Eine der grundlegenden Wahrnehmungen der Menschen in Bezug auf die Phänomene der Außenwelt ist die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Metallprodukten und -konstruktionen, die ihre funktionale Form über einen langen Zeitraum stabil behalten, es sei denn, sie werden natürlich überkritischen Einflüssen ausgesetzt.

Entgegen dem gesunden Menschenverstand gibt es jedoch eine Reihe von Materialien, Metalllegierungen, die beim Erhitzen nach vorheriger Verformung das Phänomen zeigen, dass sie in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Das heißt, dass diese Metalle, da sie keine Lebewesen sind, eine besondere Eigenschaft haben, die es ihnen ermöglicht, eine Art Gedächtnis zu zeigen.

Phänomen

Um den Formgedächtniseffekt zu verstehen, reicht es aus, seine Manifestation einmal zu sehen. Was ist los?

Demonstration des Formgedächtniseffekts
Es gibt einen Metalldraht. Dieser Draht ist gebogen.
Wir beginnen, den Draht zu erhitzen. Beim Erhitzen richtet sich der Draht auf und nimmt seine ursprüngliche Form wieder an.

Die Essenz des Phänomens

Warum passiert das?

Die Essenz des Phänomens

Im Ausgangszustand weist das Material eine bestimmte Struktur auf. In der Abbildung ist es durch regelmäßige Quadrate angedeutet.

Bei der Verformung (in diesem Fall Biegung) werden die äußeren Materialschichten gedehnt und die inneren gestaucht (die mittleren bleiben unverändert). Bei diesen länglichen Strukturen handelt es sich um Martensitplatten. Was bei Metalllegierungen nicht ungewöhnlich ist. Ungewöhnlich ist, dass der Martensit in Formgedächtnismaterialien thermoelastisch ist.

Beim Erhitzen beginnt sich die Thermoelastizität martensitischer Platten zu zeigen, d. h. in ihnen entstehen innere Spannungen, die dazu neigen, die Struktur in ihren ursprünglichen Zustand zurückzubringen, d.

Da die äußeren länglichen Platten gestaucht und die inneren abgeflachten Platten gedehnt werden, erfährt das Material als Ganzes eine Selbstverformung in die entgegengesetzte Richtung und stellt seine ursprüngliche Struktur und damit seine Form wieder her.

Eigenschaften des Formgedächtniseffekts

Formgedächtniseffekt durch zwei Größen gekennzeichnet.

  • Eine Legierungsmarke mit einer streng eingehaltenen chemischen Zusammensetzung. (Siehe weiter „Formgedächtnismaterialien“)
  • Temperaturen martensitische Umwandlungen.

Im Prozess der Manifestation Formgedächtniseffekt teilnehmen martensitische Umwandlungen zwei Arten - direkt und umgekehrt. Dementsprechend manifestiert sich jeder von ihnen in seinem eigenen Temperaturbereich: MN und MK – der Anfang und das Ende direkte martensitische Umwandlung während der Verformung, AN und AK – der Anfang und das Ende während der Erwärmung.

Temperaturen martensitische Umwandlungen sind eine Funktion sowohl der Legierungssorte (Legierungssystem) als auch ihrer chemischen Zusammensetzung. Kleine Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Legierung (absichtlich oder durch Fehler) führen zu einer Verschiebung dieser Temperaturen.

Dies impliziert die Notwendigkeit einer strikten Einhaltung der chemischen Zusammensetzung der Legierung für eine eindeutige funktionelle Manifestation Formgedächtniseffekt. Das bringt die metallurgische Produktion in den Bereich der Hochtechnologie.

Formgedächtniseffekt es treten mehrere Millionen Zyklen auf.

Vorläufig Wärmebehandlungen kann gestärkt werden Formgedächtniseffekt.

Reversibel möglich Formgedächtniseffekte, wenn sich ein Material bei einer Temperatur an eine Form und bei einer anderen Temperatur an eine andere erinnert.

Je höher die Temperatur umgekehrte martensitische Umwandlung, desto weniger ausgeprägt Formgedächtniseffekt. Zum Beispiel schwach Formgedächtniseffekt in Legierungen des Fe-Ni-Systems (5 - 20 % Ni) beobachtet, bei welchen Temperaturen umgekehrte martensitische Umwandlung 200 - 400˚C.

Superelastizität

Ein weiteres Phänomen, das eng damit zusammenhängt Formgedächtniseffekt Ist Superelastizität.

Superelastizität- die Eigenschaft eines Materials, das einer Belastung ausgesetzt ist, die die Streckgrenze deutlich übersteigt, nach Wegnahme der Belastung seine ursprüngliche Form vollständig wiederherzustellen.

Superelastisches Verhalten ist um eine Größenordnung höher als elastisches Verhalten.

Superelastizität beobachtet im Temperaturbereich zwischen dem Beginn der direkten martensitischen Umwandlung und dem Ende der umgekehrten Umwandlung.

Formgedächtnismaterialien

Titannickelid

Der Marktführer unter den Materialien mit Formgedächtnis in Bezug auf Anwendung und Wissen ist es so Titannickelid .

Titannickelid ist eine intermetallische Verbindung mit äquiatomarer Zusammensetzung und 55 Gew.-% Ni. Schmelzpunkt 1240 - 1310˚C, Dichte 6,45 g/cm3. Die Ausgangsstruktur von Titannickelid ist ein stabiles kubisch raumzentriertes Gitter vom CsCl-Typ und zeigt bei Verformung ein thermoelastisches Verhalten. martensitische Umwandlung mit der Bildung einer Phase niedriger Symmetrie.

Ein anderer im Ausland übernommener Name für diese Legierung ist Nitinol kommt von der Abkürzung NiTiNOL, wobei NOL die Abkürzung für das US Naval Ordnance Laboratory ist, wo das Material 1962 entwickelt wurde.

Element aus Titannickelid kann sowohl die Funktion eines Sensors als auch eines Aktors übernehmen.

Titannickelid hat:

  • Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
  • Hohe Festigkeit.
  • Gute Formgedächtniseigenschaften. Hoher Formrückgewinnungskoeffizient und hohe Rückstellkraft. Verformungen bis zu 8 % können vollständig wiederhergestellt werden. Die Erholungsspannung kann 800 MPa erreichen.
  • Gute Verträglichkeit mit lebenden Organismen.
  • Hohes Dämpfungsvermögen des Materials.

Mängel:

  • Aufgrund des Titangehalts bindet die Legierung leicht Stickstoff und Sauerstoff. Um Reaktionen mit diesen Elementen während der Produktion zu verhindern, müssen Vakuumgeräte verwendet werden.
  • Die Bearbeitung bei der Herstellung von Teilen ist schwierig, insbesondere das Schneiden. (Hochfeste Rückseite).
  • Hoher Preis. Ende des 20. Jahrhunderts war es etwas weniger wert als Silber.

Auf dem aktuellen Stand der Industrieproduktion sind Produkte von Titannickelid (zusammen mit Legierungen des Cu-Zn-Al-Systems) haben breite praktische Anwendung und Marktverkäufe gefunden. (Siehe weiter „Verwendung von Formgedächtnismaterialien“).

Andere Legierungen

Am Ende des 20. Jahrhunderts Formgedächtniseffekt wurde in mehr als 20 Legierungen gefunden. Außer Titannickelid Wirkung Formgedächtnis in Systemen erkannt:

  • Au-Cd. 1951 an der University of Illinois, USA, entwickelt. Einer der Pioniere von Formgedächtnismaterialien.
  • Cu-Zn-Al. Zusammen mit Titannickelid hat praktische Anwendung. Die Temperaturen martensitischer Umwandlungen liegen zwischen -170 und 100 °C.
    • Vorteile (im Vergleich zu Titannickelid):
      • Kann in normaler Atmosphäre geschmolzen werden.
      • Leicht zu schneiden.
      • Der Preis ist fünfmal günstiger.
    • Mängel:
      • Schlimmer im Hinblick auf die Formgedächtniseigenschaften.
      • Schlechtere mechanische und Korrosionseigenschaften.
      • Bei der Wärmebehandlung kommt es leicht zu einer Kornvergröberung, die zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt.
      • Probleme der Kornstabilisierung in der Pulvermetallurgie.
  • Cu-Al-Ni. Entwickelt an der Universität Osaka, Japan. Temperaturen martensitische Umwandlung im Bereich von 100 bis 200˚C.
  • Fe-Mn-Si. Legierungen dieses Systems sind die günstigsten.
  • Fe-Ni
  • Cu-Al
  • Cu-Mn
  • Co-Ni
  • Ni-Al

Einige Forscher glauben das Formgedächtniseffekt ist grundsätzlich für alle Materialien möglich, die einer Belastung unterliegen martensitische Umwandlungen, einschließlich reiner Metalle wie Titan, Zirkonium und Kobalt.

Herstellung von Titannickelid

Das Schmelzen erfolgt im Vakuum-Skullofen oder im Elektrolichtbogenofen mit abschmelzender Elektrode unter Schutzatmosphäre (Helium oder Argon). Die Ladung besteht in beiden Fällen aus zu Briketts gepresstem Titaniodid oder Titanschwamm und Nickel der Güteklasse N-0 oder N-1.

Um eine gleichmäßige chemische Zusammensetzung über den Querschnitt und die Höhe des Barrens zu erhalten, wird ein zwei- oder dreifaches Umschmelzen empfohlen.

Der optimale Kühlmodus für Barren zur Vermeidung von Rissen ist die Kühlung mit einem Ofen (nicht mehr als 10˚ pro Sekunde).

Oberflächenfehler entfernen – Schruppen mit einer Schmirgelscheibe.

Um die chemische Zusammensetzung im gesamten Volumen des Barrens besser auszugleichen, wird die Homogenisierung bei einer Temperatur von 950–1000 °C in einer inerten Atmosphäre durchgeführt.

Anwendung von Materialien mit Formgedächtniseffekt

Verbindungsmuffen aus Titannickelid

Eine erstmals von der Raychem Corporation, USA, entwickelte und eingeführte Buchse zum Verbinden von Hydrauliksystemrohren von Militärflugzeugen. Es gibt mehr als 300.000 solcher Verbindungen im Jäger, aber es gab nie Berichte über deren Ausfälle.

Die Verwendung solcher Buchsen ist wie folgt:

Anwendung von Verbindungsmuffen
Bei einer Temperatur von 20˚C befindet sich die Buchse im Originalzustand.
Die Hülse wird in einen Kryostat gelegt, wo bei einer Temperatur von -196 °C die inneren Vorsprünge mit einem Kolben aufgeweitet werden.
Die Kaltbuchse wird von innen glatt.

Mit einer Spezialzange wird die Hülse vom Kryostat entfernt und auf die Enden der zu verbindenden Rohre aufgesetzt.

Raumtemperatur ist die Erwärmungstemperatur für eine bestimmte Legierungszusammensetzung. Dann geschieht alles „automatisch“. Die inneren Vorsprünge „erinnern“ sich an ihre ursprüngliche Form, richten sich gerade und schneiden sich in die Außenfläche der zu verbindenden Rohre ein.

Das Ergebnis ist eine starke vakuumdichte Verbindung, die Drücken von bis zu 800 atm standhält.

Im Wesentlichen ersetzt diese Art der Verbindung das Schweißen. Und es verhindert Nachteile der Schweißnaht wie die unvermeidliche Erweichung des Metalls und die Ansammlung von Fehlern im Übergangsbereich zwischen Metall und Schweißnaht.

Darüber hinaus eignet sich diese Verbindungsmethode gut für die endgültige Verbindung beim Zusammenbau einer Struktur, wenn Schweißnähte aufgrund der Verflechtung von Bauteilen und Rohrleitungen schwer zugänglich sind.

Diese Buchsen werden in Luft-, Raumfahrt- und Automobilanwendungen eingesetzt.

Diese Methode wird auch zum Verbinden und Reparieren von Seekabelrohren verwendet.

In Behandlung

  • Handschuhe, die im Rehabilitationsprozess verwendet werden und zur Reaktivierung aktiver Muskelgruppen mit funktioneller Insuffizienz dienen. Kann in den Interkarpal-, Ellenbogen-, Schulter-, Knöchel- und Kniegelenken eingesetzt werden.
  • Verhütungsspiralen, die nach dem Einsetzen unter dem Einfluss der Körpertemperatur eine funktionelle Form annehmen.
  • Filter zur Einführung in die Gefäße des Kreislaufsystems. Sie werden in Form eines geraden Drahtes mit einem Cutter eingeführt und nehmen dann die Form von Filtern mit einer vorgegebenen Position an.
  • Klemmen zum Abklemmen schwacher Venen.
  • Künstliche Muskeln, die mit elektrischem Strom betrieben werden.
  • Befestigungsstifte zur Befestigung von Prothesen an Knochen.
  • Künstliches Verlängerungsgerät für sogenannte Wachstumsprothesen bei Kindern.
  • Ersatz des Femurkopfknorpels. Unter dem Einfluss der Kugelform (Hüftkopf) wird das Ersatzmaterial selbstklemmend.
  • Stäbe zur Wirbelsäulenkorrektur bei Skoliose.
  • Temporäre Klemmbefestigungselemente für die Implantation künstlicher Linsen.
  • Brillengestell. Im unteren Teil, wo das Glas mit Draht befestigt ist. Kunststofflinsen rutschen beim Abkühlen nicht heraus. Der Rahmen dehnt sich beim Abwischen der Gläser und bei längerem Gebrauch nicht aus. Effekt verwendet Superelastizität.
  • Orthopädische Implantate.
  • Draht zur Zahnkorrektur.

Hitzealarm

  • Feueralarm.
  • Brandschutzklappen.
  • Alarmgeräte für Badewannen.
  • Netzsicherung (Schutz von Stromkreisen).
  • Vorrichtung zum automatischen Öffnen und Schließen von Fenstern in Gewächshäusern.
  • Kesseltanks mit thermischer Rückgewinnung.
  • Aschenbecher mit automatischer Ascheentfernung.
  • Elektronischer Schütz.
  • System zur Verhinderung des Ausstoßes von kraftstoffdampfhaltigen Gasen (bei Kraftfahrzeugen).
  • Ein Gerät zum Abführen von Wärme von einem Heizkörper.
  • Vorrichtung zum Einschalten von Nebelscheinwerfern.
  • Temperaturregler im Inkubator.
  • Behälter zum Waschen mit warmem Wasser.
  • Regelventile für Kühl- und Heizgeräte, Wärmemaschinen.

Andere Anwendungen

  • Focus Boro, Japan, verwendet Titannickelid in Antriebsgeräten für Rekorder. Das Eingangssignal des Rekorders wird in elektrischen Strom umgewandelt, der einen Titan-Nickelid-Draht erhitzt. Durch Verlängern und Zusammenziehen des Drahtes wird der Stift des Rekorders in Bewegung gesetzt. Seit 1972 wurden mehrere Millionen solcher Einheiten hergestellt (Angaben für das Ende des 20. Jahrhunderts). Da der Antriebsmechanismus sehr einfach ist, sind Ausfälle äußerst selten.
  • Elektronischer Küchenherd vom Konvektionstyp. Ein Titan-Nickelid-Sensor wird verwendet, um die Belüftung zwischen Mikrowellenheizung und zirkulierender Heißluftheizung umzuschalten.
  • Empfindliches Ventil für Raumklimageräte. Passt die Windrichtung in der Lüftungsöffnung der Klimaanlage für Kühl- und Heizzwecke an.
  • Kaffeemaschine. Bestimmung des Siedepunkts sowie zum Ein- und Ausschalten von Ventilen und Schaltern.
  • Elektromagnetische Küchenmaschine. Die Erwärmung erfolgt durch Wirbelströme, die unter dem Einfluss magnetischer Kraftfelder am Boden der Pfanne entstehen. Um Verbrennungen zu vermeiden, erscheint ein Signal, das von einem Element in Form einer Titan-Nickelid-Spule angetrieben wird.
  • Elektronischer Lagertrockner. Treibt die Klappen während der Regeneration des Entwässerungsmittels an.
  • Anfang 1985 begannen Formgedächtnislegierungen, die zur Herstellung von BH-Rahmen verwendet werden, erfolgreich den Markt zu erobern. Der Metallrahmen am Boden der Becher besteht aus Titan-Nickelid-Draht. Hierbei wird die Eigenschaft der Superelastizität ausgenutzt. Gleichzeitig ist kein Draht zu spüren, es entsteht der Eindruck von Weichheit und Flexibilität. Bei Verformung (beim Waschen) stellt es leicht seine Form wieder her. Verkauf - 1 Million Einheiten pro Jahr. Dies ist eine der ersten praktischen Anwendungen von Materialien mit Formgedächtnis.
  • Herstellung verschiedener Spannwerkzeuge.
  • Abdichtung von Mikroschaltungsgehäusen.
  • Die hohe Effizienz der Umwandlung von Arbeit in Wärme bei martensitischen Umwandlungen (in Titannickelid) legt die Verwendung solcher Materialien nicht nur als stark dämpfende Materialien, sondern auch als Arbeitsflüssigkeit von Kühlschränken und Wärmepumpen nahe.
  • Eigentum Superelastizität werden zur Herstellung hocheffizienter Federn und mechanischer Energiespeicher verwendet.

Literatur

  • V. A. Likhachev et al. „Formgedächtniseffekt“, Leningrad, 1987
  • A. S. Tikhonov et al. „Anwendung des Formgedächtniseffekts im modernen Maschinenbau“, M., 1981.
  • V. N. Khachin „Shape Memory“, M., 1984

Lange Zeit galt die inelastische Verformung als völlig irreversibel. In den frühen 1960er Jahren. Es wurde eine umfangreiche Klasse metallischer Werkstoffe entdeckt, bei denen der elementare Vorgang der inelastischen Verformung aufgrund einer Strukturumwandlung erfolgt. Solche Materialien weisen eine Reversibilität der unelastischen Verformung auf. Das Phänomen der spontanen Formwiederherstellung - Formgedächtniseffekt(SME) – kann sowohl unter isothermen Bedingungen als auch bei Temperaturänderungen beobachtet werden. Bei Wärmewechsel können solche metallischen Werkstoffe immer wieder reversibel verformt werden.

Die Fähigkeit, die Verformung wiederherzustellen, kann auch bei hoher Krafteinwirkung nicht unterdrückt werden. Die Höhe der reaktiven Spannungen einiger Materialien mit SME kann 1.000 ... 1.300 MPa betragen.

Metalle mit SME gehören zu den prominentesten Vertretern von Werkstoffen mit besonderen Eigenschaften. Das zunehmende Interesse an diesem metallurgischen Phänomen ist auf die einzigartige Kombination aus hohen konventionellen mechanischen Eigenschaften, Ermüdungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und ungewöhnlichen Eigenschaften wie thermomechanischem Gedächtnis und reaktiver Spannung zurückzuführen, die auf der thermoelastischen martensitischen Umwandlung basieren. Ein Merkmal von Legierungen mit SME ist die ausgeprägte Abhängigkeit der meisten Eigenschaften von der Struktur. Die Werte der physikalischen und mechanischen Eigenschaften ändern sich während des reversiblen Phasenübergangs Austenit-Martensit für verschiedene Legierungen mehrmals, normalerweise im Temperaturbereich -150...+ 150 °C.

Von der großen Anzahl von Legierungen mit SME sind Ti-Ni-Legierungen mit äquiatomarer Zusammensetzung (gleicher Anzahl von Atomen), üblicherweise Titannickelid oder Nitinol genannt, die vielversprechendsten für die praktische Anwendung. Weniger verbreitet sind die günstigeren Kupferlegierungen Cu-Al-Ni und Cu-Al-Zn.

Der Formgedächtniseffekt besteht darin, dass eine Probe, die im austenitischen Zustand bei erhöhter Temperatur eine bestimmte Form aufweist, bei einer niedrigeren martensitischen Umwandlungstemperatur verformt wird. Nach Überhitzung, begleitet von einer Rückumwandlung, stellt sich die ursprüngliche charakteristische Form wieder ein. Der Formgedächtniseffekt manifestiert sich in Legierungen, die durch thermoelastische martensitische Umwandlung, Gitterkohärenz der anfänglichen austenitischen und martensitischen Phasen, relativ kleine Umwandlungshysterese sowie kleine Volumenänderungen während der Umwandlungen gekennzeichnet sind. Bei Titannickelid betragen die Volumenänderungen etwa 0,34 %, was eine Größenordnung weniger ist als bei Stählen (etwa 4 %).

Legierungen mit SME werden oft als sogenannte Smart Materials klassifiziert, die es ermöglichen, grundlegend neue Designs und Technologien in verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus, der Luft- und Raumfahrt- und Raketentechnik, des Instrumentenbaus, der Energie, der Medizin usw. zu schaffen. Betrachten wir einige Anwendungen von Legierungen mit SME.

Die Erforschung des nahen und fernen Weltraums ist mit der Schaffung von Orbitalstationen und groß angelegten Weltraumkonstruktionen verbunden. Es ist notwendig, so sperrige Objekte wie Sonnenkollektoren und Weltraumantennen zu bauen. In Abb. Abbildung 1.1 zeigt ein Diagramm eines Raumfahrzeugs mit selbstentfaltenden Elementen. Die Antennen bestehen aus einem Blech und einem Stab aus einer Ti-Ni-Legierung, die aufgerollt und in einer Aussparung im künstlichen Satelliten platziert werden. Nachdem der Satellit gestartet und in die Umlaufbahn gebracht wurde, wird die Antenne mit einer speziellen Heizung oder der Wärme der Sonnenstrahlung erhitzt und gelangt so in den Weltraum.

Zur Unterbringung verschiedener technischer Einrichtungen, Wohn- und Produktionsmodule ist der Bau großer Plattformen unter Freiflächenbedingungen erforderlich. Eine Lieferung sperriger Einheiten in den Weltraum ist technisch nur in Teilen mit anschließenden Installationsarbeiten möglich. Die in der Massenproduktion verwendeten Methoden zum Verbinden von Teilen wie Schweißen, Löten, Kleben, Nieten und andere gelten nicht

Reis. 1.1.

/ - Antenne; 2 - Solarbatterie; 3 - Energiestrahler; 4 - mechanischer Stabilisator

Reis. 1.2. Verbinden von Rohrteilen (/) mittels einer Kupplung (2) aus Metall mit Formgedächtnis:Ö - vor der Montage;B - nach dem Erhitzen

geeignet für Platzverhältnisse. Besondere Anforderungen werden an die Gewährleistung einer besonders hohen Sicherheit gestellt.

Unter Berücksichtigung dieser Merkmale hat unser Land eine einzigartige Technologie zur Verbindung von Elementen im Weltraum mithilfe einer Kupplung aus der TN-1-Legierung entwickelt. Mit dieser Technologie konnte erfolgreich eine Fachwerkkonstruktion aus Aluminiumlegierungen mit einer Gesamtlänge von 14,5 m und einem Querschnitt in Form eines Quadrats mit einer Seitenlänge von 0,5 m aufgebaut werden.

Das Fachwerk bestand aus einzelnen Rohrteilen / 28 mm Durchmesser, die über eine Kupplung miteinander verbunden wurden 2 aus Metall mit Formgedächtnis (Abb. 1.2). Mithilfe eines Dorns wurde die Kupplung bei niedriger Temperatur so verformt, dass ihr Innendurchmesser größer war als der Außendurchmesser der zu verbindenden Elemente. Nach dem Erhitzen über die Temperatur der umgekehrten martensitischen Umwandlung wurde der Innendurchmesser der Kupplung wieder auf den Durchmesser gebracht, den die Kupplung vor der Expansion hatte. In diesem Fall wurden erhebliche Druckreaktionskräfte erzeugt, die verbundenen Elemente wurden plastisch verformt, was ihre starke Verbindung gewährleistete. Der Zusammenbau des Fachwerks und seine Installation auf dem astrophysikalischen Kvant-Modul des Mir-Orbitalkomplexes erfolgte 1991 in nur vier Weltraumspaziergängen und dauerte insgesamt etwa einen Tag.

Die gleichen Konstruktionsprinzipien können für die Installation großformatiger Offshore-Unterwasserstrukturen in großen Tiefen verwendet werden.

Kupplungen zur thermomechanischen Verbindung von Rohren werden in vielen Ausführungen eingesetzt (Abb. 1.3). Sie werden zur Verbindung der Hydrauliksysteme des F-14-Kampfflugzeugs verwendet, und es wurden keine Unfälle im Zusammenhang mit Öllecks gemeldet. Der Vorteil von Kupplungen aus Formgedächtnislegierungen liegt neben ihrer hohen Zuverlässigkeit darin, dass keine Hochtemperaturerwärmung erfolgt (im Gegensatz zum Schweißen). Daher verschlechtern sich die Eigenschaften von Materialien in der Nähe der Verbindungsstelle nicht. Solche Kupplungen

Reis. 1.3. Rohre mit Formgedächtniseffekt verbinden:

A - Einsetzen von Rohren nach Aufweiten der Kupplung; B- Heizung

Typ werden für Pipelines von Atom-U-Booten und Überwasserschiffen sowie für die Reparatur von Pipelines zum Pumpen von Öl vom Meeresboden verwendet. Für diese Zwecke werden Kupplungen mit großem Durchmesser verwendet – etwa 150 mm. Teilweise wird auch die Cu-Zn-Al-Legierung zur Herstellung von Kupplungen verwendet.

Zur dauerhaften Verbindung von Teilen werden üblicherweise Nieten und Bolzen verwendet. Wenn es jedoch nicht möglich ist, auf der gegenüberliegenden Seite der zu befestigenden Teile Maßnahmen durchzuführen (z. B. in einer geschlossenen Hohlkonstruktion), wird die Durchführung von Befestigungsvorgängen schwierig.

Stopfen aus einer Legierung mit Formgedächtniseffekt ermöglichen in diesen Fällen eine Befestigung mittels räumlicher Formwiederherstellung. Die Stopfen bestehen aus einer Legierung mit Formgedächtniseffekt und haben im Ausgangszustand ein offenes Ende (Abb. 1.4, A). Vor dem Befestigungsvorgang wird der Stopfen in Trockeneis oder flüssige Luft getaucht und ausreichend abgekühlt, danach werden die Enden des Stopfens begradigt (Abb. 1.4, B). Der Stopfen wird zur Befestigung in ein festes Loch eingeführt (Abb. 1.4, V), wenn die Temperatur auf Raumtemperatur ansteigt, wird die Form wiederhergestellt, die Enden des Stifts divergieren (Abb. 1.4, d) und der Befestigungsvorgang ist abgeschlossen.

Von besonderem Interesse ist der Einsatz von Formgedächtnislegierungen in der Medizin. Ihr Einsatz eröffnet vielfältige Möglichkeiten


Reis. 1.4. Das Funktionsprinzip eines Formgedächtnisstopfens ermöglicht die Entwicklung neuer effektiver Behandlungsmethoden. In der Medizin verwendete Legierungen müssen nicht nur hohe mechanische Eigenschaften aufweisen. Sie dürfen in einer biologischen Umgebung keiner Korrosion ausgesetzt sein, müssen mit den Geweben des menschlichen Körpers biologisch kompatibel sein, keine Toxizität und Karzinogenität aufweisen, der Bildung von Blutgerinnseln widerstehen und diese Eigenschaften über einen langen Zeitraum beibehalten. Wenn ein implantiertes Organ aus Metall relativ zu einer biologischen Struktur aktiv ist, kommt es zu einer Degeneration (Mutation) biologischer Zellen der peripheren Struktur, einem entzündlichen Blutrausch, einer Durchblutungsstörung und schließlich einer Nekrose der biologischen Struktur. Wenn das implantierte Organ inert ist, entsteht um es herum eine faserige Struktur, die durch Kollagenfasern verursacht wird, die aus faserigen Keimzellen gebildet werden. Das implantierte Organ ist mit einer dünnen Schicht dieser Faserstruktur bedeckt und kann in biologischen Organismen stabil existieren.

Spezielle Tierversuche haben gezeigt, dass Legierungen auf Basis des Ti-Ni-Systems eine Biokompatibilität auf dem Niveau oder sogar höher als die üblicherweise verwendeten korrosionsbeständigen Stähle und Kobalt-Chrom-Legierungen aufweisen und als funktionelle Materialien in biologischen Organismen verwendet werden können. Die Verwendung von Legierungen mit SME zur Behandlung hat ihre gute Gewebeverträglichkeit und das Fehlen von Abstoßungsreaktionen durch die biologischen Strukturen des menschlichen Körpers gezeigt.

Wirbelsäulenkorrektur. Verschiedene Verkrümmungen der Wirbelsäule, sowohl angeboren als auch durch Gewohnheit oder eine schmerzhafte Erkrankung verursacht, führen zu starken Verformungen beim Gehen. Dies verursacht nicht nur starke Schmerzen, sondern wirkt sich auch schädlich auf die inneren Organe aus. In der orthopädischen Chirurgie wird die Wirbelsäulenkorrektur üblicherweise mit einem Charinton-Stab aus korrosionsbeständigem Stahl durchgeführt. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die anfängliche Korrekturkraft mit der Zeit abnimmt. 20 Minuten nach der Installation nimmt die Korrekturkraft um 20 % und nach 10–15 Tagen um bis zu 30 % des Originals ab. Eine zusätzliche Anpassung der Kraft erfordert wiederholte schmerzhafte Eingriffe und führt nicht immer zum Ziel. Wenn für den Kharinton-Stab eine Legierung mit SME verwendet wird, kann der Stab einmal installiert werden und es ist kein wiederholter chirurgischer Eingriff erforderlich. Wird der Charinton-Stab nach der Operation auf eine Temperatur erhitzt, die etwas über der Körpertemperatur liegt, kann die nötige Korrekturkraft erzeugt werden. Hierfür eignen sich Legierungen auf Basis von Ti-Ni mit Zusätzen von Cu, Fe und Mo; sie weisen nach Wiederherstellung ihrer Form eine hohe Elastizität im Temperaturbereich auf

Korrekturgeräte mit solchen Legierungen erzeugen über die gesamte Behandlungsdauer hinweg eine konstante Belastung der Wirbelsäule, unabhängig von der Verschiebung der Auflagepunkte des Geräts.

Platte zur Knochenverbindung. Methoden der medizinischen Versorgung bei Knochenbrüchen bestehen darin, die Frakturzone mit Platten aus korrosionsbeständigem Stahl oder Co-Cr-Legierungen in einem Zustand zu fixieren, in dem eine Druckkraft auf den Knochen einwirkt.

Wenn für die Verbindungsplatte eine Formgedächtnislegierung verwendet wird, ist es möglich, die Frakturzone durch äußeres Erhitzen der Platte auf eine Temperatur etwas höher als die Körpertemperatur nach der Operation fest zu fixieren, und es ist keine Längskompression des Knochens während des Eingriffs erforderlich Operation.

Intraossäre Stifte. Solche Stifte werden bei der medizinischen Versorgung von Tibiafrakturen eingesetzt. Darüber hinaus werden Stifte, überwiegend aus rostfreiem Stahl, in das Knochenmark eingeführt und so den Knochen fixiert. Bei dieser Methode wird der Knochen aufgrund der elastischen Eigenschaften des korrosionsbeständigen Stahls fixiert. Daher ist es erforderlich, einen Stift mit einem größeren Durchmesser als dem Lochdurchmesser einzuführen, um eine starke Verformung zu erzeugen. Dabei besteht die Gefahr einer Gewebeschädigung im Einstichbereich des Stiftes.

Der chirurgische Eingriff wird vereinfacht, wenn für die Bolzen Formgedächtnislegierungen auf Ti-Ni-Basis verwendet werden. Vorgekühlte Stifte nehmen bei Körpertemperatur ihre ursprüngliche Form wieder an, was den Fixierungsgrad erhöht.

Geräte zur Skeletttraktion. Die Eigenschaft des Materials, seine Form wiederherzustellen, wird genutzt, um in einem bestimmten Temperaturbereich erhebliche Spannungen zu erzeugen.

Die Geräte werden zur wirksamen Behandlung von Knochenbrüchen durch kontinuierliche und diskrete Skeletttraktion eingesetzt.

Draht zur Korrektur der Zahnstellung. Zur Korrektur der Zahnstellung, beispielsweise einer Zahnfehlstellung, wird ein Draht aus korrosionsbeständigem Stahl verwendet, der eine elastische Kraft erzeugt.

Der Nachteil von Korrekturdrähten ist die geringe elastische Dehnung und die daraus resultierende plastische Verformung. Bei der Herstellung von Drähten aus einer Ti-Ni-Legierung tritt selbst bei einer elastischen Verformung von 10 % keine plastische Verformung auf und die optimale Korrekturkraft bleibt erhalten.

Der technologische Fortschritt geht mit einem kontinuierlichen Anstieg des Stromverbrauchs einher. Die begrenzten Reserven an fossilen Brennstoffen, die Überwindung der Energiekrise und die akzeptablen Kosten der Stromerzeugung haben die Nutzung der Kernenergie und den groß angelegten Bau von Kernkraftwerken (KKW) in allen entwickelten Ländern der Welt erforderlich gemacht. Kernenergie ist die Energie der Zukunft.

Vom Funktionsprinzip her unterscheiden sich Kernkraftwerke und Wärmekraftwerke (WKK) kaum voneinander. In Kernkraftwerken und Wärmekraftwerken wird Wasser zum Kochen gebracht und der entstehende Dampf den Schaufeln einer Hochgeschwindigkeitsturbine zugeführt, wodurch diese in Rotation versetzt wird. Die Turbinenwelle ist mit der Generatorwelle verbunden, die bei Drehung elektrische Energie erzeugt. Der Unterschied zwischen Kernkraftwerken und Wärmekraftwerken besteht in der Methode, Wasser zum Sieden zu erhitzen. Wird in Wärmekraftwerken Kohle oder Heizöl zur Wassererwärmung verbrannt, so wird in Kernkraftwerken hierfür die Wärmeenergie einer kontrollierten Kettenreaktion der Uranspaltung genutzt.

Derzeit werden in den meisten Ländern Leichtwasserreaktoren (LWR) zur Stromerzeugung eingesetzt. Reaktoren dieses Typs gibt es in zwei Modifikationen: Druckwasserreaktoren (PWR) und Siedewasserreaktoren (BWR), wobei Druckwasserreaktoren am häufigsten vorkommen.

In Abb. Abbildung 1.5 zeigt ein Diagramm eines Kernkraftwerks, das mit einem Leichtwasserreaktor (mit Wasser unter Druck) ausgestattet ist. Reaktorbehälter 9 enthält den Kern 10 und der erste Kreislauf. Im Primärkreislauf zirkuliert Wasser, das als Kühlmittel dient und die Geschwindigkeit verlangsamt


Reis. 1.5. PlanenÜberweisungen Wärme zwischen Elemente der PWR-Station:

1 - Betonschale; 2 - Schale aus korrosionsbeständigem Stahl; 3 - Turbine; 4 - Generator; 5 - Kühlturm; 6 - Kondensator; 7 - Dampferzeuger; 8 - Umwälzpumpe; 9 - Reaktorkessel; 10 - aktive Zone; 11 - Druckkompensator; 12 - Litel-Container. Wasser entzieht dem Kern Wärme zur Wärmeaustauschzone (Dampferzeuger 7), wo die Wärme an den zweiten Kreislauf übertragen wird, in dem Dampf erzeugt wird. Die Energieumwandlung erfolgt im Generator 4, wo Dampf zur Stromerzeugung genutzt wird. Der Primärkreislauf mit allen Rohrleitungen und Komponenten ist in einem speziell konstruierten Behälter untergebracht 12. Auf diese Weise werden radioaktive Spaltprodukte, die aus dem Brennstoff in das Primärwasser gelangen könnten, von der Umgebung isoliert.

Im Primärkreislauf steht das Wasser unter einem Druck von 15,5 MPa und einer maximalen Temperatur von 315 °C. Diese Bedingungen verhindern das Sieden von Wasser, da der Siedepunkt von Wasser bei einem Druck von 15,5 MPa deutlich über 315 °C liegt.

In jedem Reaktor bleiben 16–25 Zellen (je nach Ausführung) für Steuerstäbe frei. Sie werden durch einen Steuerstab bewegt, der durch den Reaktorbehälterdeckel verläuft. Dampf verlässt die Turbine 3, kondensiert in einem wassergekühlten Kondensator 6, in dem die verbleibende Wärmeenergie abgeführt wird. Einige Kühlsysteme verwenden Kühltürme.

Die Kosten für die Stationsausrüstung, die Energie erzeugt und überträgt (Reaktorbehälter, Wärmetauscher, Pumpen, Tanks, Rohrleitungen), betragen etwa 90 % der Stationskosten. Die Ausrüstung muss ordnungsgemäß konstruiert und aus Materialien hergestellt werden, die wirtschaftlich, aber garantiert zuverlässig sind.

Die Kernenergie stellt erhöhte Anforderungen an die verwendeten Baumaterialien, deren Produktionstechnik und Leistungsüberwachung. Bei der Einwirkung von Strahlung unterliegen Baustoffe Strukturumwandlungen, die sich vor allem negativ auf die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit auswirken. Von allen Strahlungsarten (Neutronen, A- und p-Teilchen, y-Strahlung), Neutronenbestrahlung hat den stärksten Effekt.

Strahlenbeständige Materialien Hierbei handelt es sich um Materialien, deren Struktur und Eigenschaften unter Bedingungen der Neutronenbestrahlung stabil bleiben (Tabelle 1.11).

Die Korrosionsrate von Legierungen auf Aluminiumbasis in einer wässrigen Umgebung unter Bestrahlungsbedingungen erhöht sich um das 2- bis 3-fache. Austenitische Chrom-Nickel-Stähle sind anfällig für interkristalline Korrosion und Korrosionsrisse im Nassdampf.

Die gefährlichste Folge der Strahlung ist die Strahlenschwellung. In Abb. 1.6 stellt die Eigenschaften der Strahlungsquellung einer Reihe von Stahl- und Legierungssorten dar. Schwellungen können durch strukturell forcierte Rekombination unterdrückt werden Tabelle 1.11

Wirkung von Neutronenbestrahlung auf verschiedene Materialien

Integraler Fluss schneller Neutronen, Neutron/cm 2

Material

Strahlenbelastung

Polytetrafluorethylen, Boden- und Methylmethacrylat und Zellulose

Verminderte Elastizität

Bio

Flüssigkeiten

Gasfreisetzung

Erhöhung der Streckgrenze

Polystyrol

Abnahme der Zugfestigkeit

Keramik

Material

Reduzierte Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Kristallinität

Kunststoffe

Nicht als Baumaterial geeignet

Kohlenstoff

Deutliche Verringerung der Duktilität, Verdoppelung der Streckgrenze, verstärkter Übergang vom duktilen zum spröden Bruch

Korrosionsbeständige Stähle

Verdreifachung der Streckgrenze

Aluminium

Reduzierte Duktilität ohne vollständige Versprödung

tion von Metallen aufgrund der kontinuierlichen Zersetzung der festen Lösung mit einer gewissen Dilatation an der Grenze der Matrix zur entstehenden Sekundärphase. Die beim Zerfall entstehenden starken strukturellen Spannungsfelder fördern die Rekombination von Strahlungsdefekten und reduzieren die Schwellung deutlich. Die entwickelte Dispersionshärtung ist eine Möglichkeit, die Strahlungsquellung zu unterdrücken.

Die Strahlungsbeständigkeit von Reaktormaterialien kann erreicht werden, wenn eine Reihe von Bedingungen erfüllt sind. Diese beinhalten


Reis. 1.6.

V- Volumen; DR – Lautstärkeänderung

optimale chemische Zusammensetzung und Struktur der Materialien, Betriebsbedingungen: Betriebstemperatur, Neutronenfluss und Eigenschaften der korrosiven Umgebung.

Jedes Metall und jede Legierung hat ein eigenes Kristallgitter, eine eigene Architektur und eigene Abmessungen.
die streng spezifiziert sind. Bei vielen Metallen verändert sich das Gitter bei Temperatur- und Druckänderungen nicht
bleibt gleich und es kommt der Moment, in dem es zu einer Umstrukturierung kommt. So eine Veränderung
Art des Kristallgitters - polymorphe Transformation - kann von zwei durchgeführt werden
Wege:
1) bei hohen Temperaturen aufgrund von Diffusion mit hoher Atommobilität;
2) bei niedriger Temperatur aufgrund der kollektiven, koordinierten Bewegung von Atomen, die
führt zu einer Formänderung des Legierungsvolumens (diffusionsfreie thermoelastische Scherung)
tensitische Umwandlung unter Bildung eines neuen Kristallgitters - Martensit).
Bei hohen Temperaturen weist die Legierung im austenitischen Zustand ein kubisches Gitter auf.
Beim Abkühlen geht die Legierung in die martensitische Phase über, in der sich die Gitterzellen bilden
mit abgeschrägten Parallelepipeden. Beim Erhitzen wird die Austenitphase wiederhergestellt und damit auch
Die ursprüngliche Form des Legierungsprodukts mit Formgedächtnis wird ebenfalls wiederhergestellt.
Die Martensitumwandlung ist eine der grundlegenden Methoden der Kristallumstrukturierung
Gitter ohne Diffusion, charakteristisch für Stähle, reine Metalle und Nichteisenmetalle
Legierungen, Halbleiter, Polymere.
„Memory“-Effekt – Wiederherstellung der ursprünglichen Form und Größe der Kristalle danach
ihre Veränderungen während der Verformung infolge der thermoelastischen martensitischen Umwandlung
während der Wärmebehandlung nach einem bestimmten Regime.
Eine Formänderung ist das Hauptmerkmal der martensitischen Umwandlung, die mit dem Effekt verbunden ist
die Wirkung des „Gedächtnisses“ von Legierungen, eine notwendige Bedingung, aber nicht ausreichend für die Manifestation des „Gedächtnisses“.
Die freie Energie von Martensitkristallen ist geringer als die der Anfangsphase, was zu einer Anregung führt
Entwicklung des martensitischen Übergangs. Durch das Erscheinen einer Schnittstelle wird der Übergang verlangsamt
alte und neue Phasen und zunehmende freie Energie. Wachsende Kristalle der martensitischen Phase
verformen das umgebende Volumen, das dem Widerstand entgegensetzt. Es entsteht elastische Energie
verhindert weiteres Kristallwachstum. Wenn diese Energie die Elastizitätsgrenze überschreitet
Gäste kommt es in der Nähe der Phasengrenze zu einer starken Verformung des Materials und
Das Kristallwachstum stoppt. Bei Stählen erfolgt der Prozess nahezu augenblicklich (individuell).
Martensitkristalle wachsen zur Endgröße heran).
Umgekehrter Übergang von Martensit zu Austenit (Hochtemperaturphase, diffusionsfrei).
Die Scherumstrukturierung des Gitters ist schwierig) tritt bei hohen Temperaturen im offenen Feuer auf
Austenitkristalle wachsen auf einem Sieb, ohne in ihre ursprüngliche Form überzugehen (die Atome fallen nicht in ihre ursprüngliche Form).
vorherige Orte).
In Legierungen mit „Gedächtnis“ wachsen Martensitkristalle beim Abkühlen langsam
Beim Erhitzen verschwinden sie allmählich, was ein dynamisches Gleichgewicht der Grenzfläche gewährleistet
zwischen ihnen und der Anfangsphase. Ähnlich verhält sich die Grenze zwischen den Phasen bei der Abkühlung
Ersetzen Sie Spannung und Erwärmung durch Aufbringen bzw. Entfernen der Last - thermoelastisch
Gleichgewicht der Phasen in einem Feststoff.
Die thermoelastische martensitische Umwandlung geht mit einer reversiblen Formänderung einher
Austenitkristalle, die hauptsächlich das „Gedächtnis“ von Metallen darstellen.
56 Intelligente Polymermaterialien (IPM)
Eine direkte Folge der thermoelastischen martensitischen Umwandlung ist die Reversibilität
Formänderung eines Festkörpers durch periodisches Abkühlen und Erhitzen (thermisch).
Motor). Metalle mit „Gedächtnis“ (z. B. Nitinol) „erinnern“ sich an ihr Original
Form beim Erhitzen nach vorheriger Verformung der Probe.
Bis Ende der 1960er Jahre. dem Bereich der physikalischen Forschung und Technik
Anwendungen des Formgedächtniseffekts in Legierungen.
Es gibt Hunderte von Legierungen mit martensitischer Umwandlung, aber die Anzahl der Legierungen, bei denen der Effekt auftritt, ist gering
Das „Gedächtnis“ der Form ist von praktischer Bedeutung, unbedeutend. Kollektive Bewegung
Atome in einer bestimmten Richtung, begleitet von spontanen (martensitischen)
neu) Verformung des Materials (Gitterumlagerung), bei der die Nähe und interatomare
die Bindungen der Atome werden nicht aufgebrochen (es bleibt die Möglichkeit, zu ihren vorherigen Positionen zurückzukehren,
in die ursprüngliche Form) erfolgt nur unter bestimmten Voraussetzungen. „Erinnerung“ an eine Person
Kristall ist noch keine Erinnerung an das gesamte Volumen der Legierung, die normalerweise polykristallin ist
persönliche Struktur.
Einzelne Kristallite (Körner) unterscheiden sich in der Ausrichtung ihrer Kristallgitter.
Die Verschiebung der Atome bei der Martensitumwandlung erfolgt im Gitter entlang bestimmter Ebenen.
Knochen und Richtungen. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der Körner kommt es zu Scherungen in jedem Korn
in verschiedene Richtungen und trotz erheblicher Verformung einzelner Kristalle,
die Probe als Ganzes erfährt keine merkliche Formänderung. Dies geschieht, wenn
wenn die Kristalle in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Die Kontrollkraft, die, wenn mar-
Die Tensitumwandlung organisiert die bevorzugte Organisation von Kristallen
Externe Last.
Bei der martensitischen Umwandlung bewegen sich Atome nach außen
Belastung (die Probe als Ganzes erfährt eine Verformung). Der Prozess wird fortgesetzt bis
Das gesamte Material verformt sich nicht in Richtung der Kraft, ohne die interatomare Struktur zu zerstören
Bindungen und Verletzung der Nähe von Atomen. Beim Erhitzen kehren sie in ihre ursprüngliche Position zurück,
Wiederherstellung der ursprünglichen Form des gesamten Materialvolumens.
Der „Memory“-Effekt basiert auf thermoelastischem Phasengleichgewicht und Kontrollwirkung
Ladungen. Durch die spezielle thermomechanische Bearbeitung von Legierungen entstehen Mikro-
Spannungen, deren Wirkung bei martensitischen Übergängen der Wirkung von außen ähnelt
Ladungen. Beim Abkühlen nimmt die Legierung spontan eine Form an, beim Erhitzen
kehrt zum ursprünglichen Zustand zurück (die Platte rollt sich beim Abkühlen zu einem Ring zusammen, beim Erhitzen -
dreht sich um oder umgekehrt).
Materialien mit Formgedächtnis können Superplastizität (erhebliche Verformung) aufweisen.
Formationen, wenn die martensitische Umwandlung durch die Anwendung einer äußeren Last verursacht wird, und
nicht durch Kühlung, die zur Herstellung von Federstoßdämpfern und Batterien verwendet wird
mechanische Energie), haben eine hohe zyklische Festigkeit (es kommt zu keiner Akkumulation).
strukturelle Mängel) und eine hohe Fähigkeit zur Ableitung mechanischer Energie (bei offener Feuerstelle).
Bei Siebumwandlungen geht die Umstrukturierung des Kristallgitters mit der Freisetzung einher
oder Wärmeaufnahme, wenn eine äußere Belastung eine martensitische Umwandlung bewirkt
mechanische Energie wird in thermische Energie umgewandelt; Bei Memory-Effekten ist ebenfalls ein Prozess zu beobachten
Umwandlung von Wärme in Arbeit).
Formänderung (bei periodischen Temperaturänderungen) von Metallen mit Gedächtnis
begleitet von der Manifestation mächtiger interatomarer Kräfte. Ausdehnungsdruck von Materialien
dieser Typ erreicht 7 t/cm2. Je nach Materialart sind Produkte unterschiedlicher Größe erhältlich
und Konfigurationen biegen, ausdehnen, verdrehen (die Form kann programmiert werden).
Zu den Formgedächtnismetallen gehören die Legierungen Nitinol, Nitinol-55 (mit Eisen) und Nickelid
Titan VTN-27, Titanlegierungen VT-16, VT23 (Wärmebehandlung nach einem speziellen Regime, in 2–3
mal günstiger und 1,5 mal leichter als Titannickelid), eine Legierung auf Titanbasis mit 28–34 % Mangan und
5–7 % Silizium, Terfenol (magnetostriktive Legierung, dämpft Vibrationen bei niedrigen Frequenzen
Vibrationen).
Intelligente Polymermaterialien (IPM) 57
Legierungen auf Manganbasis weisen einen Temperaturbereich mit maximaler thermischer Empfindlichkeit auf
Weichheit bei 20–40 °C und Wiederherstellung der gewünschten Form im Temperaturbereich von
–100 bis 180 °C
Legierungen des Cu-Zn-Systems wurden durch Pulvermetallurgie (Fukuda Metal Co.) gewonnen.
Al mit Formgedächtniseffekt durch Sintern (700 MPa, 900 °C, 0,1 Gew.-% Aluminiumfluorid).
Pulver aus Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) und Kupferlegierungen (Korngröße 20–100 μm). Legierung
stellt seine Form nach einer Dehnung um 10 % wieder her.
Beim Abkühlen geht die Legierung in die martensitische Phase über, in der sie sich verändert
Abhängig von den geometrischen Parametern der Kristallgitterzellen wird es plastisch und wann
Bei mechanischer Einwirkung kann ein Produkt aus einer Legierung mit „Memory“ (Nitinol usw.) vorliegen
nahezu jede Konfiguration, die bis zur Temperatur beibehalten wird
den kritischen Wert überschreitet, bei dem die martensitische Phase energetisch ungünstig wird,
Die Legierung geht in die austenitische Phase über und stellt die ursprüngliche Form des Produkts wieder her. Jedoch,
Verformungen sollten 7–8 % nicht überschreiten, da sonst die Form nicht vollständig wiederhergestellt wird.
Es wurden Nitinol-Legierungen entwickelt, die sich gleichzeitig an die Form von Produkten „merken“
entsprechend hohen und niedrigen Temperaturen. Memory-Effekt in Nitinollegierungen
klar definiert, und der Temperaturbereich kann im Bereich von nicht-
wie viele Grad bis mehrere zehn Grad, wobei jedoch modifizierende Elemente in die Legierungen eingebracht werden
Zyklizitätsspielraum, die Anzahl der kontrollierten Verformungen (Iterationen) überschreitet nicht 2000,
Danach verlieren die Legierungen ihre Eigenschaften.
Leitfähige Fasern aus Legierungsfilamenten mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern
mit Titan- und Nickel-Nanopartikeln die Länge über 5 Millionen Iterationen um 12–13 % ändern und
Wird in künstlichen Muskeln verwendet. Nano-Muskelaktuator, Nano
Muscle, USA, Johnson Electric, KHP, 2003) entwickelt tausendmal mehr Leistung als
menschliche Muskeln und ist in der Betätigungsgeschwindigkeit 4000-mal schneller als ein Elektromotor
0,1 Sekunden mit einem sanften Übergang von einem Zustand in einen anderen bei einer bestimmten Geschwindigkeit (Mikrofon).
Roprozessorsteuerung).
Es wurden Materialien mit magnetomechanischem Gedächtnis entwickelt (magnetoelastisch martensitisch).
Der Übergang wird durch ein Magnetfeld direkt oder in Kombination mit der Temperatur stimuliert
und Last) und elektromechanisches Gedächtnis (martensitische Umwandlung wird begleitet von
qualitative Änderung der Eigenschaften, Leiter-Halbleiter-, paramagnetische-Eisen-Übergänge
romagnet), das vielversprechend für die Entwicklung von MI-Aktuatoren für Funktechnikzwecke ist
Radarsignatur zu reduzieren.

Moskauer Staatsuniversität

ihnen. M. V. Lomonosova

Fakultät für Materialwissenschaften

Thema: „Materialien mit Formgedächtnis.“

V-Jahres-Student der FNM

Kareeva I.E.

Moskau 2000

Einleitung……………………………………………………2

Mechanismus zur Umsetzung des Formgedächtniseffekts………...3

Anwendungsbereiche………………………………………………………..7

Herstellung von Legierungen mit Formgedächtnis…………………….9

Abbau……………………………………………………………..10

Fazit…………………………………………………………..11

Referenzen………………………………………………………..12

Einführung.

Formgedächtnismaterialien (MSM) wurden in den späten 60er Jahren dieses Jahrhunderts entdeckt. Innerhalb von 10 Jahren (Ende der 70er – Anfang der 80er Jahre) erschienen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften zahlreiche Berichte, in denen verschiedene Einsatzmöglichkeiten beschrieben wurden. Derzeit sind für MPF funktionelle Eigenschaften definiert: Einweg- und Zwei-Wege-Memory-Effekt, Pseudo- oder Superelastizität, hohe Dämpfungsfähigkeit.

MPFs haben in der Medizin bereits breite Anwendung als langfristig funktionierende Materialien gefunden, die in den Körper implantiert werden. Sie weisen hohe elastische Eigenschaften auf, können ihre Form bei Temperaturänderungen ändern und kollabieren bei wechselnden Belastungsbedingungen nicht. Die komplexe Natur der Phasenumwandlungen vom martensitischen Typ, die in Legierungen auf Basis von Titannickelid auftreten, zeigt sich deutlich in porösen Strukturen. Phasenübergänge in solchen Legierungen sind durch eine große Hysterese und einen langen Temperaturbereich gekennzeichnet, in dem das Material Formgedächtnis- und Superelastizitätseffekte zeigt. Neben Legierungen auf Ni-Ti-Basis gibt es martensitische Umwandlungen beispielsweise in Systemen wie Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

Abhängig von der martensitischen Umwandlungstemperatur und den mechanischen Eigenschaften haben Formgedächtnislegierungen ein breites Anwendungsspektrum.


Der Mechanismus zur Umsetzung des Formgedächtniseffekts.

Martensit.

Martensit ist eine Struktur kristalliner Feststoffe, die durch eine scherende, diffusionsfreie polymorphe Umwandlung beim Abkühlen entsteht. Benannt nach dem deutschen Metallurgen Martens (1850 – 1914). Durch die Gitterverformung bei dieser Umwandlung entsteht auf der Metalloberfläche ein Relief; Es entstehen innere Spannungen im Volumen und es kommt zu plastischer Verformung, die das Wachstum des Kristalls begrenzt. Die Wachstumsgeschwindigkeit erreicht 10 3 m/s und hängt nicht von der Temperatur ab, sodass die Geschwindigkeit der Martensitbildung normalerweise die Keimbildung von Kristallen begrenzt. Die Gegenwirkung innerer Spannungen verschiebt die Keimbildung von Kristallen deutlich unter den Punkt des thermodynamischen Gleichgewichts der Phasen und kann Umwandlungen bei konstanter Temperatur stoppen; Daher nimmt die Menge an gebildetem Martensit normalerweise mit zunehmender Unterkühlung zu. Da die elastische Energie minimal sein muss, nehmen Martensitkristalle die Form von Platten an. Auch innere Spannungen werden durch plastische Verformung abgebaut, sodass der Kristall viele Versetzungen (bis zu 10 12 cm -2) enthält oder in Zwillinge mit einer Dicke von 100 - 1000 Å zerbricht. Intrakorngrenzen und Versetzungen verstärken Martensit. Martensit ist ein typisches Produkt polymorpher Niedertemperaturumwandlungen in reine Metalle (Fe, Co, Ti, Zr, Li und andere), in darauf basierenden festen Lösungen, in intermetallischen Verbindungen (CuZn, Cu 3 Al, NiTi, V 3 Si). , AuCd).

Martensitische Umwandlungen.

Intermetallische Ni-Ti-Verbindungen mit einer eutektischen Zusammensetzung zeichnen sich durch einen Übergang von der kubischen (austenitischen Phase) zur monoklinen (martensitischen) Phase bei Raumtemperatur aus. Solche Umwandlungen treten bei Legierungen üblicherweise bei hohen Spannungen auf, aufgrund des Memory-Effekts oder der Superelastizität können Umwandlungen jedoch auch bei niedrigen Spannungen auftreten. Austenitische Ni-Ti-Legierungen zeigen ein superelastisches Verhalten unter mechanischen Belastungen und Spannungen (8 %), die durch martensitische Umwandlung verursacht werden. Beim Entladen wird Martensit instabil und wandelt sich in Austenit um, wobei alle makroskopischen Spannungen ausgeglichen werden.

Die martensitische Transformation ist eine polymorphe Transformation, bei der sich die relative Anordnung der Atome, aus denen der Kristall besteht, durch ihre geordnete Bewegung ändert und die relativen Verschiebungen benachbarter Atome im Vergleich zum interatomaren Abstand gering sind. Die Umstrukturierung des Kristallgitters in Mikroregionen beruht in der Regel auf der Verformung seiner Zelle, und die Endphase der martensitischen Umwandlung ist eine gleichmäßig deformierte Anfangsphase. Das Ausmaß der Verformung ist gering (~1–10 %), und dementsprechend ist die Energiebarriere, die den gleichmäßigen Übergang von der Anfangsphase in die Endphase verhindert, im Vergleich zur Bindungsenergie im Kristall gering. Eine notwendige Voraussetzung für die martensitische Umwandlung, die sich durch die Bildung und das Wachstum von Bereichen einer stabileren Phase in eine metastabile Phase entwickelt, ist die Aufrechterhaltung eines geordneten Kontakts zwischen den Phasen. Die geordnete Struktur der Phasengrenzen mit einer kleinen Barriere für einen gleichmäßigen Phasenübergang gewährleistet ihre niedrige Energie und hohe Mobilität. Infolgedessen ist die überschüssige Energie, die für die Keimbildung von Kristallen einer neuen Phase (martensitische Kristalle) erforderlich ist, gering und wird bei einer gewissen Abweichung vom Phasengleichgewicht mit der Energie der in der Anfangsphase vorhandenen Defekte vergleichbar. Daher erfolgt die Keimbildung martensitischer Kristalle mit einer höheren Geschwindigkeit und erfordert möglicherweise keine thermischen Schwankungen. Eine wesentliche Rolle bei der martensitischen Umwandlung spielen innere Spannungen, die durch die elastische Anpassung von Kristallgittern entlang der Phasengrenzen entstehen. Elastische Spannungsfelder führen zu einer Verschiebung des Gleichgewichtspunkts der interagierenden Phasen relativ zur Lage des wahren thermodynamischen Gleichgewichts für isolierte, unverzerrte Phasen; Dementsprechend kann die Temperatur, bei der die martensitische Umwandlung beginnt, deutlich von der wahren Gleichgewichtstemperatur abweichen. Der Wunsch, die elastische Spannungsenergie zu minimieren, bestimmt die Morphologie, die innere Struktur und die relative Position von Martensitkristallen. Die neue Phase entsteht in Form dünner Platten, die in einer bestimmten Weise relativ zu den kristallographischen Achsen ausgerichtet sind. Platten sind in der Regel keine Einkristalle, sondern Pakete planparalleler Domänen – Bereiche einer neuen Phase, die sich in der Ausrichtung des Kristallgitters unterscheiden (Zwillinge). Die Interferenz von Spannungsfeldern verschiedener Domänen führt zu deren teilweiser Zerstörung. Eine weitere Reduzierung der elastischen Felder wird durch die Bildung von Ensembles regelmäßig angeordneter Platten erreicht. Das heißt, als Ergebnis der martensitischen Umwandlung entsteht eine polykristalline Phase mit einer besonderen hierarchischen Reihenfolge (Anordnungen – Platten – Domänen) in der Anordnung der Strukturkomponenten. Eine Erhöhung der inneren Spannungen während der martensitischen Umwandlung führt unter bestimmten Bedingungen zur Einstellung eines zweiphasigen thermoelastischen Gleichgewichts, das sich reversibel verschiebt, wenn sich äußere Bedingungen ändern: Unter dem Einfluss mechanischer Belastungen oder bei Temperaturänderungen ändern sich die Größen einzelner Kristalle und ihre Nummernänderung. Martensitische Umwandlungen finden sich in vielen kristallinen Materialien: reine Metalle, zahlreiche Legierungen, ionische, kovalente und molekulare Kristalle.

Es bestehen große Aussichten auf reversible Formänderungen während der Martensitumwandlung (die Entstehung superelastischer Legierungen, die beim Erhitzen nach plastischer Verformung ihre ursprüngliche Form wiederherstellen – der Memory-Effekt) sowie den Zusammenhang zwischen der Martensitumwandlung und dem Auftreten supraleitender Eigenschaften bei einigen Metallen . Martensitische Umwandlungen bilden die Grundlage zahlreicher Strukturumwandlungen, aufgrund derer mit Hilfe thermischer und mechanischer Behandlung eine gezielte Veränderung der Eigenschaften kristalliner Werkstoffe erfolgt.

Merkmale poröser Titan-Nickelid-Legierungen.

Das Vorhandensein eines weiten Temperaturbereichs der Martensitumwandlung in porösem Titannickelid im Vergleich zu gegossenem Titan spiegelt sich in den Temperaturkurven des elektrischen Widerstands wider. Es hat sich gezeigt, dass der martensitische Übergang in porösen Legierungen unvollständig ist und über einen größeren Temperaturbereich erfolgt als in Gusslegierungen. Ein wichtiges Merkmal von porösem Titannickelid im Vergleich zu einer nichtporösen (gegossenen) Legierung derselben Zusammensetzung ist daher der große Temperaturbereich der Phasenumwandlungen. Sie beträgt ca. 250 0 C, liegt also deutlich über dem Umwandlungsbereich (30–40 0 C) der Gusslegierung. Die Vergrößerung des Temperaturbereichs der Phasenumwandlungen ist auf die Struktur des porösen Titannickelids zurückzuführen. Auch der Größenfaktor ist von Bedeutung, da sich die martensitische Umwandlung in dünnen Brücken und massiven Bereichen unterschiedlich äußert. Die Wirkung dieser Faktoren führt dazu, dass Phasenumwandlungen in porösen Materialien auf Basis von Titannickelid in verschiedenen Regionen bei unterschiedlichen Temperaturen beginnen, wodurch die Hysterese entlang der Temperaturachse verlängert wird und entsprechend die Temperaturbereiche der Umwandlungen und die Manifestationsintervalle des Formgedächtnisses erweitert werden Effekte und Superelastizität in porösen Legierungen auf Basis von Nickelidtitan.


Abb. 1 Temperaturabhängigkeiten des reversiblen Memory-Effekts und der Streckgrenze in porösen (1) und gegossenen (2) Legierungen auf Basis von Titannickelid.

Abbildung 1 zeigt den Formgedächtniseffekt in porösen und gegossenen Legierungen. Bei einer porösen Legierung zeigt sich der Formgedächtniseffekt in einem größeren Temperaturbereich als bei einer Gusslegierung, und die verbleibende plastische Verformung ist bei einem porösen Material signifikanter (in Abb. 1) als bei einem Guss. Bei gegossenem Titannickelid kommt es nach einer Verformung um 6 - 8 % und anschließender Erwärmung über den MT-Temperaturbereich zu einer nahezu vollständigen (bis zu 100 %) Wiederherstellung der Form (Abb. 1). Mit zunehmendem Verformungsgrad von gegossenem Titannickelid bilden sich Versetzungsfehler, die im Gegensatz zu martensitischen Umwandlungen irreversibel sind. Das Stadium der reversiblen Verformung nach dem Martensitmechanismus wird durch das Stadium der irreversiblen plastischen Verformung ersetzt. Bereits bei geringen Belastungen entstehen Bereiche, in denen die elastische Verformung den Grenzwert überschreitet. Im Gegensatz dazu liegt bei porösen Legierungen selbst bei minimalen Verformungen der Grad der Formwiederherstellung nicht über 85 %. Der Grad der Formwiederherstellung hängt von der Porosität, der Porengrößenverteilung und der Höhe der martensitischen Scherspannung ab, d. h. verbunden mit den Besonderheiten der Verformung poröser Körper. Die Analyse der Verformungsabhängigkeiten von Titannickelid mit unterschiedlichen Porositäten zeigt, dass die Streckgrenze der Legierung mit zunehmender Porosität abnimmt.

Einsatzgebiete.

Nichtmedizinische Verwendung.

Die erste Formgedächtnislegierung wurde 1971 im F-14-Flugzeug verwendet, es war Ni-Ti-Fe. Die Verwendung einer Ni-Ti-Nb-Legierung war ein großer Fortschritt, aber auch Fe-Mn-Si-Legierungen haben trotz ihrer geringeren Erholungsspannung große Aufmerksamkeit erhalten.

Es gibt potenzielle Anwendungen für Nitinol in der Produktion von Konsumgütern. Zum Beispiel eine interessante Erfindung: ein Gerät – ein Aschenbecherhalter, der eine brennende Zigarette in den Aschenbecher senkt und verhindert, dass sie beispielsweise auf die Tischdecke fällt.

Die Zuverlässigkeit von Formgedächtnisgeräten hängt von ihrer Lebensdauer ab. Wichtige externe Parameter zur Steuerung der Systembetriebszyklen sind Zeit und Temperatur. Wichtige interne Parameter, die die physikalischen und mechanischen Eigenschaften bestimmen, sind: Legierungssystem, Legierungszusammensetzung, Transformationstyp und Gitterfehler. Diese Parameter steuern den thermomechanischen Verlauf der Legierung. Dadurch wird der maximale Memory-Effekt abhängig von der Anzahl der benötigten Zyklen begrenzt.

Bei Weltraumnutzlasten wie Solarpaneelen oder Satellitenantennen kommen derzeit überwiegend pyrotechnische Einsatzmethoden zum Einsatz, was viele Probleme mit sich bringt. Der Einsatz von Formgedächtnismaterialien beseitigt all diese Probleme und bietet zudem die Möglichkeit, die Leistung des Systems immer wieder am Boden zu testen.

Jüngste Untersuchungen zu Ni-Ti-Legierungen haben gezeigt, dass superelastisches Verhalten zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit führt. Pseudoelastisches Verhalten verringert die Fläche des elastischen Kontakts beim Gleiten. Durch die Reduzierung der elastischen Kontaktfläche zwischen zwei Gleitteilen wird die Verschleißfestigkeit des Materials erhöht. Eine besondere Art von Verschleiß ist die Kavitationserosion, die bei hydraulischen Maschinen, Schiffspropellern und Wasserturbinen zu besonderen Problemen führt. Vergleichsstudien verschiedener Materialien haben gezeigt, dass Ni-Ti-Legierungen eine höhere Beständigkeit gegen Kavitationserosion aufweisen als herkömmliche Legierungen. Im martensitischen Zustand weist die Ni-Ti-Legierung eine sehr gute Beständigkeit gegen Kavitationserosion auf. Da jedoch die Herstellung korrosionsanfälliger Arbeitsteile vollständig aus einer Ni-Ti-Legierung zu teuer ist, ist die Verwendung einer Ni-Ti-Legierung in Kombination mit Stahl die beste Lösung.

Medizinische Verwendung.

In der Medizin wird eine neue Klasse von Verbundwerkstoffen „Biokeramik – Titannickelid“ verwendet. In solchen Verbundwerkstoffen weist eine Komponente (Titannickelid) Superelastizität und Formgedächtnis auf, während die andere die Eigenschaften von Biokeramik behält.

Die Keramikkomponente kann Porzellan sein, das in der orthopädischen Zahnheilkunde weit verbreitet ist und ein zerbrechliches Material ist. Die hohe Zerbrechlichkeit von Porzellan ist darauf zurückzuführen, dass an den Grenzen verschiedener Phasen und Körner Kontaktspannungen entstehen, die das Niveau der durchschnittlichen angelegten Spannungen deutlich übersteigen. Eine Entspannung der Kontaktspannungen in einem Keramikmaterial ist möglich, wenn in der Zone dieser Spannungen aufgrund einer Phasenumwandlung in Titannickelid eine Energiedissipation auftritt. Eine Temperaturänderung oder das Aufbringen einer Last führt zu einer martensitischen Umwandlung im Titannickelid, die bei Belastung des Verbundwerkstoffs zu einer effektiven Spannungsrelaxation in der Matrix führt und es dem massiven Bauteil ermöglicht, die aufgebrachte Last zu tragen. Es ist bekannt, dass die elastische Erholung des Volumens poröser Presslinge aus superelastischem Titannickelidpulver mit dem Aufbrechen der Kontakte zwischen den Partikeln verbunden ist und von der Festigkeit des Briketts bestimmt wird, die von der Porosität und der Größe der Kontaktadhäsionskräfte abhängt. Durch die Abschwächung dieser Kräfte durch Zugabe weiterer Komponenten zum Titannickelidpulver, etwa fein verteiltem Wolfram oder Siliziumkarbid, wird die elastische Wirkung deutlich erhöht, da starke gleichnamige Titan-Nickel-Kontakte durch gegenläufige ersetzt werden. Da die Größe des elastischen Effekts mit abnehmendem Titannickelidgehalt im Presskörper abnimmt, ist die Konzentrationsabhängigkeit der elastischen Volumenrückgewinnung normalerweise extrem. Im Porzellan-Titan-Nickelid-Verbundwerkstoff interagieren die Komponenten nur schwach und nach dem Sintern werden die Kontakte zwischen den Keramik- und Metallkomponenten geschwächt. Bei Belastung reißen sie zuerst und die elastische Volumenerholung nimmt zu. Dadurch ist die Verformung reversibel und der Verbundwerkstoff weist Eigenschaften auf, die der Superelastizität ähneln. Die Biokompatibilität des Verbundmaterials „Dentalporzellan-Titannickelid“ wurde histologisch untersucht, wobei die Gewebereaktion bei Ratten auf die Implantation von Verbundmaterial- und Porzellanproben unter die Haut der vorderen Bauchdecke beurteilt wurde. Die Art der Gewebereaktionen, ihre Prävalenz und Merkmale zellulärer Veränderungen erwiesen sich in beiden Fällen als eindeutig. Daher sind Biokeramik-Titan-Nickelid-Verbundmaterialien biokompatibel.

Herstellung von Legierungen mit Formgedächtnis.

Formgedächtnislegierungen werden durch Verschmelzen einzelner Komponenten hergestellt. Die Schmelze wird schnell abgekühlt und einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen.

Eine ganze Klasse von Verbundwerkstoffen „Biokeramik – Titannickelid“ für die Medizin wurde vorgeschlagen. In solchen Materialien verfügt eine Komponente (Titannickelid) über Formgedächtnis und Superelastizität, während die andere die Eigenschaften von Biokeramik behält. Die am häufigsten verwendete Keramikkomponente ist Porzellan, das in der orthopädischen Zahnheilkunde weit verbreitet ist und ein zerbrechliches Material ist. Zur Herstellung solcher Proben werden Pulver aus Titannickelid und Porzellanmasse verwendet, die nach dem Mischen und Trocknen im Vakuum gesintert werden.

Degradierung

Die martensitische Umwandlung in Legierungen auf NiTi-Basis ist ein athermischer Prozess, dessen Geschwindigkeit vollständig durch die Geschwindigkeit der Temperaturänderung in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts der Phasen bestimmt wird. Daher können alle spezifischen mechanischen Effekte in NiTi, die mit der martensitischen Umwandlung einhergehen, wie z. B. Formgedächtnis und Umwandlungsplastizität, unter geeigneten Heiz- und Abkühlbedingungen in sehr kurzer Zeit realisiert werden. In Hochgeschwindigkeitsgeräten werden zur Beschleunigung des Wärmeaustauschs mit einem Wärmeträger (flüssig oder gasförmig) dünne Bänder, Drähte und Rohre mit linearen Abmessungen im Mikrometerbereich im Querschnitt verwendet. In diesem Fall kommt dem Zustand der freien Oberfläche der Legierung große Bedeutung zu. Da bereits kleine Variationen in der Zusammensetzung zu Veränderungen der Temperaturkinetik und der Vollständigkeit der Umwandlung führen, verändern die Entmischung von Elementen und die Oxidation der Oberfläche die besonderen Eigenschaften des Materials erheblich. Diesem Umstand kommt besondere Bedeutung zu, da eine thermische oder thermomechanische Vorbehandlung des Materials erforderlich ist.

Untersuchungen haben die Tendenz von Titannickelid auf der freien Oberfläche unter thermischen Einflüssen gezeigt. In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oxidiert die Legierung und bildet eine Oxidschicht, die hauptsächlich aus TiO 2 -Oxid besteht. Da Titan chemisch sehr aktiv ist, kann davon ausgegangen werden, dass Titanatome in einer sauerstofffreien Umgebung mit jedem nicht inerten Gas, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre, Verbindungen bilden – Nitride. Die Bildung von Oxiden entlang der Korngrenzen und auf der Oberfläche kann nur durch eine Wärmebehandlung der Proben im Vakuum oder in einer inerten Umgebung vermieden werden.

Abschluss

Der Memory-Effekt oder Formgedächtnis ist die Fähigkeit eines Produkts, beim Erhitzen seine ursprüngliche Form wiederherzustellen, die sich durch plastische Verformung verändert hat. Die bekannteste Memory-Legierung ist Nitinol.

Die Wiederherstellung der Form wird durch martensitische Umwandlung oder reversible Zwillingsbildung im Gefüge des Metallmaterials verursacht.

Beim Memory-Effekt, der durch den Mechanismus der martensitischen Umwandlung entsteht, entstehen beim Erhitzen der Legierung Spannungen im vorverformten Stahlgitter. Eine Wiederherstellung der vorherigen Form erfolgt nur bei Kohärenz zwischen dem verformten Kristallgitter des Materials und der beim Erhitzen gebildeten martensitischen Phase. In kohärenten Kristallgittern an der Phasengrenzfläche ist die Anzahl der Zellen der Haupt- und der resultierenden Phase der Legierung gleich (nur die Richtungen der Atomebenen der Kristallgitter unterscheiden sich geringfügig). In teilweise kohärenten Gittern wird die Regelmäßigkeit des Atomebenenwechsels gestört und es entsteht eine sogenannte Kantenversetzung an der Phasengrenze. In inkohärenten Kristallgittern sind die Richtungen der Atomebenen sehr unterschiedlich. Das Wachstum von Martensitkristallen erfolgt nur bis zu inkohärenten Grenzflächen zwischen den Phasen.

Die martensitische Phase im Stahl entsteht, wenn die freie Energie des Systems A≠ 0. Wenn die Energie der elastischen Verformung des Stahlgitters gleich der Bildungsenergie der Martensitphase darin ist, dann ist A = 0 und das Wachstum der Martensitkristalle endet. Dieses Gleichgewicht hängt von der Temperatur ab und wird thermoelastisch genannt.

Die Formwiederherstellung nach dem zweiten Mechanismus ist mit der Bildung von Zwillingen im Kristallgitter metallischer Werkstoffe unter mechanischer Belastung und deren Verschwinden beim Erhitzen verbunden. Wenn eine Stahlprobe im martensitischen Zustand verformt wird, kommt es zu einer Neuverflechtung oder Neuorientierung der Martensitkristalle. Dadurch verändert sich die Form der Probe. Beim Erhitzen werden die Struktur und Ausrichtung der Kristalle der Anfangsphase wiederhergestellt, was zur Wiederherstellung der Form des Produkts führt. Das Überschreiten des kritischen Verformungsgrades führt zur Bildung irreversibler Zwillinge, deren Verschwinden nur während der Rekristallisation möglich ist.

Bei Legierungen mit thermoelastischem Martensit wird eine vollständige Formwiederherstellung beobachtet: Cu – Al – (Fe, Ni, Co, Mn), Ni – Al, Ti – Ni, Ti – Au, Ti – Pd, Ti – Pt, Au – Cd, Ag – Cd, Cu – Zn – Al.

Nitinol ist eine dieser Legierungen. Ti - Ni . Der Temperaturbereich des Memory-Effekts in Nitinol liegt zwischen 550 und 600 °C. Die Haupteigenschaften von Nitinol:

Elastizitätsmodul E=66,7...72,6 MPa;

Zugfestigkeitσ =735...970 MPa;

Relative Dehnung l=2…27%;

Spezifischer elektrischer Widerstand ρ=65…76 μOhm× cm;

Schmelztemperatur Tmelt=1250…1310 0 C;

Dichte d = 6440 kg/m 3.

Memory-Legierungen werden für rohrförmige dauerhafte Verbindungen verwendet, die Schweißen und Löten überflüssig machen, in Unterlegscheiben für elektrische Kontaktverbindungen, die einen konstanten Druck und damit einen konstanten Kontaktwiderstand gewährleisten, selbstexpandierende Antennen von Raumfahrzeugen usw.