Una de las percepciones básicas de la gente sobre los fenómenos del mundo exterior es la durabilidad y confiabilidad de los productos y estructuras metálicas que conservan de manera estable su forma funcional durante mucho tiempo, a menos, por supuesto, que estén expuestos a influencias supercríticas.

Sin embargo, contrariamente al sentido común, existen varios materiales, aleaciones metálicas, que, cuando se calientan, después de una deformación preliminar, demuestran el fenómeno de volver a su forma original. Es decir, estos metales, al no ser seres vivos, tienen una propiedad especial que les permite exhibir una especie de memoria.

Fenómeno

Para comprender el efecto de la memoria de forma, basta con ver su manifestación una vez. ¿Lo que está sucediendo?

Demostración del efecto de memoria de forma.

Hay un alambre de metal.	Este cable está doblado.
Empezamos a calentar el alambre.	Cuando se calienta, el alambre se endereza y recupera su forma original.

La esencia del fenómeno.

¿Por qué está pasando esto?

La esencia del fenómeno.

En su estado inicial, el material tiene una determinada estructura. En la figura está indicado por cuadrados regulares.

Cuando se deforma (en este caso, se dobla), las capas externas del material se estiran y las internas se comprimen (las del medio permanecen sin cambios). Estas estructuras alargadas son placas de martensita. Lo cual no es inusual en el caso de las aleaciones metálicas. Lo que es inusual es que en los materiales con memoria de forma la martensita sea termoelástica.

Al calentarse comienza a aparecer la termoelasticidad de las placas martensíticas, es decir, en ellas surgen tensiones internas que tienden a devolver la estructura a su estado original, es decir, comprimir las placas alargadas y estirar las aplanadas.

Dado que las placas alargadas exteriores se comprimen y las aplanadas interiores se estiran, el material en su conjunto se autodeforma en la dirección opuesta y restaura su estructura original, y con ella su forma.

Características del efecto de memoria de forma

Efecto de memoria de forma caracterizado por dos cantidades.

• Una marca de aleación con una composición química estrictamente mantenida. (Ver más “Materiales con memoria de forma”)
• Temperaturas transformaciones martensíticas.

En el proceso de manifestación efecto de memoria de forma participar transformaciones martensíticas dos tipos: directo e inverso. En consecuencia, cada uno de ellos se manifiesta en su propio rango de temperatura: MN y MK: el principio y el final. transformación martensítica directa durante la deformación, AN y AK: el principio y el final durante el calentamiento.

Temperaturas transformaciones martensíticas son función tanto del grado de la aleación (sistema de aleación) como de su composición química. Pequeños cambios en la composición química de la aleación (intencionados o como resultado de defectos) provocan un cambio en estas temperaturas.

Esto implica la necesidad de un estricto mantenimiento de la composición química de la aleación para una manifestación funcional inequívoca. efecto de memoria de forma. Lo que lleva la producción metalúrgica al ámbito de la alta tecnología.

Efecto de memoria de forma Aparecen varios millones de ciclos.

Preliminar tratamientos térmicos se puede fortalecer efecto de memoria de forma.

Reversible posible efectos de memoria de forma, cuando un material “recuerda” una forma a una temperatura y otra a otra temperatura.

Cuanto mayor sea la temperatura transformación martensítica inversa, cuanto menos pronunciado efecto de memoria de forma. Por ejemplo, débil efecto de memoria de forma observado en aleaciones del sistema Fe-Ni (5 - 20% Ni), a cuyas temperaturas transformación martensítica inversa 200 - 400˚C.

superelasticidad

Otro fenómeno estrechamente relacionado con efecto de memoria de forma es superelasticidad.

superelasticidad- la propiedad de un material sometido a una carga que excede significativamente el límite elástico de restaurar completamente su forma original después de retirar la carga.

El comportamiento superelástico es un orden de magnitud mayor que el comportamiento elástico.

superelasticidad observado en el rango de temperatura entre el inicio de la transformación martensítica directa y el final de la inversa.

Materiales con memoria de forma

Niqueluro de titanio

El líder entre los materiales con memoria de forma en términos de aplicación y conocimiento es niqueluro de titanio .

Niqueluro de titanio es un compuesto intermetálico de composición equiatómica con 55% en peso de Ni. Punto de fusión 1240 - 1310˚C, densidad 6,45 g/cm3. La estructura inicial del niqueluro de titanio, una red cúbica estable centrada en el cuerpo del tipo CsCl, sufre un comportamiento termoelástico tras la deformación. transformación martensítica con la formación de una fase de baja simetría.

Otro nombre para esta aleación, adoptado en el extranjero, es nitinol proviene de la abreviatura NiTiNOL, donde NOL es la abreviatura de Laboratorio de Artillería Naval de EE. UU., donde se desarrolló el material en 1962.

Elemento de niqueluro de titanio Puede realizar las funciones tanto de sensor como de actuador.

Niqueluro de titanio tiene:

• Excelente resistencia a la corrosión.
• Alta resistencia.
• Buenas características de memoria de forma. Alto coeficiente de recuperación de forma y alta fuerza de restauración. Se puede restaurar completamente una deformación de hasta el 8%. La tensión de recuperación puede alcanzar los 800 MPa.
• Buena compatibilidad con los organismos vivos.
• Alta capacidad de amortiguación del material.

Defectos:

• Debido a la presencia de titanio, la aleación une fácilmente nitrógeno y oxígeno. Para evitar reacciones con estos elementos durante la producción, se deben utilizar equipos de vacío.
• El procesamiento en la fabricación de piezas es difícil, especialmente el corte. (Reverso de alta resistencia).
• Precio alto. A finales del siglo XX valía algo menos que la plata.

Al nivel actual de producción industrial, los productos de niqueluro de titanio (junto con las aleaciones del sistema Cu-Zn-Al) han encontrado una amplia aplicación práctica y ventas en el mercado. (Ver más “Uso de materiales con memoria de forma”).

Otras aleaciones

A finales del siglo XX efecto de memoria de forma se encontró en más de 20 aleaciones. Excepto niqueluro de titanio Efecto memoria de forma detectado en los sistemas:

• Au-Cd. Desarrollado en 1951 en la Universidad de Illinois, EE.UU. Uno de los pioneros de los materiales con memoria de forma.
• Cu-Zn-Al. Junto con niqueluro de titanio tiene aplicación práctica. Temperaturas de transformaciones martensíticas en el rango de -170 a 100˚C.
  • Ventajas (en comparación con niqueluro de titanio):
    • Se puede fundir en atmósfera normal.
    • Fácil de cortar.
    • El precio es cinco veces más barato.
  • Defectos:
    • Peor en términos de características de memoria de forma.
    • Peores propiedades mecánicas y de corrosión.
    • Durante el tratamiento térmico, el grano se engrosa fácilmente, lo que conduce a una disminución de las propiedades mecánicas.
    • Problemas de estabilización de granos en pulvimetalurgia.
• Cu-Al-Ni. Desarrollado en la Universidad de Osaka, Japón. Temperaturas transformación martensítica en el rango de 100 a 200˚C.
• Fe-Mn-Si. Las aleaciones de este sistema son las más baratas.
• Fe-Ni
• Cu-Al
• Cu-Mn
• Co-Ni
• Ni-Al

Algunos investigadores creen que efecto de memoria de forma es fundamentalmente posible con cualquier material que se someta transformaciones martensíticas, incluidos metales puros como el titanio, el circonio y el cobalto.

Producción de niqueluro de titanio.

La fusión se realiza en un horno de cráneo al vacío o en un horno de arco eléctrico con electrodo consumible en atmósfera protectora (helio o argón). La carga en ambos casos es yoduro de titanio o esponja de titanio, prensada en briquetas, y níquel grado N-0 o N-1.

Para obtener una composición química uniforme en toda la sección y altura del lingote, se recomienda una doble o triple refundición.

El modo de enfriamiento óptimo de los lingotes para evitar el agrietamiento es el enfriamiento con un horno (no más de 10˚ por segundo).

Eliminación de defectos superficiales: desbaste con rueda de esmeril.

Para igualar más completamente la composición química en todo el volumen del lingote, la homogeneización se lleva a cabo a una temperatura de 950 - 1000˚C en una atmósfera inerte.

Aplicación de materiales con efecto memoria de forma.

Manguitos de conexión de níqueluro de titanio

Un casquillo desarrollado e introducido por primera vez por Raychem Corporation, EE. UU., para conectar tuberías del sistema hidráulico de aviones militares. Hay más de 300 mil conexiones de este tipo en el luchador, pero nunca ha habido informes de fallas.

El uso de dichos casquillos es el siguiente:

Aplicación de manguitos de conexión.

El casquillo se encuentra en su estado original a una temperatura de 20˚C.

El manguito se coloca en un criostato, donde, a una temperatura de -196˚C, las protuberancias internas se ensanchan con un émbolo.

Un casquillo frío se vuelve liso desde el interior.

Con unos alicates especiales, se retira el manguito del criostato y se coloca en los extremos de los tubos que se están conectando.

La temperatura ambiente es la temperatura de calentamiento para una composición de aleación determinada. Entonces todo sucede “automáticamente”. Las protuberancias internas "recuerdan" su forma original, se enderezan y se cortan en la superficie exterior de las tuberías conectadas.

El resultado es una conexión fuerte y hermética que puede soportar presiones de hasta 800 atm.

En esencia, este tipo de conexión sustituye a la soldadura. Y previene desventajas de la soldadura como el inevitable ablandamiento del metal y la acumulación de defectos en la zona de transición entre el metal y la soldadura.

Además, este método de unión es bueno para la conexión final al ensamblar una estructura, cuando la soldadura se vuelve de difícil acceso debido al entrelazamiento de componentes y tuberías.

Estos casquillos se utilizan en aplicaciones de aviación, espaciales y automotrices.

Este método también se utiliza para unir y reparar tuberías de cables submarinos.

En medicina

• Guantes utilizados en el proceso de rehabilitación y diseñados para reactivar grupos musculares activos con insuficiencia funcional. Puede utilizarse en las articulaciones intercarpianas, codo, hombro, tobillo y rodilla.
• Bobinas anticonceptivas que, tras su inserción, adquieren una forma funcional bajo la influencia de la temperatura corporal.
• Filtros para introducción en los vasos del sistema circulatorio. Se introducen en forma de alambre recto mediante un cortador, después de lo cual toman la forma de filtros que tienen una ubicación determinada.
• Pinzas para pellizcar las venas débiles.
• Músculos artificiales que funcionan con corriente eléctrica.
• Pasadores de sujeción diseñados para fijar prótesis a huesos.
• Dispositivo de extensión artificial para las llamadas prótesis de crecimiento en niños.
• Reemplazo del cartílago de la cabeza femoral. El material de repuesto se vuelve autosujetante debido a la influencia de la forma esférica (cabeza femoral).
• Varillas para corrección espinal en escoliosis.
• Elementos de fijación de sujeción temporal para implantación de lentes artificiales.
• Marco de los lentes. En la parte inferior, donde se fija el cristal con alambre. Las lentes de plástico no se salen cuando se enfrían. El marco no se estira al limpiar las lentes y al uso prolongado. Efecto utilizado superelasticidad.
• Implantes ortopédicos.
• Alambre para corregir la dentición.

alarma de calor

• Alarma de incendios.
• Compuertas cortafuegos.
• Dispositivos de alarma para bañeras.
• Fusible de red (protección de circuitos eléctricos).
• Dispositivo de apertura y cierre automático de ventanas en invernaderos.
• Tanques de calderas de recuperación térmica.
• Cenicero con extracción automática de cenizas.
• Contactor electrónico.
• Sistema de prevención de escape de gases que contienen vapores de combustible (en automóviles).
• Dispositivo para eliminar el calor de un radiador.
• Dispositivo para encender las luces antiniebla.
• Regulador de temperatura en la incubadora.
• Recipiente para lavar con agua tibia.
• Válvulas de control para dispositivos de refrigeración y calefacción, máquinas de calor.

Otras aplicaciones

• Focus Boro, Japón, utiliza niqueluro de titanio en dispositivos de accionamiento para grabadoras. La señal de entrada de la grabadora se convierte en una corriente eléctrica que calienta un alambre de níqueluro de titanio. Al alargar y contraer el cable, la pluma de la grabadora se pone en movimiento. Desde 1972 se han fabricado varios millones de unidades de este tipo (datos de finales del siglo XX). Dado que el mecanismo de accionamiento es muy sencillo, las averías son extremadamente raras.
• Estufa de cocina electrónica de tipo convección. Se utiliza un sensor de níqueluro de titanio para cambiar la ventilación entre calentamiento por microondas y calentamiento por circulación de aire caliente.
• Válvula sensible para aire acondicionado de habitación. Ajusta la dirección del viento en la ventilación del aire acondicionado para fines de refrigeración y calefacción.
• Cafetera. Determinación del punto de ebullición, así como para el encendido y apagado de válvulas e interruptores.
• Procesador de alimentos electromagnético. El calentamiento se produce mediante corrientes parásitas que surgen en el fondo de la olla bajo la influencia de campos de fuerza magnéticos. Para evitar quemarse, aparece una señal que es impulsada por un elemento en forma de bobina de níqueluro de titanio.
• Secadora de almacenamiento electrónico. Impulsa las aletas durante la regeneración del agente deshidratante.
• A principios de 1985, las aleaciones con memoria de forma, utilizadas para fabricar las monturas de los sujetadores, comenzaron a conquistar con éxito el mercado. El marco metálico en la parte inferior de las copas está formado por alambre de níqueluro de titanio. Aquí se utiliza la propiedad de superelasticidad. Al mismo tiempo, no se siente la presencia de alambre, la impresión es de suavidad y flexibilidad. Cuando se deforma (cuando se lava), recupera fácilmente su forma. Ventas: 1 millón de unidades por año. Esta es una de las primeras aplicaciones prácticas de materiales con memoria de forma.
• Fabricación de diversas herramientas de sujeción.
• Sellado de carcasas de microcircuitos.
• La alta eficiencia de convertir el trabajo en calor durante las transformaciones martensíticas (en níqueluro de titanio) sugiere el uso de dichos materiales no solo como materiales altamente amortiguadores, sino también como fluido de trabajo de refrigeradores y bombas de calor.
• Propiedad superelasticidad Se utiliza para crear resortes y acumuladores de energía mecánica altamente eficientes.

Literatura

• V. A. Likhachev et al "Efecto de memoria de forma", Leningrado, 1987
• A. S. Tikhonov et al. “Aplicación del efecto de memoria de forma en la ingeniería mecánica moderna”, M., 1981.
• V. N. Khachin "Memoria de formas", M., 1984

Durante mucho tiempo, la deformación inelástica se consideró completamente irreversible. A principios de los años 1960. Se descubrió una extensa clase de materiales metálicos en los que el acto elemental de deformación inelástica se lleva a cabo debido a una transformación estructural. Dichos materiales tienen reversibilidad de deformación inelástica. El fenómeno de la restauración espontánea de la forma. efecto de memoria de forma(SME): se puede observar tanto en condiciones isotérmicas como durante cambios de temperatura. Durante los cambios de calor, dichos materiales metálicos pueden deformarse repetidamente de forma reversible.

La capacidad de recuperar la deformación no se puede suprimir ni siquiera bajo una fuerza elevada. El nivel de tensiones reactivas de algunos materiales con SME puede ser de 1.000... 1.300 MPa.

Los metales con SME se encuentran entre los representantes más destacados de los materiales con propiedades especiales. El creciente interés en este fenómeno metalúrgico se debe a la combinación única de altas propiedades mecánicas convencionales, resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión y propiedades inusuales como la memoria termomecánica y la tensión reactiva, basadas en la transformación martensítica termoelástica. Una característica de las aleaciones con SME es la pronunciada dependencia de la mayoría de las propiedades de la estructura. Los valores de las características físicas y mecánicas cambian varias veces durante la transición de fase reversible austenita-martensita para diferentes aleaciones, generalmente en el rango de temperatura -150...+ 150 °C.

De la gran cantidad de aleaciones con SME, las más prometedoras para aplicaciones prácticas son las aleaciones de Ti-Ni de composición equiatómica (igual número de átomos), generalmente llamadas niqueluro de titanio o nitinol. Se utilizan con menos frecuencia las aleaciones más baratas a base de cobre Cu-AI-Ni y Cu-Al-Zn.

El efecto de memoria de forma es que una muestra que tiene una determinada forma en estado austenítico a una temperatura elevada se deforma a una temperatura de transformación martensítica más baja. Después del sobrecalentamiento, acompañado de una transformación inversa, se recupera la forma característica original. El efecto de memoria de forma se manifiesta en aleaciones caracterizadas por transformación martensítica termoelástica, coherencia reticular de las fases austenítica y martensítica iniciales, histéresis de transformación relativamente pequeña, así como pequeños cambios de volumen durante las transformaciones. En el niqueluro de titanio, los cambios volumétricos son de aproximadamente el 0,34%, que es un orden de magnitud menor que en los aceros (aproximadamente el 4%).

Las aleaciones con SME a menudo se clasifican como materiales inteligentes, que permiten crear diseños y tecnologías fundamentalmente nuevos en diversas ramas de la ingeniería mecánica, la tecnología aeroespacial y de cohetes, la fabricación de instrumentos, la energía, la medicina, etc. Consideremos algunas aplicaciones. de aleaciones con SME.

La exploración del espacio cercano y lejano está asociada con la creación de estaciones orbitales y la construcción espacial a gran escala. Es necesario construir objetos tan voluminosos como paneles solares y antenas espaciales. En la Fig. La Figura 1.1 muestra un diagrama de una nave espacial con elementos autodesplegables. Las antenas constan de una lámina y una varilla de aleación de Ti-Ni que se enrollan y se colocan en un hueco del satélite artificial. Después de lanzar el satélite y ponerlo en órbita, la antena se calienta mediante un calentador especial o el calor de la radiación solar, por lo que sale al espacio exterior.

Para acomodar diversas instalaciones técnicas, módulos residenciales y de producción, es necesario construir grandes plataformas en espacios abiertos. La entrega de unidades voluminosas al espacio exterior es técnicamente posible sólo en piezas y con trabajos de instalación posteriores. Los métodos de unión de piezas utilizados en la producción en masa, como soldadura, soldadura fuerte, pegado, remachado y otros, no están permitidos.

Arroz. 1.1.

/ - antena; 2 - bateria solar; 3 - emisor de energía; 4 - estabilizador mecánico

Arroz. 1.2. Conexión de piezas tubulares (/) mediante un acoplamiento (2) de metal con memoria de forma:oh - antes del montaje;b - después del calentamiento

adecuado a las condiciones del espacio. Se imponen requisitos especiales para garantizar una seguridad excepcionalmente alta.

Teniendo en cuenta estas características, nuestro país ha creado una tecnología única para conectar elementos en el espacio exterior mediante un acoplamiento de aleación TN-1. Esta tecnología se utilizó con éxito para ensamblar una estructura de celosía hecha de aleaciones de aluminio con una longitud total de 14,5 my una sección transversal en forma de cuadrado con un lado de 0,5 m.

La armadura estaba formada por piezas tubulares individuales de 28 mm de diámetro, que estaban unidas entre sí mediante un acoplamiento. 2 fabricado en metal con memoria de forma (Fig. 1.2). Usando un mandril, el acoplamiento se deformó a baja temperatura de modo que su diámetro interior fuera mayor que el diámetro exterior de los elementos que se estaban conectando. Después de calentar por encima de la temperatura de transformación martensítica inversa, el diámetro interior del acoplamiento se restableció al diámetro que tenía el acoplamiento antes de la expansión. En este caso, se generaron importantes fuerzas reactivas de compresión y los elementos conectados se deformaron plásticamente, lo que aseguró su fuerte conexión. El montaje del truss y su instalación en el módulo astrofísico Kvant del complejo orbital Mir se llevó a cabo en 1991 en sólo cuatro paseos espaciales y duró aproximadamente un día en total.

Los mismos principios de construcción se pueden utilizar para la instalación de estructuras submarinas de gran tamaño en alta mar a grandes profundidades.

En muchos diseños se utilizan acoplamientos para conexión termomecánica de tuberías (Fig. 1.3). Se utilizan para conectar los sistemas hidráulicos del avión de combate F-14 y no se han reportado accidentes asociados con fugas de aceite. La ventaja de los acoplamientos fabricados con aleaciones con memoria de forma, además de su alta fiabilidad, es la ausencia de calentamiento a alta temperatura (a diferencia de la soldadura). Por tanto, las propiedades de los materiales cercanos a la junta no se deterioran. Acoplamientos como este

Arroz. 1.3. Conexión de tuberías mediante efecto de memoria de forma:

A - inserción de tuberías después de la expansión del acoplamiento; b- calefacción

Los tipos se utilizan para tuberías de submarinos nucleares y barcos de superficie, para reparar tuberías para bombear petróleo desde el fondo del mar y, para estos fines, se utilizan acoplamientos de gran diámetro, alrededor de 150 mm. En algunos casos, la aleación Cu-Zn-A1 también se utiliza para la fabricación de acoplamientos.

Generalmente se utilizan remaches y pernos para conectar piezas de forma permanente. Sin embargo, si no es posible realizar ninguna acción en el lado opuesto de las piezas que se van a fijar (por ejemplo, en una estructura hueca sellada), la realización de las operaciones de fijación resulta difícil.

Los tapones fabricados con una aleación con efecto de memoria de forma permiten en estos casos la fijación mediante restauración espacial de la forma. Los tapones están hechos de una aleación con efecto de memoria de forma y, en el estado inicial, el tapón tiene un extremo abierto (Fig. 1.4, A). Antes de la operación de fijación, el tapón se sumerge en hielo seco o aire líquido y se enfría lo suficiente, después de lo cual se enderezan los extremos del tapón (Fig. 1.4, b). El tapón se inserta en un orificio fijo para su fijación (Fig. 1.4, V), cuando la temperatura sube a temperatura ambiente, se recupera la forma, los extremos del pasador divergen (Fig. 1.4, d) y se completa la operación de fijación.

De particular interés es el uso de aleaciones con memoria de forma en medicina. Su uso abre amplias posibilidades

Arroz. 1.4. El principio de funcionamiento de un tapón con memoria de forma permite crear nuevos métodos de tratamiento eficaces. Las aleaciones utilizadas en medicina no sólo deben tener altas características mecánicas. No deben estar sujetos a corrosión en un entorno biológico, deben ser biológicamente compatibles con los tejidos del cuerpo humano, asegurar la ausencia de toxicidad, carcinogenicidad y resistir la formación de coágulos sanguíneos, manteniendo estas propiedades durante mucho tiempo. Si un órgano implantado de metal está activo en relación con una estructura biológica, se produce una degeneración (mutación) de las células biológicas de la estructura periférica, un torrente sanguíneo inflamatorio, alteración de la circulación y luego necrosis de la estructura biológica. Si el órgano implantado es inerte, entonces aparece una estructura fibrosa a su alrededor, causada por fibras de colágeno formadas a partir de células germinales fibrosas. El órgano implantado está cubierto por una fina capa de esta estructura fibrosa y puede existir de forma estable en organismos biológicos.

Experimentos especiales realizados en animales han demostrado que las aleaciones basadas en el sistema Ti-Ni tienen una biocompatibilidad igual o incluso superior a la de los aceros resistentes a la corrosión y las aleaciones de cobalto-cromo comúnmente utilizados y pueden utilizarse como materiales funcionales en organismos biológicos. El uso de aleaciones con SME para el tratamiento ha demostrado su buena compatibilidad con los tejidos y la ausencia de reacciones de rechazo por parte de las estructuras biológicas del cuerpo humano.

Corrección de columna. Diversas curvaturas de la columna, tanto congénitas como provocadas por un hábito o una condición dolorosa, provocan deformaciones graves al caminar. Esto no sólo causa un dolor intenso, sino que también tiene un efecto nocivo en los órganos internos. En cirugía ortopédica, la corrección de la columna generalmente se realiza utilizando una varilla de Charinton, hecha de acero resistente a la corrosión. La desventaja de este método es que la fuerza correctiva inicial disminuye con el tiempo. 20 minutos después de la instalación, la fuerza correctiva disminuye en un 20% y, después de 10 a 15 días, hasta un 30% del original. Un ajuste adicional de la fuerza requiere repetidas operaciones dolorosas y no siempre logra el objetivo. Si se utiliza una aleación con SME para la varilla Kharinton, entonces la varilla se puede instalar una vez y no es necesario repetir la cirugía. Si, después de la cirugía, la varilla de Charinton se calienta a una temperatura ligeramente superior a la temperatura corporal, se puede crear la fuerza correctiva necesaria. Para ello son eficaces las aleaciones a base de Ti-Ni con adiciones de Cu, Fe y Mo, una vez recuperadas su forma, presentan una alta elasticidad en el rango de temperatura;

Los dispositivos correctivos con tales aleaciones crean una tensión constante en la columna durante todo el período de tratamiento, independientemente del desplazamiento de los puntos de apoyo del dispositivo.

Placa para conexión ósea. Los métodos de atención médica en caso de fracturas óseas consisten en utilizar placas de acero resistente a la corrosión o aleaciones de Co-Cr para fijar la zona de la fractura en un estado en el que una fuerza de compresión actúa sobre el hueso.

Si se utiliza una aleación con memoria de forma para la placa de conexión, es posible fijar firmemente la zona de fractura calentando externamente la placa a una temperatura ligeramente superior a la temperatura corporal después de la cirugía, y no hay necesidad de realizar una compresión longitudinal del hueso durante cirugía.

Clavos intraóseos. Estos clavos se utilizan para brindar atención médica en caso de fracturas de tibia. Además, se insertan clavos, principalmente de acero inoxidable, en la médula ósea, fijando así el hueso. Cuando se utiliza este método, el hueso se fija gracias a las propiedades elásticas del acero resistente a la corrosión, por lo que es necesario insertar un pasador con un diámetro mayor que el diámetro del orificio para crear un alto grado de deformación. En este sentido, existe el riesgo de dañar el tejido en la zona en la que se inserta el pasador.

La cirugía se simplifica cuando se utilizan aleaciones con memoria de forma basadas en Ti-Ni para los pernos. Los alfileres preenfriados recuperan su forma original a la temperatura corporal, lo que aumenta el grado de fijación.

Dispositivos de tracción esquelética. La propiedad del material a la hora de recuperar su forma se utiliza para crear tensiones significativas en un rango de temperatura determinado.

Los dispositivos se utilizan para tratar eficazmente fracturas óseas mediante tracción esquelética tanto continua como discreta.

Alambre para corregir la posición de los dientes. Para corregir la posición de los dientes, por ejemplo, una maloclusión, se utiliza un alambre de acero resistente a la corrosión, que crea una fuerza elástica.

La desventaja del alambre corrector es su bajo alargamiento elástico y, como consecuencia, su deformación plástica. Al fabricar alambre de aleación de Ti-Ni, incluso con una deformación elástica del 10%, no se produce deformación plástica y se mantiene la fuerza correctiva óptima.

El progreso tecnológico está asociado a un aumento continuo del consumo de electricidad. Las limitadas reservas de combustibles fósiles, la superación de la crisis energética y el coste aceptable de la producción de electricidad han hecho necesario el uso de la energía nuclear y la construcción a gran escala de centrales nucleares (NPP) en todos los países desarrollados del mundo. La energía nuclear es la energía del futuro.

Según el principio de funcionamiento, las centrales nucleares y las centrales térmicas (TPP) difieren poco entre sí. En las centrales nucleares y térmicas, el agua se lleva a ebullición y el vapor resultante se alimenta a las palas de una turbina de alta velocidad, haciéndola girar. El eje de la turbina está conectado al eje del generador, que al girar produce energía eléctrica. La diferencia entre las centrales nucleares y las centrales térmicas es el método de calentar el agua hasta que hierva. Si una central térmica quema carbón o fueloil para calentar agua, una central nuclear utiliza para ello la energía térmica de una reacción en cadena controlada de fisión de uranio.

Actualmente, en la mayoría de los países se utilizan reactores de agua ligera (LWR) para generar electricidad. Los reactores de este tipo tienen dos modificaciones: reactores de agua a presión (PWR) y reactores de agua en ebullición (BWR), de los cuales los reactores de agua a presión son los más comunes.

En la Fig. La Figura 1.5 muestra un diagrama de una central nuclear equipada con un reactor de agua ligera (con agua a presión). La vasija del reactor 9 contiene el núcleo. 10 y el primer circuito. En el circuito primario circula agua, que es refrigerante y ralentiza

Arroz. 1.5. Esquema transferencias calor entre Elementos de la estación PWR:

1 - carcasa de hormigón; 2 - carcasa de acero resistente a la corrosión; 3 - turbina; 4 - generador; 5 - torre de enfriamiento; 6 - condensador; 7 - generador de vapor; 8 - bomba de circulación; 9 - vasija del reactor; 10 - zona activa; 11 - compensador de presión; 12 - contenedor pequeño. El agua elimina el calor del núcleo a la zona de intercambio de calor (generador de vapor 7), donde el calor se transfiere al segundo circuito en el que se genera vapor. La conversión de energía se produce en el generador. 4, donde se utiliza vapor para generar electricidad. El circuito primario con todas las tuberías y componentes está encerrado en un contenedor especialmente diseñado. 12. De esta manera se aíslan del medio ambiente los posibles productos de fisión radiactivos que puedan escapar del combustible al agua primaria.

En el circuito primario, el agua está bajo una presión de 15,5 MPa y a una temperatura máxima de 315 °C. Estas condiciones evitan que el agua hierva, ya que el punto de ebullición del agua a una presión de 15,5 MPa es significativamente superior a 315 ° C.

En cada reactor se dejan libres entre 16 y 25 celdas (según el diseño) para las barras de control. Son movidos por una barra de control que pasa a través de la tapa de la vasija del reactor. Vapor saliendo de la turbina 3, se condensa en un condensador enfriado por agua 6, en el que se descarga la energía térmica restante. Algunos sistemas de refrigeración utilizan torres de refrigeración.

El costo del equipo de la estación que genera y transmite energía (reactor, intercambiadores de calor, bombas, tanques, tuberías) es aproximadamente el 90% del costo de la estación. Los equipos deben diseñarse y fabricarse adecuadamente con materiales que sean económicos pero que garanticen su confiabilidad.

La energía nuclear impone mayores exigencias a los materiales estructurales utilizados, su tecnología de producción y el control del rendimiento. Cuando se exponen a la irradiación, los materiales estructurales sufren transformaciones estructurales que tienen un impacto negativo principalmente en las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión. De todos los tipos de radiación (neutrones, A- y partículas p, radiación y), la irradiación de neutrones tiene el efecto más fuerte.

Materiales resistentes a la radiación Estos son materiales que mantienen la estabilidad de la estructura y las propiedades en condiciones de irradiación de neutrones (Tabla 1.11).

La velocidad de corrosión de las aleaciones a base de aluminio en un ambiente acuoso en condiciones de irradiación aumenta de 2 a 3 veces. Los aceros austeníticos al cromo-níquel son susceptibles a la corrosión intercristalina y al agrietamiento por corrosión en vapor húmedo.

La consecuencia más peligrosa de la radiación es la hinchazón por radiación. En la Fig. 1.6 presenta las características del hinchamiento por radiación de varios grados de aceros y aleaciones. La hinchazón se puede suprimir mediante recombinantes estructuralmente forzados Tabla 1.11

Efecto de la irradiación de neutrones sobre diversos materiales.

Flujo integral de neutrones rápidos, neutrón/cm 2	Material	Exposición a la radiación
	Politetrafluoroetileno, suelo y metacrilato de metilo y celulosa.
		Disminución de la elasticidad
	Orgánico liquidos	liberación de gas
		Aumento del límite elástico
	Poliestireno	Disminución de la resistencia a la tracción.
	Cerámico materiales	Conductividad térmica, densidad y cristalinidad reducidas.
	Plástica	No apto para uso como material de construcción.
	Carbón	Reducción significativa de la ductilidad, duplicación del límite elástico, aumento de la transición de fractura dúctil a frágil
	Aceros resistentes a la corrosión	Aumento triple del límite elástico
	Aluminio	Ductilidad reducida sin fragilización completa.

ción de metales debido a la continua descomposición de la solución sólida con una cierta dilatación en el límite de la matriz con la fase secundaria resultante. Los fuertes campos de tensión estructural que surgen durante la descomposición favorecen la recombinación de defectos de radiación y reducen significativamente la hinchazón. El endurecimiento por dispersión desarrollado es una forma de suprimir la hinchazón por radiación.

La resistencia a la radiación de los materiales del reactor se puede lograr si se cumplen una serie de condiciones. Éstas incluyen

Arroz. 1.6.

V- volumen; DR - cambio de volumen

composición química óptima y estructura de los materiales, condiciones de su funcionamiento: niveles de temperatura de funcionamiento, flujo de neutrones y propiedades del ambiente corrosivo.

Cada metal y aleación tiene su propia red cristalina, arquitectura y dimensiones.
que están estrictamente especificados. Para muchos metales, con cambios de temperatura y presión, la red no
sigue igual y llega un momento en que se reestructura. tal cambio
tipo de red cristalina (transformación polimórfica) puede llevarse a cabo mediante dos
maneras:
1) a altas temperaturas por difusión con alta movilidad atómica;
2) a baja temperatura debido al movimiento colectivo y coordinado de átomos, que
conduce a un cambio en la forma del volumen de la aleación (martillo termoelástico de corte sin difusión).
transformación tensítica con la formación de una nueva red cristalina: martensita).
A altas temperaturas en estado austenítico, la aleación tiene una red cúbica.
Cuando se enfría, la aleación pasa a la fase martensítica, en la que las células de la red se vuelven
con paralelepípedos biselados. Cuando se calienta, se restablece la fase austenita y con ella.
También se restaura la forma original del producto de aleación con “memoria” de forma.
La transformación martensítica es uno de los métodos fundamentales de reestructuración cristalina.
celosía en ausencia de difusión, característica de aceros, metales puros, no ferrosos
aleaciones, semiconductores, polímeros.
Efecto “memoria”: restauración de la forma y tamaño originales de los cristales después
sus cambios durante la deformación como resultado de la transformación martensítica termoelástica
durante el tratamiento térmico según un régimen determinado.
Un cambio de forma es la característica principal de la transformación martensítica, que está asociada con el efecto
el efecto de “memoria” de las aleaciones, condición necesaria, pero no suficiente para la manifestación de la “memoria”.
La energía libre de los cristales de martensita es menor que la de la fase inicial, lo que estimula
desarrollo de la transición martensítica. La transición se ralentiza debido a la aparición de una interfaz.
viejas y nuevas fases y aumentando la energía libre. Cristales en crecimiento de la fase martensítica.
deformar el volumen circundante, que resiste esto. Aparece energía elástica.
evitando un mayor crecimiento de cristales. Cuando esta energía excede el límite elástico
invitados, se produce una intensa deformación del material en las proximidades del límite de fase y
Se detiene el crecimiento de los cristales. En los aceros el proceso ocurre casi instantáneamente (individualmente
los cristales de martensita crecen hasta alcanzar el tamaño final).
Transición inversa de martensita a austenita (fase de alta temperatura, sin difusión)
la reestructuración por cizallamiento de la red es difícil), ocurre a altas temperaturas, cuando en hogar abierto
Los cristales de austenita crecen en un tamiz sin pasar a su forma original (los átomos no caen en su forma).
lugares anteriores).
En aleaciones con “memoria”, al enfriarse, los cristales de martensita crecen lentamente, a
al calentarse desaparecen gradualmente, lo que asegura el equilibrio dinámico de la interfaz
entre ellos y la fase inicial. El límite entre las fases se comporta de manera similar si el enfriamiento
Reemplace la calefacción y la calefacción aplicando y quitando la carga, respectivamente - termoelástico
Equilibrio de fases en un sólido.
La transformación martensítica termoelástica va acompañada de un cambio de forma reversible.
cristales de austenita, que proporciona principalmente la “memoria” de los metales.
56 Materiales poliméricos inteligentes (IPM)
Una consecuencia directa de la transformación martensítica termoelástica es la reversible.
cambio en la forma de un sólido como resultado del enfriamiento y calentamiento periódicos (térmico)
motor). Los metales con “memoria” (por ejemplo, nitinol) “recuerdan” su original
forma cuando se calienta después de la deformación preliminar de la muestra.
A finales de los años 1960. el campo de la investigación física y técnica.
Aplicaciones del efecto “memoria” de forma en aleaciones.
Hay cientos de aleaciones con transformación martensítica, pero el número de aleaciones donde el efecto
La “memoria” de la forma tiene poca importancia práctica. Movimiento colectivo
átomos en una determinada dirección, acompañados de espontáneos (martensíticos)
neu) deformación del material (reordenamiento de la red), en la que la proximidad y el interatómico
los enlaces de los átomos no se rompen (queda la posibilidad de volver a sus posiciones anteriores,
a la forma original), sólo se produce bajo ciertas condiciones. "Memoria" de un individuo
El cristal aún no es una memoria del volumen total de la aleación, que generalmente tiene un policristalino.
estructura personal.
Los cristalitos (granos) individuales difieren en la orientación de sus redes cristalinas.
El desplazamiento de átomos durante la transformación martensítica se produce en la red a lo largo de ciertos planos.
huesos y direcciones. Debido a la diferente orientación de los granos, se producen cortes en cada grano.
en diferentes direcciones y, a pesar de la deformación significativa de los cristales individuales,
la muestra en su conjunto no experimenta un cambio notable de forma. Esto sucede cuando
si los cristales están orientados en la misma dirección. La fuerza de control, que, cuando se mar-
La transformación tensita organiza la organización preferencial de los cristales, es
Carga externa.
Durante la transformación martensítica, los átomos se mueven en dirección al exterior.
carga (la muestra en su conjunto experimenta deformación). El proceso continúa hasta
todo el material no se deformará en la dirección de la fuerza sin romperse interatómica
Enlaces y violación de la proximidad de los átomos. Cuando se calientan, vuelven a sus posiciones originales,
Restaurando la forma original de todo el volumen de material.
El efecto “memoria” se basa en el equilibrio de fases termoelásticas y la acción de control.
cargas. El procesamiento termomecánico especial de aleaciones crea micro-
tensiones, cuya acción durante las transiciones martensíticas es similar a la acción de las fuerzas externas.
cargas. Cuando se enfría, la aleación toma espontáneamente una forma, cuando se calienta
vuelve al original (la placa se curva formando un anillo cuando se enfría, cuando se calienta -
se da vuelta o viceversa).
Los materiales con memoria de forma pueden exhibir superplasticidad (deformación significativa).
formaciones, cuando la transformación martensítica es causada por la aplicación de una carga externa, y
no por enfriamiento, que se utiliza para crear amortiguadores de resorte y baterías
energía mecánica), tienen alta resistencia cíclica (no hay acumulación
defectos estructurales) y una alta capacidad para disipar energía mecánica (con hogar abierto
transformaciones de tamiz, la reestructuración de la red cristalina va acompañada de la liberación
o absorción de calor, si una carga externa causa transformación martensítica, entonces
la energía mecánica se convierte en energía térmica; con efectos de memoria, también se observa un proceso
convertir calor en trabajo).
Cambio de forma (con cambios periódicos de temperatura) de metales con memoria
acompañado de la manifestación de poderosas fuerzas interatómicas. Presión de expansión de los materiales.
este tipo alcanza las 7 t/cm2. Dependiendo del tipo de material, productos de diferentes tamaños.
y las configuraciones se doblan, expanden y tuercen (la forma se puede programar).
Los metales con memoria de forma incluyen aleaciones de nitinol, nitinol-55 (con hierro), niqueluro
titanio VTN-27, aleaciones de titanio VT-16, VT23 (tratamiento térmico según régimen especial, en 2-3
veces más barato y 1,5 veces más ligero que el niquelado de titanio), una aleación a base de titanio con 28-34% de manganeso y
5–7% silicio, terfenol (aleación magnetoestrictiva, amortigua las vibraciones a bajas frecuencias
vibraciones).
Materiales poliméricos inteligentes (IPM) 57
Las aleaciones a base de manganeso tienen un rango de temperatura de máxima sensibilidad térmica.
suavidad a 20–40 °C y restaurar la forma deseada en el rango de temperatura de
–100 a 180 °C
Las aleaciones del sistema Cu-Zn se obtuvieron mediante pulvimetalurgia (Fukuda Metal Co.).
Al con efecto de memoria de forma mediante sinterización (700 MPa, 900 °C, 0,1 % en peso de fluoruro de aluminio
polvos de Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) y aleaciones de cobre (tamaño de grano 20-100 µm). Aleación
Restaura su forma después de estirarse un 10%.
Cuando se enfría, la aleación pasa a la fase martensítica, en la que, gracias al cambio
Dependiendo de los parámetros geométricos de las celdas de la red cristalina, se vuelve plástico y cuando
impacto mecánico, se puede dar un producto elaborado a partir de una aleación con “memoria” (nitinol, etc.)
prácticamente cualquier configuración que se mantendrá hasta que la temperatura
excederá el valor crítico en el cual la fase martensítica se vuelve energéticamente desfavorable,
la aleación pasa a la fase austenítica con la restauración de la forma original del producto. Sin embargo,
las deformaciones no deben exceder el 7-8%; de lo contrario, la forma no se restaurará por completo.
Se han desarrollado aleaciones de nitinol que "recuerdan" simultáneamente la forma de los productos,
correspondientes a altas y bajas temperaturas. Efecto memoria en aleaciones de nitinol.
claramente definido, y el rango de temperatura se puede ajustar con precisión en el rango de no
cuántos grados a decenas de grados, introduciendo elementos modificadores en las aleaciones, sin embargo
margen de ciclicidad, el número de deformaciones controladas (iteraciones) no supera los 2000,
después de lo cual las aleaciones pierden sus propiedades.
Fibras conductoras formadas a partir de filamentos con un diámetro de 50 micras de aleaciones.
con nanopartículas de titanio y níquel, cambie la longitud entre un 12% y un 13% en 5 millones de iteraciones y
utilizado en músculos artificiales. Nanoactuador muscular, Nano
Muscle, USA, Johnson Electric, KHP, 2003) desarrolla mil veces más potencia que
músculos humanos y 4000 veces más rápido que un motor eléctrico a la velocidad de actuación
0,1 segundos con una transición suave de un estado a otro a una velocidad determinada (micrófono
control por procesador).
Se han desarrollado materiales con memoria magnetomecánica (martensítico magnetoelástico
la transición es estimulada por un campo magnético directamente o en combinación con la temperatura
y carga) y memoria electromecánica (la transformación martensítica va acompañada de
cambio cualitativo en propiedades, transiciones conductor-semiconductor, paramagnético-ferroso
romagnet), que es prometedor para la creación de actuadores MI para fines de ingeniería de radio
para reducir la firma del radar.

Universidad estatal de Moscú

a ellos. M.V.Lomonosova

Facultad de Ciencias de los Materiales

Tema: “Materiales con memoria de forma”.

Estudiante de V año de la FNM

Kareeva I.E.

Moscú 2000

Introducción……………………………………………………2

Mecanismo para implementar el efecto de memoria de forma……...3

Áreas de aplicación…………………………………………………………..7

Preparación de aleaciones con memoria de forma…………………….9

Degradación………………………………………………………………..10

Conclusión………………………………………………………………..11

Referencias…………………………………………………………..12

Introducción.

Los materiales con memoria de forma (MSM) fueron descubiertos a finales de los años 60 de este siglo. En el transcurso de 10 años (finales de los 70 y principios de los 80), aparecieron muchos informes en revistas científicas que describían diversas posibilidades para su uso. Actualmente, las propiedades funcionales están definidas para MPF: efecto de memoria unidireccional y bidireccional, pseudo o superelasticidad, alta capacidad de amortiguación.

Los MPF ya han encontrado una amplia aplicación en medicina como materiales de funcionamiento a largo plazo implantados en el cuerpo. Presentan altas propiedades elásticas, pueden cambiar de forma con los cambios de temperatura y no colapsan bajo condiciones de carga alternas. La naturaleza compleja de las transformaciones de fase de tipo martensítico que ocurren en aleaciones basadas en niqueluro de titanio se manifiesta claramente en estructuras porosas. Las transiciones de fase en tales aleaciones se caracterizan por una amplia histéresis y un largo rango de temperatura en el que el material exhibe efectos de memoria de forma y superelasticidad. Además de las aleaciones basadas en Ni-Ti, existen transformaciones martensíticas, por ejemplo, en sistemas como Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

Dependiendo de la temperatura de transformación martensítica y de las propiedades mecánicas, las aleaciones con memoria de forma tienen una amplia gama de aplicaciones.

El mecanismo para implementar el efecto de memoria de forma.

Martensita.

La martensita es una estructura de sólidos cristalinos que surge como resultado de una transformación polimórfica libre de difusión al enfriarse. Nombrado en honor al metalúrgico alemán Martens (1850 - 1914). Como resultado de la deformación de la red durante esta transformación, aparece un relieve en la superficie del metal; Surgen tensiones internas en el volumen y se produce una deformación plástica, lo que limita el crecimiento del cristal. La velocidad de crecimiento alcanza los 10 3 m/s y no depende de la temperatura, por lo que la velocidad de formación de martensita suele limitar la nucleación de los cristales. La contrarrestación de las tensiones internas desplaza la nucleación de los cristales muy por debajo del punto de equilibrio termodinámico de las fases y puede detener las transformaciones a una temperatura constante; por lo tanto, la cantidad de martensita formada suele aumentar al aumentar el sobreenfriamiento. Como la energía elástica debe ser mínima, los cristales de martensita toman la forma de placas. Las tensiones internas también se alivian mediante la deformación plástica, por lo que el cristal contiene muchas dislocaciones (hasta 10 12 cm -2) o se rompe en gemelos con un espesor de 100 a 1000 Å. Los límites intragranos y las dislocaciones fortalecen la martensita. La martensita es un producto típico de transformaciones polimórficas a baja temperatura en metales puros (Fe, Co, Ti, Zr, Li y otros), en soluciones sólidas a base de ellos, en compuestos intermetálicos (CuZn, Cu 3 Al, NiTi, V 3 Si , AuCd).

Transformaciones martensíticas.

Los compuestos intermetálicos de Ni-Ti con una composición cercana a la eutéctica se caracterizan por una transición de la fase cúbica (fase austenítica) a la fase monoclínica (martensítica) a temperatura ambiente. Estas transformaciones suelen producirse en aleaciones sometidas a tensiones elevadas, pero como resultado del efecto de memoria o superelasticidad, también pueden producirse transformaciones con tensiones reducidas. Las aleaciones austeníticas de Ni-Ti exhiben un comportamiento superelástico bajo cargas mecánicas y tensión (8%) causadas por la transformación martensítica. Tras la descarga, la martensita se vuelve inestable y se convierte en austenita, con compensación de todas las tensiones macroscópicas.

La transformación martensítica es una transformación polimórfica en la que se produce un cambio en la disposición relativa de los átomos que forman el cristal a través de su movimiento ordenado, y los desplazamientos relativos de los átomos vecinos son pequeños en comparación con la distancia interatómica. La reestructuración de la red cristalina en microrregiones suele reducirse a la deformación de su célula, y la fase final de la transformación martensítica es una fase inicial uniformemente deformada. La magnitud de la deformación es pequeña (~1-10%) y, en consecuencia, la barrera de energía que impide la transición uniforme de la fase inicial a la fase final es pequeña, en comparación con la energía de enlace en el cristal. Una condición necesaria para la transformación martensítica, que se desarrolla mediante la formación y crecimiento de regiones de una fase más estable en una metaestable, es la preservación del contacto ordenado entre las fases. La estructura ordenada de los límites de interfase con una pequeña barrera para una transición de fase uniforme garantiza su baja energía y alta movilidad. Como consecuencia, el exceso de energía necesario para la nucleación de cristales de una nueva fase (cristales martensíticos) es pequeño y, con alguna desviación del equilibrio de fases, se vuelve comparable a la energía de los defectos presentes en la fase inicial. Por lo tanto, la nucleación de los cristales martensíticos se produce a un ritmo mayor y puede no requerir fluctuaciones térmicas. Un papel importante durante la transformación martensítica lo desempeñan las tensiones internas que surgen debido a la adaptación elástica de las redes cristalinas que se acoplan a lo largo de los límites de fase. Los campos de tensión elástica conducen a un desplazamiento del punto de equilibrio de las fases que interactúan con respecto a la posición del verdadero equilibrio termodinámico para fases aisladas y no distorsionadas; En consecuencia, la temperatura a la que comienza la transformación martensítica puede diferir significativamente de la temperatura de equilibrio real. El deseo de minimizar la energía de la tensión elástica determina la morfología, la estructura interna y la posición relativa de los cristales de martensita. La nueva fase se forma en forma de placas delgadas, orientadas de cierta manera con respecto a los ejes cristalográficos. Las placas, por regla general, no son monocristales, sino paquetes de dominios planos paralelos: regiones de una nueva fase que difieren en la orientación de la red cristalina (gemelos). La interferencia de campos de tensión de diferentes dominios conduce a su destrucción parcial. Una reducción adicional de los campos elásticos se logra mediante la formación de conjuntos de placas dispuestas regularmente. Es decir, como resultado de la transformación martensítica, se forma una fase policristalina con un orden jerárquico peculiar (conjuntos - placas - dominios) en la disposición de los componentes estructurales. Un aumento de las tensiones internas durante la transformación martensítica en determinadas condiciones conduce al establecimiento de un equilibrio termoelástico de dos fases, que se desplaza reversiblemente cuando cambian las condiciones externas: bajo la influencia de cargas mecánicas o cuando cambia la temperatura, los tamaños de los cristales individuales y su cambio de numero. Las transformaciones martensíticas se encuentran en muchos materiales cristalinos: metales puros, numerosas aleaciones, cristales iónicos, covalentes y moleculares.

Existen grandes perspectivas de cambios de forma reversibles durante la transformación martensítica (la creación de aleaciones superelásticas que restauran su forma original cuando se calientan después de la deformación plástica: el efecto memoria), así como la conexión entre la transformación martensítica y la aparición de propiedades superconductoras en algunos metales. . Las transformaciones martensíticas forman la base de numerosas transformaciones estructurales, por lo que, mediante tratamiento térmico y mecánico, se lleva a cabo un cambio direccional en las propiedades de los materiales cristalinos.

Características de las aleaciones porosas de níqueluro de titanio.

La presencia de un amplio rango de temperaturas de transformación martensítica en el niqueluro de titanio poroso en comparación con el titanio fundido se refleja en las curvas de temperatura de la resistencia eléctrica. Se ha demostrado que la transición martensítica es incompleta en aleaciones porosas y ocurre en un rango de temperatura más amplio que en aleaciones fundidas. Por tanto, una característica importante del niqueluro de titanio poroso en comparación con una aleación no porosa (fundida) de la misma composición es el amplio rango de temperaturas de las transformaciones de fase. Es aproximadamente 250 0 C, es decir excede significativamente el rango (30-40 0 C) de transformaciones de la aleación fundida. El aumento en el rango de temperatura de las transformaciones de fase se debe a la estructura del niqueluro de titanio poroso. El factor tamaño también es importante, ya que la transformación martensítica en puentes delgados y en regiones masivas se manifiesta de manera diferente. La acción de estos factores conduce al hecho de que las transformaciones de fase en materiales porosos a base de niqueluro de titanio comienzan en diferentes regiones a diferentes temperaturas, extendiendo la histéresis a lo largo del eje de temperaturas, expandiendo correspondientemente los rangos de temperatura de las transformaciones y los intervalos de manifestación de la memoria de forma. Efectos y superelasticidad en aleaciones porosas basadas en níqueluro de titanio.

Fig. 1 Dependencias de la temperatura del efecto de memoria reversible y del límite elástico en aleaciones porosas (1) y fundidas (2) a base de niqueluro de titanio.

La Figura 1 muestra el efecto de memoria de forma en aleaciones porosas y fundidas. En una aleación porosa, el efecto de memoria de forma se manifiesta en un rango de temperatura más amplio que en una aleación fundida, y la deformación plástica residual en un material poroso es más significativa (en la Fig. 1) que en uno fundido. En el niquelido de titanio fundido, la restauración de la forma casi completa (hasta el 100%) se produce después de una deformación del 6 al 8% y el posterior calentamiento por encima del rango de temperatura MT (Fig. 1). A medida que aumenta el grado de deformación del niqueluro de titanio fundido, se forman defectos de dislocación que, a diferencia de las transformaciones martensíticas, son irreversibles. La etapa de deformación reversible según el mecanismo martensítico se sustituye por la etapa de deformación plástica irreversible. Incluso con cargas pequeñas aparecen zonas en las que la magnitud de la deformación elástica supera el límite. Por el contrario, en aleaciones porosas, incluso con deformaciones mínimas, el grado de restauración de la forma no supera el 85%. El grado de restauración de la forma depende de la porosidad, la distribución del tamaño de los poros y el nivel de tensión cortante martensítica, es decir. asociado con las peculiaridades de la deformación de cuerpos porosos. El análisis de las dependencias de la deformación del niqueluro de titanio con diferentes porosidades muestra que el límite elástico de la aleación disminuye al aumentar la porosidad.

Áreas de uso.

Uso no médico.

La primera aleación con memoria de forma se utilizó en el avión F-14 en 1971: fue Ni-Ti-Fe. El uso de la aleación Ni-Ti-Nb ha supuesto un gran avance, pero también las aleaciones Fe-Mn-Si han recibido mucha atención, a pesar de su menor voltaje de recuperación.

Existen aplicaciones potenciales para el nitinol en la producción de bienes de consumo. Por ejemplo, un invento interesante: un dispositivo: un cenicero que baja un cigarrillo encendido al cenicero, evitando que caiga, por ejemplo, sobre el mantel.

La fiabilidad de los dispositivos con memoria de forma depende de su vida útil. Los parámetros externos importantes para controlar los ciclos operativos del sistema son el tiempo y la temperatura. Los parámetros internos importantes que determinan las propiedades físicas y mecánicas son: sistema de aleación, composición de la aleación, tipo de transformación y defectos de la red. Estos parámetros controlan la historia termomecánica de la aleación. Como consecuencia, el efecto de memoria máximo estará limitado en función del número de ciclos necesarios.

Actualmente, las cargas útiles espaciales, como paneles solares o antenas de satélite, utilizan principalmente métodos de despliegue pirotécnicos, lo que crea muchos problemas. El uso de materiales con memoria de forma eliminará todos estos problemas y también brindará la oportunidad de probar repetidamente el rendimiento del sistema en tierra.

Investigaciones recientes sobre aleaciones de Ni-Ti han demostrado que el comportamiento súper elástico da como resultado una mejor resistencia al desgaste. El comportamiento pseudoelástico reduce el área de contacto elástico durante el deslizamiento. Reducir el área de contacto elástico entre dos piezas deslizantes aumenta la resistencia al desgaste del material. Un tipo especial de desgaste es la erosión por cavitación, que crea problemas específicos en máquinas hidráulicas, hélices de barcos y turbinas hidráulicas. Los estudios comparativos de varios materiales han demostrado que las aleaciones de Ni-Ti tienen mayor resistencia a la erosión por cavitación que las aleaciones convencionales. En estado martensítico, la aleación Ni-Ti tiene muy buena resistencia a la erosión por cavitación. Pero fabricar piezas de trabajo sujetas a corrosión enteramente a partir de una aleación de Ni-Ti es demasiado cara, por lo que la mejor manera es utilizar una aleación de Ni-Ti combinada con acero.

Uso médico.

En medicina se utiliza una nueva clase de materiales compuestos: biocerámica-níqueluro de titanio. En tales compuestos, un componente (níqueluro de titanio) tiene superelasticidad y memoria de forma, mientras que el otro conserva las propiedades de la biocerámica.

El componente cerámico puede ser porcelana, que se utiliza mucho en odontología ortopédica y es un material frágil. La alta fragilidad de la porcelana se debe al hecho de que surgen tensiones de contacto en los límites de las distintas fases y granos, que superan significativamente el nivel de las tensiones aplicadas promedio. La relajación de las tensiones de contacto en un material cerámico es posible si se produce una disipación de energía en la zona de estas tensiones debido a una transformación de fase en el niqueluro de titanio. Un cambio de temperatura o la aplicación de una carga provoca una transformación martensítica en el niqueluro de titanio, lo que conduce a una relajación efectiva de la tensión en la matriz cuando se carga el material compuesto, permitiendo que el componente sólido soporte la carga aplicada. Se sabe que la recuperación elástica del volumen de compactos porosos hechos de polvo de niqueluro de titanio superelástico está asociada con la ruptura de los contactos entre partículas y está determinada por la resistencia de la briqueta, que depende de la porosidad y la magnitud de las fuerzas de adhesión del contacto. Debilitar estas fuerzas añadiendo otros componentes al polvo de níqueluro de titanio, como tungsteno finamente disperso o carburo de silicio, aumenta significativamente el efecto elástico, ya que los fuertes contactos de titanio y níquel del mismo nombre se reemplazan por otros opuestos. Dado que la magnitud del efecto elástico disminuye al disminuir el contenido de niqueluro de titanio en el compacto, la dependencia de la concentración de la recuperación del volumen elástico suele ser extrema. En el material compuesto de porcelana y niqueluro de titanio, los componentes interactúan débilmente y después de la sinterización, los contactos entre los componentes cerámicos y metálicos se debilitan. Cuando se cargan, se rompen primero y aumenta la recuperación de volumen elástico. Como resultado, la deformación es reversible y el compuesto exhibe propiedades similares a la superelasticidad. Se estudió histológicamente la biocompatibilidad del material compuesto “porcelana dental-níquel de titanio”, evaluando la respuesta del tejido en ratas a la implantación de material compuesto y muestras de porcelana debajo de la piel de la pared abdominal anterior. La naturaleza de las reacciones tisulares, su prevalencia y las características de los cambios celulares en ambos casos resultaron inequívocas. Por tanto, los materiales compuestos biocerámica-níqueluro de titanio son biocompatibles.

Preparación de aleaciones con memoria de forma.

Las aleaciones con memoria de forma se producen fusionando componentes individuales. La masa fundida se enfría rápidamente y se realiza un tratamiento a alta temperatura.

Se ha propuesto toda una clase de materiales compuestos "biocerámicas - niqueluro de titanio" para medicina. En tales materiales, un componente (niqueluro de titanio) tiene memoria de forma y superelasticidad, mientras que el otro conserva las propiedades de la biocerámica. El componente cerámico más utilizado es la porcelana, que se utiliza mucho en odontología ortopédica y es un material frágil. Para realizar tales muestras se utilizan polvos de niqueluro de titanio y masa de porcelana que, después de mezclar y secar, se sinterizan al vacío.

Degradación

La transformación martensítica en aleaciones basadas en NiTi es un proceso atérmico, cuya velocidad está completamente determinada por la velocidad del cambio de temperatura cerca del equilibrio termodinámico de las fases. Por lo tanto, todos los efectos mecánicos específicos en NiTi que acompañan a la transformación martensítica, como la memoria de forma y la plasticidad de la transformación, pueden realizarse en tiempos muy cortos en condiciones apropiadas de calentamiento y enfriamiento. En los dispositivos de alta velocidad, para acelerar el intercambio de calor con un agente térmico (líquido o gaseoso), se utilizan cintas finas, alambres y tuberías con dimensiones lineales de micras en sección transversal. En este caso, el estado de la superficie libre de la aleación adquiere gran importancia. Dado que incluso pequeñas variaciones en la composición provocan cambios en la cinética de temperatura y en la integridad de la transformación, la segregación de elementos y la oxidación de la superficie cambian significativamente las propiedades especiales del material. Esta circunstancia adquiere especial importancia debido a la necesidad de un tratamiento térmico o termomecánico preliminar del material.

Los estudios han demostrado la tendencia del niqueluro de titanio a la superficie libre bajo influencias térmicas. En una atmósfera que contiene oxígeno, la aleación se oxida para formar una capa de óxido que contiene principalmente óxido de TiO 2. Se puede suponer que, dado que el titanio es químicamente muy activo, en un entorno libre de oxígeno los átomos de titanio formarán compuestos con cualquier gas no inerte, por ejemplo, en una atmósfera de nitrógeno: los nitruros. La formación de óxidos a lo largo de los límites de los granos y en la superficie sólo puede evitarse mediante el tratamiento térmico de las muestras al vacío o en un ambiente inerte.

Conclusión

El efecto memoria o memoria de forma es la capacidad que tiene un producto, cuando se calienta, de restaurar su forma original, alterada debido a la deformación plástica. La aleación con memoria más conocida es el nitinol.

La restauración de la forma es causada por transformación martensítica o macla reversible en la estructura del material metálico.

En el caso del efecto memoria, que se produce mediante el mecanismo de transformación martensítica, cuando la aleación se calienta, surgen tensiones en la red de acero predeformada. La restauración de la forma anterior se lleva a cabo sólo en el caso de coherencia entre la red cristalina deformada del material y la fase martensítica formada durante el calentamiento. En redes cristalinas coherentes en la interfaz de fases, el número de celdas de las fases principal y resultante de la aleación es el mismo (solo las direcciones de los planos atómicos de las redes cristalinas son ligeramente diferentes). En redes parcialmente coherentes, la regularidad de la alternancia de planos atómicos se altera y aparece la llamada dislocación de borde en el límite de fase. En redes cristalinas incoherentes, las direcciones de los planos atómicos son muy diferentes. El crecimiento de cristales de martensita se produce sólo hasta límites de interfase incoherentes.

La fase martensítica en el acero se forma si la energía libre del sistema A≠ 0. Si la energía de deformación elástica de la red de acero es igual a la energía de formación de la fase de martensita en ella, entonces A = 0 y finaliza el crecimiento de los cristales de martensita. Este equilibrio depende de la temperatura y se llama termoelástico.

La restauración de la forma según el segundo mecanismo está asociada con la formación de maclas en la red cristalina de materiales metálicos bajo carga mecánica y su desaparición al calentarse. Cuando una muestra de acero en estado martensítico se deforma, se produce una reconexión o reorientación de los cristales de martensita. Esto provoca un cambio en la forma de la muestra. Cuando se calienta, se restablece la estructura y orientación de los cristales de la fase inicial, lo que conduce a la restauración de la forma del producto. Superar el nivel crítico de deformación conduce a la formación de maclas irreversibles, cuya desaparición sólo es posible durante la recristalización.

Se observa una restauración completa de la forma en aleaciones con martensita termoelástica: Cu - Al - (Fe, Ni, Co, Mn), Ni - Al, Ti - Ni, Ti - Au, Ti - Pd, Ti - Pt, Au - Cd, Ag - Cd, Cu - Zn - Al.

El nitinol es una de estas aleaciones. Ti-Ni . El rango de temperatura del efecto memoria en el nitinol es 550-600 0 C. Las principales propiedades del nitinol:

Módulo elástico E=66,7…72,6 MPa;

Resistencia a la tracciónσ =735...970 MPa;

Alargamiento relativo l=2…27%;

Resistencia eléctrica específica ρ=65…76 μOhm× cm;

Temperatura de fusión Tmelt=1250…1310 0 C;

Densidad d = 6440 kg/m 3.

Las aleaciones con memoria se utilizan para conexiones tubulares permanentes que eliminan la necesidad de soldar y soldar, en arandelas para conexiones de contactos eléctricos que proporcionan presión constante y, en consecuencia, resistencia de contacto, antenas de naves espaciales autoexpandibles, etc.