Имеет ли металл память

Обновлено: 05.07.2024

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Для меня всегда были интересны различные свойства металлов. Больше всего меня привлек эффект памяти. Это совсем не обычное свойство. Сначала я даже не поверил что такое может существовать. Поэтому давайте разберемся с этим необычным свойством в моей работе

Эффект памяти металлов

Уникальные характеристики параметров сплавов с эффектом памяти (ЭПФ) на основе никелида титана, такие как степень восстановления, развиваемые усилия, величина накопленной обратимой деформации при повышенной пластичности, высокая коррозионная стойкость, определяют перспективу их широкого применения в технике. Свойства при определенных условиях длительно сохранять деформированное состояние детали позволили разработать такие технологические процессы, при которых сам материал в ходе фазовых превращений осуществляет целенаправленную работу. Исходя из условий назначения и эксплуатируемых характеристик конструкций, эти работы могут осуществляться как в интервале температур эксплуатации, так и за его пределами.В США, Великобритании и других странах такие материалы нашли массовое применение в авиакосмической и судостроительной технике, при изготовлении соединительных муфт для гидрогазовых систем трубопроводов. В 80‑тых годах для отечественной промышленности были подготовлены, испытаны и предложены к внедрению аналогичные разработки, развитие которых актуально и сейчас.

Наиболее широкое применение — это изготовление высокопрочных соединений трубопроводов муфтами ТМС (термомеханические соединения). Прочностные и эксплуатационные характеристики соединений применительно для авиационной промышленности регламентируются отраслевым стандартом ОСТ 1.13681–80 «Соединения трубопроводов неразъемные термомеханические». В данной конструкции материал муфты выполняет работу по деформации законцовок труб для образования герметичных соединений труба-муфта-труба [1].

Высокая надежность и плотность монтажа (в том числе и в труднодоступных местах), низкая трудоемкость монтажно-сборочных работ, возможность осуществления ремонтно-восстановительных работ без промывки и последующего рентгеноконтроля позволяют рассматривать эти соединения как одно из перспективных направлений. Конструктивно для таких соединений возможно применение разнородных материалов и тонкостенных труб без термического разупрочнения с обеспечением вакуумной и водородонепроницаемой герметичности. Эксплуатация таких трубопроводных систем возможна во всех климатических условиях при давлении до 800 атм. и температуре от –120°C до + 250°C.

Механизм и условия проявления ЭПФ

Обеспечение высоких и стабильных термомеханических характеристик никелида титана в конкретных устройствах во всем интервале температур эксплуатации требует умения варьировать параметры ЭПФ и сверхупругости (СУ) в широких пределах.

Следует отметить, что сверхупругость может достигать до 10% от деформации. Эта деформация может проявляться в окрестностях интервалов мартенситных превращений (МП), а при соответствующих металлургических и термомеханических переработках распространяться до температур на 200°C, превышающих интервал обратного МП.

Таким образом, можно иметь конструкции из материалов, обладающих свойством СУ в интервале температур эксплуатации. Это явление связано с ромбоэдтрическим (R) превращением. Исследования электронной структуры и структурной неустойчивости TiNi, проведенные А. И. Лотковым, показывают, что ромбоэтрическому превращению предшествует переход с изменением локализации электронов и изменением топологии поверхности Ферми. Уровень Ферми в TiNi расположен в окрестностях состояния острой плотности. Поэтому даже небольшое повышение или снижение концентрации электронов или их перераспределение по энергии приводит к изменению концентрации атомов Ni в матрице и изменению температур превращения.

Целенаправленную работу восстановления муфты при нагреве осуществляет материал. Генерируемые напряжения в процессе восстановления размеров определяются видами и последовательностями фазовых превращений.

Создание соединений ТМС производится в интервале температур за пределами температуры эксплуатации соединений. Такие температуры должны быть на 15÷20°C ниже температуры конца аустенитного превращения Ак.Верхний предел температур эксплуатации (Тmax~300°C) определяется состоянием сплава при предельной температуре Md, когда действующие напряжения стимулируют образование мартенсита напряжений. В зависимости от соотношения компонентов Ti и Ni в матрице сплава такие превращения могут происходить в широком интервале температур от –200 до +120°C.

Если в криогенной и космической технике нижний предел эксплуатации начинается от –150°C, то для авиации он устанавливается в пределах от —60°C. Для судостроительной промышленности, тепловых и атомных электростанций эти пределы не превышают 0°C и определяются свойствами, циркулирующими в трубопроводах жидкостей .

Следовательно, при изготовлении муфт для авиа- и космической техники, используются такие материалы, у которых фазовые превращения (Мн-Мк и Ан-Ак) находятся в области криогенных температур — (90÷150)°C.

Мн-Мк — это температуры начала и конца прямого мартенситного превращения соответственно; Ан-Ак — температуры начала и конца обратного мартенситного превращения (МП). В этом случае деформация муфт и монтаж соединений осуществляется в криогенных условиях, что вызывает определенные трудности. Деформация муфт и их хранение до сборки требует применения жидкого азота в качестве хладагентов. Материалы, используемые для деформирующих инструментов и в качестве смазки, должны быть работоспособны в таких условиях. Предварительное охлаждение соединяемых элементов трубопроводов и ограничения по временному фактору (нагрев и быстрое восстановление исходных размеров муфт в течение 15–40 сек.) вызывают определенные трудности при их сборке.

Для трубопроводов, у которых нижний предел эксплуатации не превышает 0°C применяются сплавы с температурами прямого мартенситного превращения (Мн-Мк), не более –30°C. При образовании соединений трубопроводов обратные мартенситные (Ан-Ак) превращения осуществляются при температурах, превышающих 0°C. В этом случае с целью образования термоупругого состояния мартенсита и увеличения внутреннего диаметра муфт технологические процессы по деформированию материала осуществляются при температурах, не превышающих –40°C. Такие условия реализуются с применением охлаждающих жидкостей, которые не замерзают при температурах — (45÷50)°C. К ним относятся керосин, минеральные масла, жидкости гидросистем и аналогичные материалы. Обеспечение низких температур в охлаждающих жидкостях может осуществляться с использованием сухого льда или паров жидкого азота, с применением стандартных холодильных установок — устройств, использующих электрический эффект Пелтье и т. п. До осуществления сборки хранение деформированных муфт производится в любых устройствах, поддерживающих температуру не выше 0°C. Сборка соединений осуществляется при комнатных температурах без предварительной (тепловой) подготовки элементов трубопроводов. Для обеспечения высокой надежности соединений производится незначительный нагрев муфт ТМС до температур + 40÷60°C.

Испытания избыточным давлением показывают, что разрушения трубопроводов происходят по телу трубы, а не в местах соединений ТМС.

Рис.1 деформация ложки из нитинола при нагреве

Заключение

В ходе работы, я узнал по какому принципу работает память металлов: они могут хранить исходную форму в своей памяти очень долго, а вспоминают ее при нагреве, так что в наших силах “взывать к памяти” металла в тот момент и в той обстановке, когда нам это потребуется.

Имеет ли металл память

Исследование свойств металлов с памятью формы

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

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 – металлы с памятью формы.

Данная работа посвящена металлам с памятью форм, их использованию в технике и исследованию некоторых свойств таких металлов.

Проблема исследования заключается в том, что, несмотря на то что учёные уже неплохо изучили металлы с памятью форм, в технике такие металлы находит все большее применение.

С научной точки зрения актуальность состоит в ознакомлении со свойствами металлов с памятью форм и постановкой эксперимента для изучения некоторых физических закономерностей, возникающих при этом.

Актуальность с личной точки зрения, состоит в расширении моих знаний о физических свойствах металлов. В процессе работы над проектом я смог исследовать одно из физических свойств металлов с памятью форм в школьной лаборатории.

Учебное исследование реализуется в предметных рамках физики, химии.

Объект исследования: Металлический сплав с памятью форм.

Предмет исследования: Некоторые физические свойства, возникающие в металлах с памятью форм.

Гипотеза исследования: Металлы с памятью форм обладают рядом уникальных физических свойств, которые широко применяется в различных областях науки и техники.

На основании выше изложенного мы ставим пред собой следующие цели:

- изучить данное явление при помощи научных источников;

- создать экспериментальную установку для изучения некоторых свойств металлов с памятью форм;

- исследовать некоторые физические закономерности, свойственные металлам с памятью форм;

- рассказать и продемонстрировать учащимся нашего лицея результаты исследования.

Для реализации поставленной цели, мною были выдвинуты следующие задачи:

Изучить источники информации по теме работы;

Провести классификацию научной информации;

Обобщить изученную информацию .

Создать экспериментальную установку;

Исследовать некоторые физические закономерности, свойственные металлам с памятью форм;

Рассказать и продемонстрировать учащимся мой проект.

Практическая значимость: в конце работы будет проведено исследования металла с памятью форм, которое может быть использована на уроках физики, химии и технологии.

МЕТАЛЛЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

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

Наиболее ярким представителем металлических материалов с памятью формы является сплав никеля и титана (никелид титана, другое его название - нитинол). Он является наиболее изученным из сплавов, хотя на конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов.

Данный эффект в металлах и сплавах имеет не только научное, но и практическое значение. Так, в ряде случаев его применение обеспечивает решение очень сложных технических проблем. Форма элементов может быть различной в зависимости от назначения (пластина, пружина, стержень и т.д.). При растяжении-сжатии элемента на его материал действуют силы кручения-изгиба, что позволяет получать большие деформации при незначительном изменении температур превращения внутри самого материала. В настоящее время эффект памяти формы находит применение в приборостроении, судостроении, космической отрасли и др. Впервые сплав с памятью формы был применен в самолете в 1971 году в ВМС США. Это стало большим достижением [1, 2].

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 [4].

МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ:

1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами) [8].

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 [4].

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 — лидер среди материалов с памятью формы по применению и по изученности.

Никелид титана обладает:

— превосходной коррозионной стойкостью,

— хорошими характеристиками формозапоминания,

— хорошей совместимостью с живыми организмами ,

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

Жизненно важной отраслью для человека является медицина. В этой области металлы с эффектом памяти формы нашли свое применение. С помощью таких металлов научились создавать фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, зажимы для защемления слабых вен, стержни для коррекции позвоночника при сколиозе, оправы для очков, ортопедические импланты, проволоки для исправления зубного ряда и еще огромное множество других полезных и жизненно необходимых медицинских устройств [6].

В промышленности:

Применение эффекта памяти формы позволяет решать многие технические задачи, такие как:

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)[7].

В космической отрасли:

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 [7].

Феноменология эффекта памяти формы у металлов проявляется при нагреве до температуры мартенситного превращения после предварительного охлаждения.

Для выявления зависимостисвойств металла с памятью форм путем измерения показаний температуры нагревания металла и времени, за которое металл принимает исходную форму, была сделана установка.

Нагрев происходит с помощью горячей воды. Данные температуры измеряются с помощью датчика температуры, время замеряется секундомером. Металлическая деформированная скрепка помещается в калориметр, заливается горячей водой разной температуры. Измеряется время, за которое металл принимает первоначальную форму. Диаметр проволоки – 0,2мм.

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:

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

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).

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

Читайте также: