффект памяти формы (ЭПФ). Образцы, изготовленные из этих сплавов после пластической деформации, восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму в результате нагрева или непосредственно после снятия нагрузки. К ним относятся сплавы на основе AuCd, CuAlNi, CuZnAl, CuSn, TiNi, MnCu, CuZn, FeMn, TiNiCu, FePb и др. Одним из широко используемых материалов с памятью формы является никелид титана (TiNi).

Одной из важнейших особенностей материалов с памятью формы является изменение фазового состава и, как следствие, механических свойств при термическом или силовом воздействии. При понижении температуры или приложении нагрузки аустенитная фаза (А) превращается частично или полностью в мартенситную фазу (М). Таким образом реализуется прямое мартенситное А→М превращение. При возврате температуры к исходному значению или прекращению действия нагрузки происходит обратное мартенситное превращение (М→А).

Свободная энергия рождающихся кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы. Именно это стимулирует развитие мартенситного перехода. Однако появляются силы, препятствующие переходу. Прежде всего, это повышение свободной энергии из-за возникновения границы раздела старой и новой фаз. Кроме того, растущие кристаллы мартенситной фазы вынуждены деформировать окружающую матрицу. В результате возникает упругая энергия, которая препятствует дальнейшему росту кристаллов. Когда эта энергия превысит предел упругости происходит интенсивная деформация материала в окрестностях границы раздела фаз. Рост кристалла прекращается. Этот процесс может происходить исключительно быстро, подобно взрыву, тогда отдельные кристаллы мартенсита вырастают практически мгновенно до своих конечных размеров.

Обратный переход мартенсита в аустенит уже не может произойти по обратному «взрывному» механизму. Нужен значительный перегрев сплава, чтобы в недрах мартенсита начали зарождаться и расти кристаллы аустенита. Это явление получило название термоупругого равновесия фаз.

На Всемирной выставке в Брюсселе внимание посетителей привлекло устройство, основной частью которого был тонкий стержень диаметром 3 мм, длиной 100 мм из золото-кадмиевого сплава (66 % золото). Один конец стержня был жёстко закреплен в стойке, а сам стержень находился в горизонтальном положении. На свободный конец стержня подвешивали груз (50 г), под тяжестью которого стержень изгибался. Затем к стержню подводили тепло. Стержень выпрямлялся и поднимал груз, но стоило вентилятору охладить стержень, как он снова изгибался. Процесс изгиба и выпрямления стержня мог продолжаться сколь угодно долго. Это была действующая модель теплового двигателя, у которого твёрдое рабочее тело из золото-кадмиевого сплава в результате нагрева и охлаждения обратимо меняло форму, что было следствием термоупругого мартенситного превращения.

Сплавы имеют поликристаллическое строение, т. е. состоят из множества отдельных кристаллитов (зёрен), которые отличаются ориентацией кристаллических решеток. Поскольку сдвиг атомов при мартенситном превращении происходит в решетке по определенным плоскостям и в определённом направлении, то в силу различной ориентации зёрен сдвиги в каждом зерне будут осуществляться в самых разных направлениях. Поэтому после мартенситного превращения, несмотря на значительную деформацию отдельных кристаллов, образец в целом не претерпевает заметного изменения формы.

Под действием нагрузок увеличивается количество кристаллов с мартенситной деформацией, совпадающей по направлению с приложенным усилием. Процесс развивается до тех пор, пока все кристаллы не выстроятся, а образец в целом не продеформируется в направлении действия силы. При нагреве они возвращаются на свои исходные позиции, восстанавливая первоначальную форму изделия.

Таковы механизмы, благодаря которым реализуется эффект памяти формы, основанный на термоупругом равновесии фаз и управляющем действии нагрузок.

Эффект памяти формы может возникнуть в случае термомеханической обработки сплава, создающей внутри материала микронапряжения, действия которых аналогичны действию силовой нагрузки. В результате сплав при охлаждении самопроизвольно принимает одну форму, а при нагреве возвращается к исходной форме. Например, пластина сворачивается в кольцо при охлаждении, а при нагреве выпрямляется или наоборот.

Часто у материалов с памятью формы наблюдается сверхупругость. Этот эффект проявляется в том случае, если мартенситное превращение вызывается не охлаждением, а приложением внешней нагрузки. В этом случае наблюдается

значительная деформация изгиба, которая исчезает при снятии нагрузки. При этом величина упругой деформации на порядок выше, чем у лучших пружинных материалов.

Материалы с памятью обладают высокой циклической прочностью, т. е. способностью выдерживать большие знакопеременные нагрузки без разрушения. В этом случае долговечность изделий из сплавов с памятью может быть в тысячи раз больше, чем у изделий из традиционных материалов.

Материалам с памятью присуща высокая способность рассеивать механическую энергию. Это связано с тем, что при мартенситных превращениях перестройка кристаллической решетки сопровождается выделением или поглощением энергии. Поэтому если внешняя нагрузка вызывает мартенситное превращение, то происходит интенсивный переход механической энергии в тепловую.

2. Технология производства сплавов с эффектом памяти формы

Никелид титана в жидком состоянии легко поглощает газы и взаимодействует со многими веществами, поэтому его выплавка производится в вакууме или атмосфере чистого инертного газа. Хорошее качество металла достигается применением комбинированного способа плавки, при котором в начале плавка производится в вакуумной печи, после чего полученный электрод вторично переплавляют в электродуговой вакуумной печи в слитки массой до 1 т.

Никелид титана подвергают обработке давлением в интервале температур 700-900 ºС. Нагрев до более высоких температур опасен из- за сильного окисления и образования хрупкого газонасыщенного поверхностного слоя.

Особенно важную роль играет технологическая операция термофиксации. Сложность этой операции обусловлена проявлением эффекта памяти после придания заготовке из никелида титана требуемой формы. Заготовку деформируют при комнатной температуре. Для сохранения формы и размеров производят жесткое фиксирование по всем степеням свободы с последующим нагревом в вакууме до температуры 650-700 ºС, т. е. до аустенитного состояния. В результате такой операции достигается стабильное состояние структуры и формы, которые объект «запоминает».

Никелид титана в зависимости от состава и условий деформирования может иметь как однократно, так и многократно обратимый эффект памяти. Многократно обратимый эффект памяти проявляется при термоциклировании через интервалы прямого и обратного мартенситный переходов. Этот эффект проявляется как в нагруженном, так и не нагруженном состоянии материала и сохраняется практически независимо от числа теплосмен.

Для повышения триботехнических характеристик проводится химико-термическая обработка, состоящая из оксидирования и азотирования трущихся поверхностей.

Сварка никелида титана производится такими же способами, что и других титановых сплавов: аргоно-дуговым, электронно-лучевым и др.

Механическая обработка никелида титана вызывает затруднения. В процессе резания происходят структурные превращения в поверхностном слое, приводящие к появлению эффекта памяти и резкому изменению механических свойств. Для механической обработки следует применять твёрдосплавные резцы с оптимальной геометрией и специальные охлаждающие среды.

3. Применение материалов с памятью формы

Среди всех известных материалов с памятью формы наиболее перспективным для технического применения является никелид титана (нитинол). Сплавы на основе никелида титана обладают высокой демпфирующей способностью. В узком температурном интервале от 5 до 40 °С они способны восстанавливать предварительно заданные однократные и обратимые деформации, превосходящие деформации, генерируемые обычными упругими элементами. Сплавы на основе никелида титана высокотехнологичны при изготовлении различных полуфабрикатов (пластины, проволока, прутки и т. д.), обладают высокой износо- и коррозионной стойкостью, проявляют высокую биосовместимость с тканями организма человека.

Материалы, обладающие свойством памяти формы и сверхупругости, при воспрепятствовании восстановлению исходной формы при нагреве генерируют механические усилия, называемые реактивными. Реактивные силы могут достигать значительных величин. Эффект генерации реактивных сил может быть использован для создания силовых и энергетических установок. Трубчатый силовой элемент пресса с наружным диаметром 14 мм и толщиной стенки 1 мм развивает усилие до 20000 Н. С целью экономии полезного пространства можно использовать комбинированные конструкции, у которых все рабочие элементы являются активными. Примером такой конструкции является телескопический малогабаритный домкрат (рис. 1), у которого сквозные цилиндры развивают деформацию сжатия, а глухие – деформацию растяжения.

Рисунок 1 — Телескопический малогабаритный домкрат, состоящий из сквозных (в) и глухих (г) цилиндров: а – исходное состояние; б – после восстановления формы

Муфты с термомеханическим соединением труб применяют во многих конструкциях гидросистем реактивных самолётов (рис. 2), причем каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено. Преимуществом муфт, изготовленных из сплавов с памятью формы, помимо их высокой надёжности, является отсутствие высокотемпературного нагрева (в отличие от сварки). Поэтому свойства материала в окрестности соединения не ухудшаются. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атомных подводных лодок, надводных кораблей, при ремонте трубопроводов для перекачки нефти со дна моря. В некоторых случаях для изготовления муфт применяются сплавы Cu-Zn-Al.

Рисунок 2 — Использование муфт с памятью формы: а – в состоянии сборки; б – конечное состояние; 1 – муфта; 2 – труба

В особых случаях при соединении листовых (плоских) деталей, когда недопустимо использование заклёпок или болтов, могут быть применены штифты с памятью формы (рис. 3). Штифты в исходном состоянии имеют раскрытый торец (рис. 3 а). Перед операцией крепление штифта погружается в сухой лёд или жидкий азот. В результате охлаждения торец штифта выпрямляется, и его вводят в отверстие (рис. 3 б, в). При повышении температуры до комнатной происходит восстановление формы, торцы штифта разводятся (рис. 3 г), операция крепления завершается. Применение таких конструкций штифтов с памятью гарантирует герметичность и исключает возможность расстыковки соединений.

Рисунок 3 — Схема конструкции и соединения штифтами с памятью

Разновидностью муфты с памятью формы является электрический соединитель проводов (рис. 4). Втулка 1, которая является гнездом соединения, изготавливается из упругой бериллиевой бронзы. В ней прорезается продольный паз, затем разгибаются торцевые части. Сборку соединения производят при низкой температуре, понижение которой осуществляют обдувкой газом или холодным воздухом. Сборку производят в следующей последовательности. Сначала внутрь втулки вводят электрический штекер 2, а снаружи насаживают обжимающее кольцо. При повышении температуры до комнатной кольцо восстанавливает форму, плотно сжимая втулку и штекер.

Рисунок 4 — Схема сборки электрического соединителя с памятью формы: 1 – втулка; 2 – штекер; 3 – обжимное кольцо с памятью формы; 4 – соединение в сборе

С помощью нитинола герметизируют корпуса радиотехнических приборов без применения сварки или пайки. Плоскую крышку предварительно деформируют в полусферу и свободно устанавливают в корпусе прибора. При нагреве крышка возвращается к исходной плоской форме, при этом врезается в пазы корпуса, надежно изолируя прибор от внешней среды.

Металлы с памятью формы

Существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – т.н. металлы с памятью формы.

Описание:

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 существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – т.н. металлы с памятью формы.

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

Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление:

1. Есть металлическая проволока;

2. Эту проволоку изгибают;

3. Начинаем нагревать проволоку;

4. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений. Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях и может проявляться несколько миллионов циклов.

Эффект памяти формы сплава можно усиливать предварительными термообработками. Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда металл с памятью формы при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.

Памятью формы в разной степени обладают следующие металлы и их сплавы : Ni – Ti, Ni – Al, Ni – Co; Ti – Nb; Au – Cd; Fe – Ni, Fe – Mn – Si; Cu – Al, Cu – Mn, Cu – Al – Ni, Cu – Zn – Al и др.

Fe – Mn – Si – наиболее дешевый сплав .

Механизм реализации эффекта памяти формы:

1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами).

2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В материалах с памятью формы мартенсит является термоупругим.

3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние.

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.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют прямые и обратные мартенситные превращения. Мартенситное превращение ‐ полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием.

Под прямым мартенситным превращением понимают превращение из высокотемпературной гранецентрированной кубической фазы (аустенит) в низкотемпературную объемно‐центрированную кубическую фазу (α‐ мартенсит). Обратное превращение – из объемно‐центрированной кубической фазы в гранецентрированную кубическую.

Никелид титана:

Никелид титана – лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности.

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 при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение.

– превосходной коррозионной стойкостью,

– высокой прочностью,

– хорошими характеристиками формозапоминания,

– хорошей совместимостью с живыми организмами ,

– высокой демпфирующей (поглощением шума и вибрации) способностью материала.

контроль методом магнитной памяти металла
магнитная память металла приборы
металл с памятью формы соединение видео купить на очки как называется
металл с эффектом памяти
металл имеющий память
металл обладающий памятью
дубов метод магнитной памяти металла и приборы контроля неразрушающий контроль
отчет по магнитной памяти металла
память металла видео опыт
физические основы метода магнитной памяти металла скачать
эффект памяти металлов в литейном производстве
эффект памяти формы металлов

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.

Читайте также: