Металл который помнит форму
Обновлено: 21.09.2024
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.
Обработка материалов с памятью формы
Материалы с памятью формы
Металл с памятью – материал, который после его изгиба или другой деформации может восстановить начальную форму после воздействия на него теплом или электричеством. Наличие связи титана и меди, которые, распределенные по всему объему, укрепляют материал.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.05.2019 |
| Размер файла | 619,2 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
"Казанский национальный исследовательский технологический университет"
Реферат на тему
"Материалы с памятью формы"
Выполнила: Салахова Айгуль
Проверил: доцент Догадкин В.Н.
Содержание
1. Сплавы с эффектом памяти формы
2. Механизм эффекта памяти формы
3. Мартенситное превращение
МПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности. Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные превращения существуют например в таких системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.
В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения.
Новый материал с памятью остается целым даже после десятков миллионов раз трансформации его формы. Это достижение может наконец проложить путь для широкого применения материалов с памятью формы.
Рис.1 Сплавы с эффектом памяти формы
В теории, металлы с памятью формы должны стать революцией в каждой части технологической индустрии. Металл с памятью - это материал, который после его изгиба или другой деформации может восстановить начальную форму после воздействия на него теплом или электричеством. Такие футуристические материалы существуют уже на протяжении десятилетий. Основным недостатком металлов с памятью формы было их скорое изнашивание. В зависимости от сплава, такие металлы постепенно теряют возможность восстанавливать форму после трансформации от нескольких раз до нескольких тысяч. Поэтому до этих пор практическое использование металлов с памятью формы было не целесообразно.
Материаловед Manfred Wuttig из Мэрилендского университета говорит, что открытие, сделанное его командой, является итогом долгой изнурительной работы по поиску прочного металла с памятью формы. Статья, которая детально описывает данное открытие опубликована авторами в журнале Science . Образец представляет собой тонкую пленку из сплава титана и никеля (никелид титана или нитинол) с малым содержанием меди.
Ученые обнаружили металлический сплав с эффектом памяти формы случайно, и то, как полученный материал держит форму длительное время без износа еще неясно. Исследователи предложили возможные причины прочности материала. Нужно сначала понять, как работает материал с памятью формы. Для простоты, представьте, что атомы, которые составляют материал, могут создавать две разные атомные конфигурации в зависимости от того, воздействует ли на них тепло, электричество или магнитное поле. Для примера, вообразите, что металл с памятью формы состоит из атомов, расположенных таким образом, что они формируют кубическую структуру при комнатной температуре. Под действием приложенного к металлу тепла, эти атомы реорганизуются и уже образуют гексагональную упаковку, как пчелиные соты, что поменяет форму металла. При прекращении нагрева атомы возвращаются в начальное положение и снова образуют кубическую решетку. металл деформация титан
Как правило, материалы с памятью формы, при переходе их атомов между двумя конфигурациями, приобретают микродефекты. В новом сплаве титана и никеля с малым содержанием меди и кобальта, по-видимому, эти дефекты практически не возникают.
Возможно, причина, по которой сплав остается прочным, состоит в наличии связи титана и меди, которые, распределенные по всему объему, укрепляют материал. Такие титан-медные блоки удерживают прочную конструкцию при обеих конфигурациях атомов, в которую затем располагаются другие атомы.
Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. Был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы - эффект памяти формы (ЭПФ) - может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться. Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 - 1300 МПа. Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях. В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы. Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рис.2. При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза. При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается при некоторой температуре Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак - Мн или Ан - Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рисунок 2,а и б)
Рис. 2 - Зависимость фазового состава сплава от температуры:
а - широкий гистерезис; б - узкий гистерезис
Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: То - температура термодинамического равновесия; Мд - температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад - температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рисунок 2, б) температура Мд может оказаться выше температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе - ниже этой температуры (рисунок 2, а). Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. Е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд(но выше Ак), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рисунке 2 превращение аустенит - мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается эффект так называемой сверхупругости, очевидно связанный с этими явлениями. В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения превращения мартенсита в аустенит. Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti - Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu - А 1 - Ni и Сu - Al - Zn. Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti - Ni с ЭПФ разного состава приведены в таблице 1 и на рисунке 3.
Таблица 1. Характеристические температуры сплавов Ti-Ni
Рис. 3 - Зависимость температур прямого и обратного мартенситного превращений от состава сплава Ti - Ni 9
Из таблицы 1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti - Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку. Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К. Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению Мн и Мк вплоть до -196°С, а введение Zr, Та, Nb - к их повышению (до +100°С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений.
Чтобы понять феномен явления его достаточно один раз увидеть. Для эксперимента можно взять металлическую проволоку и изогнуть ее, а затем нагреть. Проволока от нагрева начинает распрямляться и затем восстанавливает свою исходную форму. Данный феномен происходит потому что при деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние в свою очередь сжимаются, при этом средние вовсе остаются неизменными. Такие вытянутые структуры называют мартенситными пластинами, которые не являются чем-то необычным для металлических сплавов. Здесь необычность проявляется в другом: в мартенсит термоупругий в материалах с памятью формы. И начинает проявляться эта термоупругость мартенситных пластин при именно при нагреве, когда появляется внутреннее напряжение, стремящееся вернуть в исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает свою исходную форму, так ка в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении. Все металлы и сплавы имеют свою кристаллическую решетку, параметры которой заданы изначально. Но может осуществляться перестройка этой кристаллической решетки в связи с изменением температуры и давления. В данном случае говорят, что происходит полиморфное превращение, то есть смена типа кристаллической решетки (происходит ее перестройка).
Полиморфное превращение может осуществляться при помощи двух способов: воздействия высоких температур, при которой подвижность атомов возрастает и мартенситного превращения. Что бы понять сущность первого способа можно представить в виде атомов детские кубики, а в виде кристаллической решетки- здание из этих кубиков-атомов. Чтобы осуществить полиморфное превращение, то есть построить из этих же кубиков, но уже другое здание необходимо просто разобрать старое и собрать новое здание. Поскольку путь каждого кубика при перестройке совершенно не связан с другими, то он может оказаться абсолютно в любом месте нового здания. Перестройка решетки по такой схеме может произойти только в случае, когда диффузия, то есть подвижность атомов достаточно высока, для того чтобы осуществить перемещение их на совершенно новые места. Однако, для того чтобы произвести перестройку кристаллической решетки, когда температура полиморфного превращения не достаточно высока, нужно применять бездиффузионный способ. При изучении закалки - одного из древнейших и основных процессов термической обработки стали был и обнаружен такой бездиффузионный способ. В результате закалки образуется фаза с новой кристаллической решеткой, то есть мартенсит. Именно поэтому второй способ смены типа кристаллической решетки (полиморфного превращения) получил название мартенситного превращения. Мартенситное превращение является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Данный способ характерен для сталей, чистых металлов, полупроводников, цветных сплавов и полимеров всегда в случае перестройки решетки при отсутствии диффузии. Если вернуться к примеру с кубиками-атомами, то в случае с мартенситным превращением особенность заключается в том, что отсутствует диффузия и поэтому старое здание невозможно просто разобрать. Здесь кубики перемещаются без разрушения межатомных связей, то есть не отрываясь друг от друга и почти одновременно из старых положений в новые. Мартенситное превращение потому иногда называют сдвиговым, что такое согласованное и коллективное перемещение носит характер сдвига. Именно кооперативный сдвиг атомов приводит к неизбежному изменению формы объема сплава, а изменение формы и является главной особенностью мартенситного превращения. С данной особенностью и связан эффект памяти сплавов, однако не все сплавы, которые претерпевают мартенситное превращение, могут обладать памятью. При мартенситном превращении изменение формы является необходимым условием, но все же недостаточным для проявления памяти. Можно выделить три основных события в истории изучения мартенситных превращений, оказавших непосредственное влияние на формировании нового направления, которое занимается изучением эффекта памяти формы в сплавах и применением данного эффекта. Первое из этих трех событий произошло в 1949 году, когда была опубликована статья Г.В. Курдюмова и Л.Г. Хандроса "О термоупругом равновесии при мартенситных превращениях" в журнале "Доклады Академии наук СССР". В данной статье описывалась особенность мартенситного превращения в медном сплаве. Она заключалась в том, что при охлаждении этого медного сплава мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве и вовсе постепенно исчезали. В данном случае, если провести аналогию с пружиной, можно сказать, что она способна останавливать рост кристалла прежде, чем разрушится сама. Подпружиненным оказывается кристалл мартенсита, что в свою очередь и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой. Получается, что если охлаждать, то граница будет смещаться в одну сторону, а если нагревать- в другую, т.е. обратную. Описанное явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле. Стоит отметить, что изменением формы сопровождается и термоупругое мартенситное превращение, только в данном случае изменение имеет обратимый характер. И именно такое превращение и обеспечивает память металлов. Второе событие относят к 1958 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе было представлено устройство двух американских ученых: Т. Рида и Д. Либермана. Основой такого устройства служил тонкий длинный стержень из золото-кадмиевого сплава. Один его конец был жестко закреплен в стойке в горизонтальном положении, а на другой вешали груз и под тяжестью он изгибался. Однако необычным было то, что когда стержень нагревали, то он выпрямлялся и спокойно поднимал груз, если же его охлаждали, то он снова становился изогнутым. Таким способом было наглядно продемонстрированно свойство памяти формы у металлов. В начале 60-х годов в Америке произошло третье ключевое событие, когда в результате поиска прочного, относительно легкого и при этом имеющего способность работать в агрессивных средах, ученые создали сплав никеля с титаном в пропорции один к одному. Данный сплав при обработке проявил свойство памяти формы, о котором даже не подозревали. Эффект памяти проявлялся очень сильно и это открывало широкие перспективы для использования такого сплава. Новый материал получил название нитинол- производное от трех слов: никель, титан и название лаборатории НОЛ. Как стало известно позже, и в данном случае свойство памяти формы основывалось на мартенситном превращении.
4. Нитинол
Сплав титана и никеля практически в равных пропорциях (45% и 55%) принято называть нитинолом или никелидом титана. Данному сплаву присущи такие свойства, как память первоначальной формы и сверхупругость.
Рис.4 Нитинол
Эффект памяти первоначальной формы нитинола выражается в способности при повышении температуры воздействия до порога фазового превращения восстанавливать деформированный профиль в исходное состояние, которое было придано нитинолу при определенной температуре.
Рис.5.Схема эффекта памяти
Сверхупругость проявляется во время перехода при нагревании из одного структурного внутреннего состояния в другое. При достижении значения фазового превращения сплав как пружина принимает первоначальный вид.
Нитинол свое название получил путем сложения названий материалов (Ni - никель и Ti - титан) и лаборатории, где он был впервые получен (nol - Naval Ordnance Laboratory). Это произошло это в 1959 году.
Эффект памяти формы
Как бы вы отреагировали на заявление о том, что памятью могут обладать не только живые существа, но и неживые? Например металлы. Наверное подумали бы, что человек, который так говорит не в своем уме?
Но я посоветовал бы не делать поспешных выводов, а ознакомиться с данной статьей, и ваши взгляды изменятся!
Если взять кусок проволоки и согнуть его пополам, а затем попытаться его вернуть в первоначальное состояние (разогнуть), то он уже не будет таким же ровным, каким был изначально. На месте сгиба все равно останется выпуклость, которая будет напоминать всем о том, что его сгинали.
Но спектр материалов, которые встречаются на нашей планете, а также материалов, которые были получены, благодаря научным исследованиям или случайным открытиям, очень широкий. И в нем нашлось место даже таким металлам, которые могут сами возвращать свою форму! Правда для этого этот материал нужно чуть-чуть подогреть (достаточно положить в теплую воду).
Почему же так происходит?
Все дело во внутреннем строении материалов с памятью формы.
Если рассмотреть поперечное сечение места сгиба проволоки, сделанной из такого материала, можно увидеть, что в исходном состоянии она ничем не примечательная с виду. Однако, после деформирования (сгиба) проволоки ее верхние слои растягиваются, а нижние сжимаются. Вроде бы и тут ничего особенного. Но в материалах с памятью формы данные слои представляют собой термоупругие пластины, которые могут возвращаться в исходное состояние под действием температуры!
В растянутой части при воздействии температуры начинают действовать сжимающие внутрие напряжения (силы, которые хотят сжать), а в сжатой части – растягивающие. Таким образом под действием этих внутренних напряжений и происходит возвращение исходной формы материала. То есть материал “помнит” свою исходную форму, и как только его температура становится достаточной для возникновения внутренних напряжений, он, словно растянутая пружина, стремится в исходное состояние.
Какие материалы обладают памятью формы и для чего они нужны?
Самым известным и широко применимым материалом является нитинол (сплав никеля с титаном). Еще известно несколько сплавов, например Cu—Zn—Al, Cu—Al—Ni и другие.
Эти сплавы можно использовать в качестве игрушки, при помощи которой можно показывать фокусы. Например скрепка, которую можно разогнуть, а потом при помощи “магии”, она сама принимает исходную форму. Или ложка, которая сгинается силой мысли.
Но помимо игрулек, такие материалы имеют и широкое практическое применение. Например из них изготавливают медицинские стены, которые вставляются для расширения кровеносных сосудов. Стен в сжатом состоянии доставляется к месту установки, затем под действием температуры крови он принимает свою исходную форму (расширяется и тем самым служит распоркой для сосуда).
Еще их применяют в качестве термопредохранителей. При коротком замыкании происходит разогрев проводки, обычные предохранители при этом просто расплавляются и требуют замены, а термопредохранители – изменяют свою длину, тем самым размыкая цепь. А при остывании они вновь увеличиваются в длине и снова ее замыкают.
Ученые открыли металлы с памятью формы
Ученые из Миннесотского университета в журнале Nature опубликовали отчет о новом металлическом кристалле, способном изменять свою форму. Это образец нового семейства «умных» материалов, которые можно широко использовать, начиная с космических аппаратов и заканчивая электроникой и реактивными двигателями.
В кристалле под названием «мартенсит» атомы располагаются двумя разными способами, плавно переключаясь от одного к другому. В отличие от уже существующих технологий, это вещество под воздействием разных температур может изменять форму десятки тысяч раз, при этом не разрушаясь.
Мартенситные металлы изменяют форму при нагревании или охлаждении до, определенных температур, когда атомы, составляющие их структуру, быстро преобразуют свою структуру. Иногда эту трансформацию называют «военной», так как ряды атомов, из которых состоит кристаллическая решетка, переходят в новую форму, подобно выполняют приказ.
Это свойство мартенситов можно использовать в «умных» механизмах, которые реагируют на изменение температур. В пример можно привести автоматически открывающиеся окна в теплице, устройство корректировки положения солнечных батарей по направлению к Солнцу на телескопе Hubble, и, совсем новое применение в самолете Boeing 787 Dreamliner для изменения задней кромки обтекателя двигателя для подавления шума при взлете.
«Можно будет создать устройства, которые непосредственно преобразуют тепло в электрическую энергию. Они смогут использовать тепловыделение от компьютеров и мобильных телефонов для подзарядки аккумуляторной батареи, и таким образом сделают их более продуктивными». Пока вещество претерпевает различные атомные изменения, можно увидеть, как кристаллы не его поверхности выглядят подобно микроскопическим рекам.
Структура соединена без вспомогательных слоев, и возможно это является ключевым моментом в их долговечности и потенциале. Новый материал так же можно будет использовать в улучшенных и эффективных микроэлектромеханических системах – устройствах, в которых мелкие вибрации непосредственно преобразуются в электрическую энергию. Подобные вещи уже сегодня используются в системе слежения за давлением в автомобильных шинах.
Физики из международной коллаборации DZero открыли новую частицу, получившую название тетракварк. Исследование направлено на публикацию в журнал Physical Review Letters, кратко о нем сообщается на сайте Фермилаба.Частица образована четырьмя кварками (верхним, нижним, странным и прелестным). Ее масса равняется ..
В 2004 году впервые был получен такой материал как графен, представляющий собой двумерную аллотропную модификацию углерода, образованную слоем атомов углерода толщиной в один атом. В 2010 году двое физиков: А.К. Гейм и К.С. Новоселов, получили ..
Группе американских исследователей удалось найти способ выращивания углеродных нанотрубок на листе графена. Их открытие позволяет покрывать плотным лесом из вертикально ориентированных нанотрубок материалы, которые ранее не допускали подобную операцию. Подробное описание методики приводится на страницах ..
Японские, украинские, американские и корейские ученые открыли новые необычные свойства света. Авторы опубликовали исследование в журнале Nature Communications, кратко с ним можно ознакомиться на сайте RIKEN, крупного японского Института физико-химических исследований. Исследуя динамические характеристики эванесцентной волны, ..
Физики из Вены и Нью-Йорка впервые продемонстрировали снимки камеры, когда последняя не видела оригинал изображения. Визуализация, сделанная аппаратом при помощи трафарета и лазеров, имеет форму кошек и символически напоминает о квантовом эффекте кота Шредингера. Результаты своих исследований ..
Ученые из Университета Небраски-Линкольна предсказали существование семнадцатой формы льда с рекордно низкой плотностью. Результаты работы были опубликованы в журнале Science Advances.Новая форма льда, согласно исследованиям ученых, при обычных условиях представляет собой клатрат s-III — кристаллическое ..
Онкологи из сингапурского Агентства по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR) сумели идентифицировать биомаркер мультиформной глиобластомы — самой смертельной формы опухолей головного мозга.Как пишут исследователи в журнале Cell Reports, использование этого маркера в качестве мишени позволяет ..
Алмазные кристаллы, имеющие специальную форму и сложную поверхность, будут использованы при создании научной установки, с помощью которой ученые могут воспроизвести постоянное давление, превышающее давление в центре Земли. Новая технология изготовления и обработки алмазных кристаллов, своего ..
По данным нового исследования, покрытие нанотрубок может помочь служить зубным имплантатам дольше, заживать быстрее и бороться с инфекцией. Ученые из США продемонстрировали костные клетки, которые растут быстрее и лучше держатся титановых, покрытых диоксидом титана (TiO2) нанотрубок, ..
Китайские ученые обнаружили, что добавление к силоксановому маслу наночастиц оксида титана резко усиливает скорость его испарения. Препринт работы выложен в архиве Корнельского университета, а ее краткое содержание приводит блог Technology Review.Необычное влияние наночастиц на испарение масла ученые ..
В Китае работающая на электрон-позитронном коллайдере группа физиков открыла новую тяжелую частицу, которая, вероятно, состоит из очарованных кварков, однако ее свойства не укладываются в существующие представления о таких частицах. Эксперимент BESIII, который проводит группа физиков из Китая, Украины, ..
Исследователи из университета Ульма открыли в стволовых клетках молекулярный механизм, который контролирует взаимодействие между клетками. Нарушения в работе этого переключателя ведут к появлению различных заболеваний. Ученые провели эксперимент с использованием лабораторных мышей и клеточных культур гемопоэтических стволовых ..
Астрофизики из Швейцарии и Великобритании сообщили о новых неожиданных свойствах темной материи. В своих наблюдениях ученые заметили, что она взаимодействует сама с собой значительно меньше, чем считалось ранее. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Science, а кратко с ними можно ..
Если углерод в виде нескольких слоев графена обработать водородом, он способен превращаться в диаман — сверхтонкую алмазную пленку. Открытие, которые совершила российско-американская группа физиков под руководством Павла Сорокина из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, опубликовано ..
Читайте также: