Металл который запоминает форму

Обновлено: 08.07.2024

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

Обработка материалов с памятью формы

Эффект памяти формы

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

Содержание

Введение

Однако, казалось бы, вопреки здравому смыслу, существует ряд материалов, металлических сплавов, которые при нагреве, после предварительной деформации, демонстрируют явление возврата к первоначальной форме. То есть эти металлы, не являясь живыми существами, обладают особым свойством, позволяющим им проявлять своеобразную память.

Феномен

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

Почему так происходит? (См. рис. 2)

В исходном состоянии в материале существует определенная 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

Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.

Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом. (См. далее «Материалы с памятью формы») 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: М_Н и М_К — начало и конец прямого мартенситного превращения при деформации, А_Н и А_К — 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

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.

Сверхупругое поведение на порядок выше упругого.

Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.

Материалы с эффектом памяти формы

Никелид титана

Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана.

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 типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.

Другое название этого сплава, принятое за рубежом, — нитинол происходит от аббревиатуры NiTiNOL, где NOL — это сокращенное название Лаборатории морской артиллерии США, где этот материал был разработан в 1962 году.

Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма.

Никелид титана обладает:

Превосходной 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.
Хорошая совместимость с живыми организмами.
Высокая демпфирующая способность материала.

Из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве надо использовать вакуумное оборудование.
Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием. (Оборотная сторона высокой прочности).
Высокая цена. В конце XX века он стоил чуть 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. (См. далее «Применение материалов с памятью формы»).

Другие сплавы

На конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана эффект памяти формы обнаружен в 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.
- Преимущества (по сравнению с никелидом титана):
  - Можно выплавлять в обычной атмосфере.
  - Легко обрабатывается резанием.
  - Цена — в пять раз дешевле.
  - Хуже по характеристикам формозапоминания.
  - Хуже механические и коррозионные свойства.
  - При термообработке легко происходит укрупнение зерна, что приводит к снижению механических свойств.
  - Проблемы стабилизации зерна в порошковой металлургии.
  Некоторые исследователи 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
  
  Плавка происходит в вакуумно-гарнисажной печи или в 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 1,2 кА, напряжение 40 V, давление гелия 53 МПа.
  
  Оптимальный режим остывания слитков с целью предотвращения растрескивания — охлаждение с печью (не больше 10˚ в секунду).
  
  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
  
  Соединительные втулки из никелида титана
  
  Внешний вид соединительной втулки показан на рис. 5. Её функциональными элементами являются внутренние выступы.
  
  Применение таких втулок заключается в следующем (см. рис. 6):
  1. Втулка в исходном состоянии при температуре 20˚C.
  2. Втулка помещается в криостат, где при температуре −196˚C плунжером развальцовываются внутренние выступы.
  3. Холодная втулка становится изнутри гладкой.
  4. Специальными клещами втулку вынимают из криостата и надевают на концы соединяемых труб. является температурой нагрева для данного состава сплава. Дальше все происходит «автоматически». Внутренние выступы «вспоминают» 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 трудно доступной.
  
  Эти втулки используются в авиационной, космической и автомобильной технике.
  
  Этот метод также используется для соединения и ремонта труб подводных кабелей.
  
  Металл который запоминает форму
  
  Исследование свойств металлов с памятью формы
  
  Автор работы награжден дипломом победителя III степени
  
  Текст работы размещён без изображений и формул.
  Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
  
  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].
  
  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].
  
  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].
  
  Никелид титана — лидер среди материалов с памятью формы по применению и по изученности.
  
  — 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.
  
  Читайте также: