A külvilág jelenségeivel kapcsolatban az emberek egyik alapvető felfogása a fémtermékek és -szerkezetek tartóssága és megbízhatósága, amelyek hosszú ideig stabilan megőrzik funkcionális formájukat, kivéve persze, ha szuperkritikus hatásoknak vannak kitéve.

A józan ésszel ellentétben azonban számos olyan anyag, fémötvözet létezik, amelyek hevítéskor, előzetes deformáció után azt a jelenséget demonstrálják, hogy visszatérnek eredeti formájukba. Ez azt jelenti, hogy ezek a fémek, nem élőlények, rendelkeznek egy különleges tulajdonsággal, amely lehetővé teszi számukra, hogy egyfajta emléket mutassanak.

Jelenség

Az alakmemória-effektus megértéséhez elég egyszer látni a megnyilvánulását. Mi történik?

Az alakmemória hatás bemutatása
Van egy fémhuzal. Ez a vezeték meg van hajlítva.
Elkezdjük melegíteni a vezetéket. Melegítéskor a huzal kiegyenesedik, visszaállítva eredeti alakját.

A jelenség lényege

Miért történik ez?

A jelenség lényege

Kezdeti állapotában az anyag bizonyos szerkezettel rendelkezik. Az ábrán szabályos négyzetek jelzik.

A deformáció (jelen esetben hajlítás) során az anyag külső rétegei megnyúlnak, a belső rétegek összenyomódnak (a középsők változatlanok maradnak). Ezek a hosszúkás szerkezetek martenzitlemezek. Ami nem szokatlan a fémötvözetek esetében. Az a szokatlan, hogy az alakmemóriájú anyagokban a martenzit termoelasztikus.

Hevítéskor a martenzites lemezek termoelaszticitása kezd megjelenni, azaz belső feszültségek keletkeznek bennük, amelyek hajlamosak a szerkezetet eredeti állapotába visszaállítani, vagyis a megnyúlt lemezeket összenyomni, a lapítottakat pedig megnyújtani.

Mivel a külső hosszúkás lemezeket összenyomják, a belső lapítottakat pedig megnyújtják, az anyag egészében az ellenkező irányú öndeformáción megy keresztül, és visszaállítja eredeti szerkezetét, ezzel együtt formáját.

Az alakmemória effektus jellemzői

Alak memória effektus két mennyiség jellemzi.

  • Szigorúan karbantartott kémiai összetételű ötvözet márka. (Lásd további „Alakmemória anyagok”
  • Hőmérsékletek martenzites átalakulások.

A megnyilvánulás folyamatában alak memória effektus részt venni martenzites átalakulások kétféle - közvetlen és fordított. Ennek megfelelően mindegyik a saját hőmérsékleti tartományában nyilvánul meg: MN és MK - a kezdet és a vége közvetlen martenzites átalakulás deformáció során, AN és AK - a kezdet és a vége a melegítés során.

Hőmérsékletek martenzites átalakulások mind az ötvözet minőségétől (ötvözetrendszerétől), mind annak kémiai összetételétől függenek. Az ötvözet kémiai összetételének kismértékű változásai (szándékosan vagy hibák eredményeként) ezen hőmérsékletek eltolódásához vezetnek.

Ez magában foglalja az ötvözet kémiai összetételének szigorú fenntartását az egyértelmű funkcionális megnyilvánulás érdekében alak memória effektus. Ez a kohászati ​​termelést a csúcstechnológia szférájába helyezi.

Alak memória effektus több millió ciklus jelenik meg.

Előzetes hőkezelések meg lehet erősíteni alak memória effektus.

Visszafordítható alak memória effektusok, amikor egy anyag az egyik hőmérsékleten egy formára „emlékezik”, egy másik hőmérsékleten egy másikra.

Minél magasabb a hőmérséklet fordított martenzites átalakulás, annál kevésbé hangsúlyos alak memória effektus. Például gyenge alak memória effektus Fe-Ni rendszer ötvözeteiben (5 - 20%Ni) figyelhető meg, mely hőmérsékleteken fordított martenzites átalakulás 200-400˚C.

Szuperrugalmasság

Egy másik jelenség, amelyhez szorosan kapcsolódik alak memória effektus van szuperrugalmasság.

Szuperrugalmasság- a folyáshatárt jelentősen meghaladó igénybevételnek kitett anyag azon tulajdonsága, hogy a terhelés eltávolítása után teljesen visszaállítja eredeti alakját.

A szuperelasztikus viselkedés egy nagyságrenddel magasabb, mint a rugalmas viselkedés.

Szuperrugalmasság a közvetlen martenzites átalakulás kezdete és a fordított átalakulás vége közötti hőmérséklet-tartományban figyelhető meg.

Alaktároló anyagok

Titán nikkelid

A vezető anyagok között alakemlékezet alkalmazását és tudását tekintve az titán-nikkelid .

Titán nikkelid egy ekviatomikus összetételű intermetallikus vegyület, amely 55 tömeg% Ni-t tartalmaz. Olvadáspont 1240-1310˚C, sűrűség 6,45 g/cm3. A titán-nikelid kezdeti szerkezete egy stabil testközpontú, CsCl típusú köbös rács, amely deformáció hatására termoelasztikus viselkedésen megy keresztül. martenzites átalakulás alacsony szimmetriájú fázis kialakulásával.

Ennek az ötvözetnek a külföldön elfogadott másik neve nitinol a rövidítésből származik NiTiNOL, ahol a NOL a US Naval Ordnance Laboratory rövidítése, ahol az anyagot 1962-ben fejlesztették ki.

Elem innen titán-nikkelid érzékelő és aktuátor funkcióit egyaránt elláthatja.

Titán nikkelid van:

  • Kiváló korrózióállóság.
  • Nagy szilárdságú.
  • Jó alakú memória jellemzők. Magas alakvisszanyerési együttható és nagy helyreállító erő. A deformáció akár 8%-a is teljesen helyreállítható. A helyreállítási feszültség elérheti a 800 MPa-t.
  • Jó kompatibilitás élő szervezetekkel.
  • Az anyag nagy csillapítóképessége.

Hibák:

  • A titán jelenléte miatt az ötvözet könnyen megköti a nitrogént és az oxigént. A gyártás során ezekkel az elemekkel való reakciók elkerülése érdekében vákuumberendezést kell használni.
  • Az alkatrészek gyártása során a feldolgozás nehézkes, különösen a vágás. (Nagy szilárdságú hátoldal).
  • Magas ár. A 20. század végén valamivel kevesebbet ért, mint az ezüst.

Az ipari termelés jelenlegi szintjén a termékek a titán-nikkelid (a Cu-Zn-Al rendszer ötvözeteivel együtt) széles körű gyakorlati alkalmazásra és piaci értékesítésre találtak. (Lásd tovább: „Alakmemóriás anyagok használata”).

Egyéb ötvözetek

A 20. század végén alak memória effektus több mint 20 ötvözetben találták meg. Kivéve titán-nikkelid Hatás alakemlékezet rendszerekben észlelve:

  • Au-Cd. 1951-ben fejlesztették ki az Illinoisi Egyetemen, USA-ban. Az alakmemóriás anyagok egyik úttörője.
  • Cu-Zn-Al. Együtt titán-nikkelid gyakorlati alkalmazása van. A martenzites átalakulások hőmérséklete -170 és 100˚C közötti tartományban.
    • Előnyök (összehasonlítva titán-nikkelid):
      • Normál légkörben olvasztható.
      • Könnyen vágható.
      • Az ár ötször olcsóbb.
    • Hibák:
      • Rosszabb az alakmemória jellemzőit tekintve.
      • Rosszabb mechanikai és korróziós tulajdonságok.
      • A hőkezelés során könnyen előfordul a szemcsék eldurvulása, ami a mechanikai tulajdonságok csökkenéséhez vezet.
      • A szemcsestabilizálás problémái a porkohászatban.
  • Cu-Al-Ni. Az Osaka Egyetemen, Japánban fejlesztették ki. Hőmérsékletek martenzites átalakulás 100-200°C tartományban.
  • Fe-Mn-Si. Ennek a rendszernek az ötvözete a legolcsóbb.
  • Fe-Ni
  • Cu-Al
  • Cu-Mn
  • Co-Ni
  • Ni-Al

Egyes kutatók úgy vélik alak memória effektus alapvetően lehetséges minden olyan anyag esetében, amelyen átmennek martenzites átalakulások, beleértve az olyan tiszta fémeket, mint a titán, cirkónium és kobalt.

Titán-nikkelid gyártása

Az olvasztás vákuumos koponyakemencében vagy elektromos ívkemencében, fogyóelektródával, védőatmoszférában (hélium vagy argon) történik. A töltet mindkét esetben brikettre préselt titán-jodid vagy titánszivacs, valamint N-0 vagy N-1 nikkelminőségű.

A tömb keresztmetszetében és magasságában egyenletes kémiai összetétel eléréséhez kettős vagy háromszoros újraolvasztás javasolt.

A bugák optimális hűtési módja a repedések elkerülése érdekében a kemencével történő hűtés (legfeljebb 10˚ másodpercenként).

Felületi hibák eltávolítása - nagyolás csiszolókoronggal.

A kémiai összetétel teljesebb kiegyenlítése érdekében a tömb teljes térfogatában a homogenizálást 950-1000 °C hőmérsékleten, inert atmoszférában végezzük.

Alakmemória hatású anyagok alkalmazása

Titán-nikkelid összekötő hüvelyek

Elsőként a Raychem Corporation (USA) által kifejlesztett és bevezetett persely katonai repülőgépek hidraulikus rendszerének csöveinek összekötésére. Több mint 300 ezer ilyen kapcsolat van a vadászgépben, de ezek meghibásodásáról még soha nem érkezett jelentés.

Az ilyen perselyek használata a következő:

Összekötő hüvelyek alkalmazása
A persely eredeti állapotában 20°C hőmérsékleten van.
A hüvelyt egy kriosztátba helyezzük, ahol -196˚C hőmérsékleten a belső kiemelkedéseket egy dugattyúval kitágítják.
A hideg persely belülről simává válik.

Speciális fogóval a hüvelyt eltávolítják a kriosztátból, és a csatlakoztatandó csövek végére helyezik.

A szobahőmérséklet egy adott ötvözet-összetétel fűtési hőmérséklete. Ezután minden „automatikusan” történik. A belső kiemelkedések „emlékeznek” eredeti formájukra, kiegyenesednek és belevágnak a csatlakoztatott csövek külső felületébe.

Az eredmény egy erős vákuumtömör csatlakozás, amely akár 800 atm nyomásnak is ellenáll.

Lényegében ez a fajta csatlakozás helyettesíti a hegesztést. És megakadályozza a hegesztés olyan hátrányait, mint a fém elkerülhetetlen lágyulása és a hibák felhalmozódása a fém és a hegesztés közötti átmeneti zónában.

Ezenkívül ez az illesztési mód jó a végső csatlakozáshoz egy szerkezet összeállításánál, amikor a hegesztés nehezen hozzáférhetővé válik az alkatrészek és a csővezetékek összefonódása miatt.

Ezeket a perselyeket repülési, űrhajózási és autóipari alkalmazásokban használják.

Ezt a módszert tenger alatti kábelcsövek csatlakoztatására és javítására is használják.

Az orvostudományban

  • Rehabilitációs folyamatban használt kesztyű, amelyet a funkcionális elégtelenségben szenvedő aktív izomcsoportok újraaktiválására terveztek. Használható az intercarpalis, könyök-, váll-, boka- és térdízületekben.
  • Fogamzásgátló tekercsek, amelyek a behelyezés után a testhőmérséklet hatására funkcionális formát kapnak.
  • Szűrők a keringési rendszer edényeibe való bejuttatáshoz. Egyenes huzal formájában vezetik be őket egy vágó segítségével, majd adott helyen lévő szűrők formájában kerülnek be.
  • Szorítóbilincsek a gyenge vénák becsípésére.
  • Mesterséges izmok, amelyek elektromos árammal működnek.
  • Rögzítőcsapok protézisek csontokhoz való rögzítésére.
  • Mesterséges hosszabbító eszköz úgynevezett növekvő protézisekhez gyermekeknél.
  • Combfej porc cseréje. A csereanyag a gömb alakú (combfej) hatására önszorítóvá válik.
  • Rudak gerinckorrekcióhoz scoliosisban.
  • Ideiglenes szorító rögzítő elemek műlencse beültetéshez.
  • Szemüveg keret. Az alsó részen, ahol az üveg dróttal van rögzítve. A műanyag lencsék lehűléskor nem csúsznak ki. A keret nem nyúlik meg a lencsék törlésekor és hosszan tartó használat során. Használt effektus szuperrugalmasság.
  • Ortopéd implantátumok.
  • Huzal fogazat korrekciójához.

Hőriasztó

  • Tűzjelző.
  • Tűzvédelmi csappantyúk.
  • Riasztóberendezések fürdőkádakhoz.
  • Hálózati biztosíték (elektromos áramkörök védelme).
  • Készülék üvegházak ablakainak automatikus nyitásához és zárásához.
  • Termikus visszanyerő kazán tartályok.
  • Hamutartó automatikus hamueltávolítással.
  • Elektronikus kontaktor.
  • Üzemanyaggőzt tartalmazó gázok elszívását megakadályozó rendszer (autókban).
  • Készülék a radiátor hő eltávolítására.
  • Ködlámpák bekapcsolására szolgáló eszköz.
  • Hőmérséklet szabályozó az inkubátorban.
  • Tartály meleg vízzel való mosáshoz.
  • Szabályozószelepek hűtő- és fűtőberendezésekhez, hőgépekhez.

Egyéb alkalmazások

  • A Focus Boro, Japán, titán-nikkelidet használ felvevőkészülékekben. A felvevő bemeneti jele elektromos árammá alakul, amely felmelegít egy titán-nikkelid vezetéket. A vezeték meghosszabbításával és összehúzásával mozgásba lendül a felvevő tolla. 1972 óta több millió ilyen egységet gyártottak (20. század végi adatok). Mivel a meghajtó mechanizmus nagyon egyszerű, a meghibásodások rendkívül ritkák.
  • Elektronikus konvekciós tűzhely. A titán-nikkelid érzékelő a szellőzés átkapcsolására szolgál a mikrohullámú fűtés és a keringtetett meleg levegős fűtés között.
  • Szobaklíma érzékeny szelep. Beállítja a szél irányát a légkondicionáló szellőzőnyílásában hűtési és fűtési célokra.
  • Kávéfőző. Forráspont meghatározása, valamint szelepek és kapcsolók be- és kikapcsolása.
  • Elektromágneses konyhai robotgép. A melegítést örvényáramok idézik elő, amelyek a serpenyő alján keletkeznek mágneses erőterek hatására. Az égés elkerülése érdekében egy jel jelenik meg, amelyet egy titán-nikkelid tekercs formájú elem hajt meg.
  • Elektronikus tároló szárító. Meghajtja a szárnyakat a dehidratálószer regenerációja során.
  • 1985 elején a melltartókeretek készítéséhez használt alakmemóriás ötvözetek sikeresen hódították meg a piacot. A csészék alján található fém keret titán-nikkelid huzalból áll. Itt a szuperrugalmasság tulajdonságát használjuk. Ugyanakkor nincs drót jelenlétének érzete, puhaság és rugalmasság a benyomása. Deformálva (mosáskor) könnyen visszaadja alakját. Eladások - 1 millió darab évente. Ez az anyagok egyik első gyakorlati alkalmazása alakemlékezet.
  • Különféle szorítószerszámok gyártása.
  • Mikroáramkörök házainak tömítése.
  • A martenzites átalakulások során a munka hővé alakításának nagy hatékonysága (titán-nikkelidben) arra utal, hogy az ilyen anyagokat nemcsak erősen csillapító anyagokként, hanem hűtőszekrények és hőszivattyúk munkaközegeként is használják.
  • Ingatlan szuperrugalmasság nagy hatékonyságú rugók és mechanikus energiatárolók létrehozására használják.

Irodalom

  • V. A. Likhachev és munkatársai „Alakmemória-effektus”, Leningrád, 1987
  • A. S. Tikhonov és munkatársai „Az alakmemória-effektus alkalmazása a modern gépészetben”, M., 1981.
  • V. N. Khachin „Alakmemória”, M., 1984

A rugalmatlan alakváltozást sokáig teljesen visszafordíthatatlannak tekintették. Az 1960-as évek elején. A fémes anyagok kiterjedt osztályát fedezték fel, amelyekben a rugalmatlan alakváltozás elemi aktusa szerkezeti átalakulás következtében megy végbe. Az ilyen anyagok rugalmatlan alakváltozása visszafordítható. A spontán forma-visszaállítás jelensége - alak memória effektus(SME) - izoterm körülmények között és hőmérsékletváltozások során is megfigyelhető. A hőváltozások során az ilyen fémes anyagok ismételten visszafordíthatóan deformálódhatnak.

A deformáció helyreállításának képessége még nagy erő hatására sem csökkenthető. Egyes anyagok reaktív feszültségeinek szintje SME-vel 1000...1300 MPa lehet.

A SME-vel rendelkező fémek a különleges tulajdonságokkal rendelkező anyagok legkiemelkedőbb képviselői. A kohászati ​​jelenség iránti megnövekedett érdeklődés a magas hagyományos mechanikai tulajdonságok, a fáradtságállóság, a korrózióállóság és a termoelasztikus martenzites átalakuláson alapuló olyan szokatlan tulajdonságok egyedi kombinációjának köszönhető, mint a termomechanikus memória, a reaktív feszültség. A SME-vel készült ötvözetek jellemzője a legtöbb tulajdonság kifejezett függése a szerkezettől. A fizikai és mechanikai jellemzők értékei többször változnak a reverzibilis ausztenit-martenzit fázisátalakulás során különböző ötvözeteknél, általában -150...+ 150 °C hőmérséklet-tartományban.

A nagyszámú, SME-vel rendelkező ötvözet közül a gyakorlati alkalmazás szempontjából a legígéretesebbek az egyenlő atomos összetételű (egyenlő atomszámú) Ti-Ni ötvözetek, amelyeket általában titán-nikelidnek vagy nitinolnak neveznek. Ritkábban használják az olcsóbb rézalapú Cu-AI-Ni és Cu-Al-Zn ötvözetek.

Az alakmemória effektus az, hogy az a minta, amelynek ausztenites állapotban bizonyos alakja van magasabb hőmérsékleten, alacsonyabb martenzites átalakulási hőmérsékleten deformálódik. Túlmelegedés után fordított átalakulás kíséretében az eredeti jellegzetes forma visszaáll. Az alakmemória effektus a termoelasztikus martenzites átalakulással, a kezdeti ausztenites és martenzites fázis rácskoherenciájával, viszonylag kis átalakulási hiszterézissel, valamint az átalakulások során bekövetkező kis térfogatváltozásokkal jellemezhető ötvözetekben nyilvánul meg. A titán-nikelidben a térfogatváltozások körülbelül 0,34%, ami egy nagyságrenddel kisebb, mint az acéloknál (körülbelül 4%).

A SME-vel ötvözeteket gyakran az úgynevezett intelligens anyagok közé sorolják, amelyek alapvetően új tervek és technológiák létrehozását teszik lehetővé a gépészet, a repülőgép- és rakétatechnika, a műszergyártás, az energia, az orvostudomány stb. különböző ágain. Nézzünk meg néhány alkalmazást. ötvözetek SME-vel.

A közeli és távoli tér feltárása orbitális állomások létrehozásával és nagyszabású űrépítéssel jár együtt. Olyan terjedelmes tárgyakat kell megépíteni, mint a napelemek és az űrantennák. ábrán. Az 1.1. ábra egy űrhajó diagramját mutatja önbevezető elemekkel. Az antennák Ti-Ni ötvözet lemezből és rúdból állnak, amelyeket feltekernek és a mesterséges műhold mélyedésébe helyeznek. A műhold fellövése és pályára állítása után az antennát egy speciális fűtőberendezéssel vagy a napsugárzás hőjével felmelegítik, aminek következtében az a világűrbe kerül.

A különféle műszaki létesítmények, lakó- és termelési modulok elhelyezéséhez nagy platformokat kell építeni nyílt térben. A terjedelmes egységek kiszállítása a világűrbe műszakilag csak részletekben, utólagos szerelési munkákkal lehetséges. A tömeggyártásban használt alkatrészek összekapcsolási módszerei, mint a hegesztés, forrasztás, ragasztás, szegecselés és mások, nem

Rizs. 1.1.

/ - antenna; 2 - napelem; 3 - energia kibocsátó; 4 - mechanikus stabilizátor

Rizs. 1.2. A cső alakú részek (/) összekötése alakmemóriával rendelkező fém csatlakozóval (2):O - összeszerelés előtt;b - fűtés után

helyviszonyoknak megfelelő. Különleges követelményeket támasztanak a rendkívül magas biztonság biztosítására.

Ezeket a tulajdonságokat figyelembe véve hazánk egyedülálló technológiát hozott létre az elemek világűrben történő összekapcsolására TN-1 ötvözetből készült tengelykapcsoló segítségével. Ezt a technológiát sikeresen alkalmazták egy 14,5 m teljes hosszúságú és 0,5 m oldalhosszúságú négyzet alakú rácsos szerkezet összeszerelésére.

A rácsos 28 mm átmérőjű különálló csőszerű részekből állt, amelyeket tengelykapcsolóval kötöttek össze 2 fémből, alakmemóriával (1.2. ábra). A tengelykapcsolót tüskével alacsony hőmérsékleten úgy deformálták, hogy a belső átmérője nagyobb volt, mint a csatlakoztatott elemek külső átmérője. A fordított martenzites átalakulási hőmérséklet fölé melegítés után a tengelykapcsoló belső átmérőjét visszaállítottuk a tágulás előtti átmérőre. Ebben az esetben jelentős nyomó reaktív erők keletkeztek, az összekapcsolt elemek plasztikusan deformálódtak, ami biztosította erős kapcsolatukat. A rácsos tartó összeszerelését és a Mir orbitális komplexum Kvant asztrofizikai moduljára való felszerelését 1991-ben végezték el mindössze négy űrséta során, és összesen körülbelül egy napot vett igénybe.

Ugyanezek a konstrukciós elvek alkalmazhatók nagy méretű tenger alatti építmények nagy mélységben történő beépítéséhez.

A csövek termomechanikus csatlakoztatására szolgáló csatlakozókat számos kivitelben alkalmazzák (1.3. ábra). Az F-14-es vadászgép hidraulikus rendszereinek összekapcsolására szolgálnak, olajszivárgással járó balesetről nem érkezett jelentés. Az alakmemóriás ötvözetekből készült tengelykapcsolók előnye a nagy megbízhatóság mellett a magas hőmérsékletű fűtés hiánya (a hegesztéssel ellentétben). Ezért a kötés közelében lévő anyagok tulajdonságai nem romlanak. Ilyen csatlakozók

Rizs. 1.3. Csövek összekötése alakmemória effektussal:

A - csövek behelyezése a tengelykapcsoló bővítése után; b- fűtés

típust nukleáris tengeralattjárók és felszíni hajók csővezetékeihez, a tengerfenékről olajszivattyúzó csővezetékek javításához használják, és erre a célra nagy átmérőjű csatlakozókat használnak - körülbelül 150 mm. Egyes esetekben a Cu-Zn-A1 ötvözetet tengelykapcsolók gyártására is használják.

Szegecseket és csavarokat általában az alkatrészek tartós összekapcsolására használnak. Ha azonban a rögzítendő részek ellentétes oldalán semmilyen műveletet nem lehet végrehajtani (például tömített üreges szerkezetben), akkor a rögzítési műveletek végrehajtása nehézkessé válik.

Az alakmemória effektusú ötvözetből készült dugók ezekben az esetekben lehetővé teszik a rögzítést térbeli alakpótlással. A dugók alakmemória effektusú ötvözetből készülnek, és kiindulási állapotban a dugó nyitott végű (1.4. ábra, A). A rögzítési művelet előtt a dugót szárazjégbe vagy folyékony levegőbe merítjük és kellően lehűtjük, majd a dugó végeit kiegyenesítjük (1.4. ábra, b). Az ütközőt egy rögzített lyukba helyezzük a rögzítéshez (1.4. ábra, V), amikor a hőmérséklet szobahőmérsékletre emelkedik, az alak visszaáll, a csap végei eltávolodnak (1.4. ábra, d), és a rögzítési művelet befejeződik.

Az alakmemóriás ötvözetek alkalmazása az orvostudományban különösen érdekes. Használatuk széles lehetőségeket nyit meg


Rizs. 1.4. Az alakmemóriadugó működési elve új, hatékony kezelési módszerek létrehozását teszi lehetővé. Az orvostudományban használt ötvözetek nem csak magas mechanikai jellemzőkkel rendelkeznek. Nem lehetnek kitéve biológiai környezetben korróziónak, biológiailag kompatibilisnek kell lenniük az emberi test szöveteivel, biztosítaniuk kell a toxicitás, rákkeltő hatás hiányát, és ellenállniuk kell a vérrögképződésnek, megőrizve ezeket a tulajdonságokat hosszú ideig. Ha egy fémből beültetett szerv egy biológiai szerkezethez képest aktív, akkor a perifériás szerkezet biológiai sejtjeinek degenerációja (mutációja), gyulladásos vérlökés, keringési zavar, majd a biológiai szerkezet elhalása következik be. Ha a beültetett szerv inert, akkor rostos szerkezet jelenik meg körülötte, amit a rostos csírasejtekből képződött kollagénrostok okoznak. A beültetett szervet ennek a rostos szerkezetnek egy vékony rétege borítja, és stabilan létezhet biológiai szervezetekben.

Speciális állatokon végzett kísérletek kimutatták, hogy a Ti-Ni rendszeren alapuló ötvözetek biokompatibilitása az általánosan használt korrózióálló acélok és kobalt-króm ötvözetek szintjén vagy még magasabban is bír, és funkcionális anyagként használhatók biológiai szervezetekben. A SME-vel végzett ötvözetek kezelési alkalmazása azt mutatta, hogy jól kompatibilisek a szövetekkel, és nem lépnek fel kilökődési reakciók az emberi test biológiai struktúráiból.

Gerinc korrekció. A gerinc különböző, veleszületett és megszokásból vagy fájdalmas állapotból eredő görbületei súlyos deformációhoz vezetnek járás közben. Ez nemcsak erős fájdalmat okoz, hanem a belső szervekre is káros hatással van. Az ortopédiai sebészetben a gerinckorrekciót általában korrózióálló acélból készült Charinton rúddal végzik. Ennek a módszernek az a hátránya, hogy a kezdeti korrekciós erő idővel csökken. 20 perccel a telepítés után a korrekciós erő 20% -kal csökken, és 10-15 nap múlva - az eredeti 30% -ára. Az erő további beállítása ismételt fájdalmas műveleteket igényel, és nem mindig éri el a célt. Ha a Kharinton rúdhoz SME-vel készült ötvözetet használnak, akkor a rúd egyszer felszerelhető, és nincs szükség ismételt műtétre. Ha műtét után a Charinton rudat a testhőmérsékletnél valamivel magasabb hőmérsékletre melegítjük, akkor a szükséges korrekciós erő létrejöhet. A Cu, Fe és Mo hozzáadásával készült Ti-Ni alapú ötvözetek alakjuk helyreállítása után nagy rugalmasságot mutatnak a hőmérsékleti tartományban

Az ilyen ötvözeteket tartalmazó korrekciós eszközök állandó terhelést okoznak a gerincen a kezelés teljes időtartama alatt, függetlenül az eszköz támasztópontjainak elmozdulásától.

Lemez a csontcsatlakozáshoz. Az orvosi ellátás módjai csonttörések esetén korrózióálló acélból vagy Co-Cr ötvözetből készült lemezekkel rögzítik a törési zónát olyan állapotban, ahol nyomóerő hat a csontra.

Ha alakmemóriás ötvözetet használnak az összekötő lemezhez, lehetővé válik a törési zóna szilárdan rögzítése úgy, hogy a lemezt külsőleg a testhőmérsékletnél valamivel magasabb hőmérsékletre melegítik a műtét után, és nincs szükség a csont hosszirányú összenyomására a műtét során. sebészet.

Csonton belüli csapok. Az ilyen csapokat a sípcsonttörések orvosi ellátására használják. Ezen túlmenően, főleg rozsdamentes acélból készült csapokat helyeznek a csontvelőbe, ezáltal rögzítve a csontot. A módszer alkalmazásakor a csont a korrózióálló acél rugalmas tulajdonságai miatt rögzül, ezért szükséges a furat átmérőjénél nagyobb átmérőjű csap behelyezése a nagyfokú deformáció létrehozásához. Ebben a tekintetben fennáll a szövet sérülésének veszélye azon a területen, amelybe a tűt behelyezték.

A műtét leegyszerűsödik, ha Ti-Ni alapú alakmemóriás ötvözeteket használnak a csapokhoz. Az előhűtött csapok testhőmérsékleten visszaállítják eredeti formájukat, ami növeli a rögzítés mértékét.

Eszközök a csontváz vontatásához. Az anyag azon tulajdonságát, hogy az alakja helyreállítja, egy adott hőmérsékleti tartományban jelentős feszültségeket hoz létre.

Az eszközöket a csonttörések hatékony kezelésére használják mind a folyamatos, mind a diszkrét csonthúzás révén.

Huzal a fogak helyzetének korrekciójához. A fogak helyzetének korrigálásához például rossz elzáródást, korrózióálló acélból készült huzalt használnak, amely rugalmas erőt hoz létre.

A korrekciós huzal hátránya az alacsony rugalmas nyúlás, és ennek következtében a képlékeny deformáció. Ti-Ni ötvözetből készült huzal készítésekor még 10%-os rugalmas alakváltozás esetén sem lép fel plasztikus deformáció, és megmarad az optimális korrekciós erő.

A technológiai fejlődés a villamosenergia-fogyasztás folyamatos növekedésével jár. A korlátozott fosszilis tüzelőanyag-tartalékok, az energiaválság leküzdése és a villamosenergia-termelés elfogadható költsége a világ minden fejlett országában szükségessé tette az atomenergia alkalmazását és az atomerőművek (Atomerőművek) nagyszabású építését. Az atomenergia a jövő energiája.

A működési elv szerint az atomerőművek és a hőerőművek (TPP) alig különböznek egymástól. Atomerőművekben és hőerőművekben a vizet felforralják, és a keletkező gőzt egy nagy sebességű turbina lapátjaira táplálják, aminek hatására az forog. A turbina tengelye a generátor tengelyéhez csatlakozik, amely forgatáskor elektromos energiát termel. Az atomerőművek és a hőerőművek közötti különbség a víz forrásig melegítésének módja. Ha egy hőerőműben szenet vagy fűtőolajat égetnek víz melegítésére, akkor az atomerőműben az uránhasadás szabályozott láncreakciójának hőenergiáját használják fel erre a célra.

A legtöbb országban jelenleg könnyűvizes reaktorokat (LWR) használnak villamos energia előállítására. Az ilyen típusú reaktoroknak két változata van: nyomás alatti vizes reaktorok (PWR) és forrásvizes reaktorok (BWR), amelyek közül a legelterjedtebbek a nyomás alatti vizes reaktorok.

ábrán. Az 1.5. ábra egy könnyűvizes reaktorral (nyomás alatt álló vízzel) felszerelt atomerőmű diagramját mutatja. A 9 reaktortartály tartalmazza a magot 10 és az első kör. Víz kering a primer körben, amely hűtőfolyadék, és lelassul


Rizs. 1.5. Rendszer transzferek melegség között PWR állomás elemei:

1 - betonhéj; 2 - héj korrózióálló acélból; 3 - turbina; 4 - generátor; 5 - hűtőtorony; 6 - kondenzátor; 7 - gőzfejlesztő; 8 - keringtető szivattyú; 9 - reaktortartály; 10 - aktív zóna; 11 - nyomáskompenzátor; 12 - Litel konténer. A víz elvezeti a hőt a magból a hőcserélő zónába (7. gőzfejlesztő), ahol a hő a második körbe kerül, amelyben gőz keletkezik. Az energiaátalakítás a generátorban történik 4, ahol a gőzt villamos energia előállítására használják. A primer áramkör minden csővezetékkel és komponenssel egy speciálisan kialakított tartályba van zárva 12. Ily módon minden olyan radioaktív hasadási termék, amely az üzemanyagból a primer vízbe kerülhet, elszigetelődik a környezettől.

A primer körben a víz nyomása 15,5 MPa, és a maximális hőmérséklete 315 °C. Ezek a feltételek megakadályozzák a víz felforrását, mivel a 15,5 MPa nyomású víz forráspontja jelentősen magasabb, mint 315 ° C.

Minden reaktorban 16-25 cella (a kialakítástól függően) szabadon marad a vezérlőrudak számára. A reaktortartály fedelén áthaladó vezérlőrúd mozgatja őket. Gőz távozik a turbinából 3, vízhűtéses kondenzátorban lecsapódik 6, amelyben a maradék hőenergia kiürül. Egyes hűtőrendszerek hűtőtornyokat használnak.

Az állomási energiát előállító és továbbító berendezések (reaktortartály, hőcserélők, szivattyúk, tartályok, csővezetékek) költsége az állomás költségének mintegy 90%-a. A berendezéseket megfelelően kell megtervezni és olyan anyagokból gyártani, amelyek gazdaságosak, de garantáltan megbízhatóak.

Az atomenergia fokozott követelményeket támaszt a felhasznált szerkezeti anyagokkal, azok gyártási technológiájával és a teljesítmény monitorozásával szemben. Besugárzás hatására a szerkezeti anyagok olyan szerkezeti átalakulásokon mennek keresztül, amelyek elsősorban a mechanikai tulajdonságokra és a korrózióállóságra gyakorolnak negatív hatást. Minden típusú sugárzás (neutron, A-és p-részecskék, y-sugárzás), a neutronbesugárzásnak van a legerősebb hatása.

Sugárzásálló anyagok Ezek olyan anyagok, amelyek megőrzik szerkezetük és tulajdonságaik stabilitását neutronsugárzás körülményei között (1.11. táblázat).

Az alumínium alapú ötvözetek korróziós sebessége vizes környezetben besugárzási körülmények között 2-3-szorosára nő. Az ausztenites króm-nikkel acélok érzékenyek a kristályközi korrózióra és a nedves gőzben történő korróziós repedésre.

A sugárzás legveszélyesebb következménye a sugárzási duzzanat. ábrán. Az 1.6 számos acél- és ötvözetminőség sugárzási duzzadási jellemzőit mutatja be. A duzzanat visszaszorítható szerkezetileg kényszerített rekombináns 1.11. táblázat

A neutronsugárzás hatása különböző anyagokra

Gyors neutronok integrál fluxusa, neutron/cm 2

Anyag

Sugárzásnak való kitettség

Politetrafluor-etilén, padló és metil-metakrilát és cellulóz

Csökkent rugalmasság

Organikus

folyadékok

Gázkibocsátás

A folyáshatár növelése

Polisztirol

A szakítószilárdság csökkenése

Kerámiai

anyagokat

Csökkentett hővezető képesség, sűrűség, kristályosság

Műanyagok

Építőanyagként nem használható

Szén

A hajlékonyság jelentős csökkenése, a folyáshatár megduplázódása, fokozott átmenet a képlékenyből a rideg törésbe

Korrózióálló acélok

A folyáshatár háromszoros növekedése

Alumínium

Csökkentett rugalmasság teljes ridegség nélkül

A szilárd oldat folyamatos bomlása következtében a mátrix és a keletkező másodlagos fázis határán bizonyos dilatáció következik be. A bomlás során fellépő erős szerkezeti feszültségmezők elősegítik a sugárzási hibák rekombinációját és jelentősen csökkentik a duzzanatot. A kifejlesztett diszperziós keményedés a sugárzási duzzanat elnyomásának egyik módja.

A reaktor anyagok sugárzásállósága bizonyos feltételek teljesülése esetén érhető el. Ezek tartalmazzák


Rizs. 1.6.

V- hangerő; DR - hangerő változás

az anyagok optimális kémiai összetétele és szerkezete, működésük feltételei: üzemi hőmérséklet szintjei, neutronfluxusa és a korrozív környezet tulajdonságai.

Minden fémnek és ötvözetnek megvan a maga kristályrácsa, felépítése és méretei.
amelyek szigorúan meghatározottak. Sok fém esetében a hőmérséklet és a nyomás változása esetén a rács nem
változatlan marad, és eljön egy pillanat, amikor megtörténik a szerkezetátalakítás. Ilyen változás
típusú kristályrács - polimorf transzformáció - kettővel is végrehajtható
módokon:
1) magas hőmérsékleten a nagy atommobilitású diffúzió miatt;
2) alacsony hőmérsékleten az atomok kollektív, összehangolt mozgása miatt, amely
az ötvözet térfogatának alakváltozásához vezet (diffúziómentes nyírási termoelasztikus mar-
tenzites átalakulás új kristályrács - martenzit - képződésével).
Magas hőmérsékleten ausztenites állapotban az ötvözet köbös rácsos.
Lehűléskor az ötvözet a martenzites fázisba kerül, amelyben a rácsos sejtek alakulnak ki
ferde paralelepipedonokkal. Melegítéskor az ausztenit fázis helyreáll, és ezzel együtt
Az alakmemóriával rendelkező ötvözött termék eredeti formája is visszaáll.
A martenzites transzformáció a kristályátalakítás egyik alapvető módszere
rács diffúzió hiányában, acélokra jellemző, tiszta fémek, színesfémek
ötvözetek, félvezetők, polimerek.
„Memory” hatás - a kristályok eredeti alakjának és méretének helyreállítása után
változásuk a deformáció során a termoelasztikus martenzites átalakulás következtében
egy bizonyos rezsim szerinti hőkezelés során.
A martenzites átalakulás fő jellemzője az alakváltozás, amely a hatáshoz kapcsolódik
az ötvözetek „memóriájának” hatása, szükséges feltétel, de nem elégséges a „memória” megnyilvánulásához.
A martenzit kristályok szabad energiája kisebb, mint a kezdeti fázisé, ami stimulál
martenzites átmenet kialakulása. Az átmenet lelassul az interfész megjelenése miatt
régi és új fázisok és a növekvő szabad energia. A martenzites fázis növekvő kristályai
deformálja a környező térfogatot, amely ennek ellenáll. Megjelenik a rugalmas energia
megakadályozza a kristály további növekedését. Amikor ez az energia meghaladja a rugalmassági határt
vendégek, a fázishatár környékén az anyag intenzív deformációja és
a kristálynövekedés leáll. Az acélokban a folyamat szinte azonnal lezajlik (egyedi
a martenzitkristályok végső méretre nőnek).
A martenzit fordított átmenete ausztenitté (magas hőmérsékletű fázis, diffúziómentes).
a rács nyírási átrendeződése nehéz), magas hőmérsékleten, nyitott kandallóban fordul elő
Az ausztenit kristályok a szitán nőnek anélkül, hogy átmennének eredeti formájukba (az atomok nem esnek bele
korábbi helyek).
A „memóriás” ötvözetekben lehűlés hatására a martenzitkristályok lassan, kb
melegítéskor fokozatosan eltűnnek, ami biztosítja az interfész dinamikus egyensúlyát
közöttük és a kezdeti fázis között. A fázisok közötti határ hasonlóan viselkedik, ha a hűtés
Cserélje ki a fűtést és a fűtést a terhelés alkalmazásával és eltávolításával, illetve - termoelasztikus
a fázisok egyensúlya szilárd anyagban.
A termoelasztikus martenzites átalakulás reverzibilis alakváltozással jár
ausztenit kristályok, amelyek elsősorban a fémek „memóriáját” biztosítják.
56 Intelligens polimer anyagok (IPM)
A termoelasztikus martenzites átalakulás egyenes következménye a reverzibilis
szilárd test alakjának megváltozása az időszakos lehűlés és melegítés következtében (termikus
motor). A „memóriával” rendelkező fémek (például a nitinol) „emlékeznek” eredetijükre
alakja hevítéskor a minta előzetes deformációja után.
Az 1960-as évek végére. a fizikai kutatás és a műszaki terület
az alak „memória” effektus alkalmazása ötvözetek esetében.
Több száz ötvözetek martenzites átalakulás, de az ötvözetek száma, ahol a hatás
A forma „memóriájának” csekély gyakorlati jelentősége van. Kollektív mozgalom
atomok egy bizonyos irányba, spontán (martenzites) kíséretében
neu) az anyag deformációja (rács átrendeződése), amelyben a közelség és az interatomikus
az atomok kötései nem szakadnak meg (megmarad a lehetőség, hogy visszatérjenek korábbi helyzetükbe,
az eredeti formára) csak bizonyos feltételek mellett kerül sor. Az egyén "emlékezete".
kristály még nem emlékszik az ötvözet teljes térfogatára, amely általában polikristályos
személyes szerkezet.
Az egyes krisztallitok (szemcsék) kristályrácsuk orientációjában különböznek egymástól.
A martenzites átalakulás során az atomok eltolódása bizonyos síkok mentén történik a rácsban.
csontok és irányok. A szemcsék eltérő orientációja miatt az egyes szemcsékben előfordulnak nyírók
különböző irányokba, és az egyes kristályok jelentős deformációja ellenére,
a minta egésze nem tapasztal észrevehető alakváltozást. Ez akkor történik, amikor
ha a kristályok ugyanabba az irányba tájolódnak. Az irányító erő, amely, ha
A tenzit transzformáció megszervezi a kristályok preferenciális szerveződését, az
külső terhelés.
A martenzites átalakulás során az atomok a külső irányába mozognak
terhelés (a minta egésze deformálódik). A folyamat addig tart
az egész anyag nem deformálódik az erő irányában anélkül, hogy interatomikus megtörést ne okozna
kötések és az atomok közelségének megsértése. Melegítéskor visszatérnek eredeti helyzetükbe,
a teljes anyagtérfogat eredeti alakjának helyreállítása.
A „memória” hatás a termoelasztikus fázisegyensúlyon és a szabályozási hatáson alapul
terhelések. Az ötvözetek speciális termomechanikus feldolgozása mikro-
feszültségek, amelyek hatása a martenzites átmenetek során hasonló a külső hatáshoz
terhelések. Lehűléskor az ötvözet spontán alakot vesz fel melegítéskor
visszaáll az eredetire (a lemez gyűrűvé görbül hűtéskor, melegítéskor -
megfordul vagy fordítva).
Az alakmemóriával rendelkező anyagok szuperplaszticitást mutathatnak (jelentős
képződmények, amikor a martenzites átalakulást külső terhelés alkalmazása okozza, ill
nem hűtéssel, amelyet rugós lengéscsillapítók és akkumulátorok létrehozására használnak
mechanikai energia), nagy ciklikus szilárdságúak (nincs felhalmozódás).
szerkezeti hibák) és nagy a mechanikai energia disszipációs képessége (nyitott kandallóval
szita átalakulások, a kristályrács átstrukturálódása együtt jár a felszabadulással
vagy hőelnyelés, ha külső terhelés martenzites átalakulást okoz, akkor
a mechanikai energia hőenergiává alakul; memóriahatásokkal egy folyamat is megfigyelhető
hő munkává alakítása).
Memóriával rendelkező fémek alakváltozása (periodikus hőmérsékletváltozással).
erőteljes interatomikus erők megnyilvánulása kíséri. Anyagok tágulási nyomása
ez a típus eléri a 7 t/cm2-t. Anyagtípustól függően különböző méretű termékek
a konfigurációk pedig hajlítanak, tágulnak, csavarnak (az alakzat programozható).
Az alakmemóriájú fémek közé tartoznak a nitinol, nitinol-55 (vassal), nikkelid ötvözetek
titán VTN-27, titánötvözetek VT-16, VT23 (hőkezelés speciális eljárás szerint, 2-3
szer olcsóbb és 1,5-szer könnyebb, mint a titán-nikelid), titán alapú ötvözet 28-34% mangánt és
5-7% szilícium, terfenol (magnetostrikciós ötvözet, csillapítja a rezgéseket alacsony frekvencián
rezgések).
Intelligens polimer anyagok (IPM) 57
A mangán alapú ötvözetek hőmérsékleti tartománya maximális hőérzékenységgel rendelkezik
puhaság 20-40 °C-on, és visszaállítja a kívánt formát a hőmérséklet-tartományban
-100-180 °C
A Cu-Zn- rendszerű ötvözeteket porkohászattal (Fukuda Metal Co.) állították elő.
Al alakmemória hatással szinterezéssel (700 MPa, 900 °C, 0,1 tömeg% alumínium-fluorid
Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) és rézötvözetek porai (szemcseméret 20-100 µm). Ötvözet
10%-os nyújtás után helyreállítja alakját.
Lehűléskor az ötvözet a martenzites fázisba kerül, amelyben a megváltozott
a kristályrácscellák geometriai paramétereitől függően plasztikussá válik és mikor
mechanikai behatás, „memóriás” (nitinol stb.) ötvözetből készült termék adható
gyakorlatilag bármilyen konfiguráció, amely a hőmérséklet eléréséig megmarad
meghaladja azt a kritikus értéket, amelynél a martenzites fázis energetikailag kedvezőtlenné válik,
az ötvözet a termék eredeti alakjának visszaállításával ausztenites fázisba kerül. Azonban,
A deformációk nem haladhatják meg a 7-8%-ot, különben az alak nem áll vissza teljesen.
Nitinol ötvözeteket fejlesztettek ki, amelyek egyidejűleg „emlékeznek” a termékek alakjára,
magas és alacsony hőmérsékletnek felel meg. Memóriahatás a nitinol ötvözetekben
világosan meghatározott, és a hőmérséklet-tartomány pontosan beállítható a nem
hány foktól tízfokig, módosító elemeket beiktatva az ötvözetekbe azonban
ciklikussági határ, a szabályozott alakváltozások (iterációk) száma nem haladja meg a 2000-et,
ami után az ötvözetek elvesztik tulajdonságaikat.
50 mikron átmérőjű ötvözetszálakból kialakított vezető szálak
titán és nikkel nanorészecskékkel 12-13%-kal változtatja meg a hosszt 5 millió iteráció alatt, és
mesterséges izmokban használják. Nano izomműködtető, Nano
Muscle, USA, Johnson Electric, KHP, 2003) ezerszer nagyobb teljesítményt fejleszt, mint
emberi izmok, és 4000-szer gyorsabb, mint egy villanymotor működési sebességgel
0,1 másodperc, zökkenőmentes átmenet egyik állapotból a másikba adott sebességgel (mikrofon
roprocesszoros vezérlés).
Magnetomechanikus memóriával rendelkező anyagokat fejlesztettek ki (magnetoelasztikus martenzit
az átmenetet mágneses tér stimulálja közvetlenül vagy a hőmérséklettel kombinálva
és terhelés) és elektromechanikus memória (martenzites transzformáció kíséri
tulajdonságok minőségi változása, vezető-félvezető, paramágneses-vas átmenetek
romagnet), amely ígéretes rádiótechnikai célokra szolgáló MI működtetők létrehozására
a radar aláírásának csökkentésére.

Moszkvai Állami Egyetem

őket. M. V. Lomonoszova

Anyagtudományi Kar

Téma: „Alakmemóriával rendelkező anyagok”.

Az FNM V éves hallgatója

Kareeva I.E.

Moszkva 2000

Bevezetés………………………………………………………2

Az alakmemória effektus megvalósításának mechanizmusa…………3

Alkalmazási területek…………………………………………………………..7

Alakmemóriával rendelkező ötvözetek előállítása……………………….9

Degradáció ………………………………………………………………………………………………………………………………

Következtetés………………………………………………………………..11

Hivatkozások…………………………………………………………..12

Bevezetés.

Az alakmemória anyagokat (MSM) a század 60-as éveinek végén fedezték fel. 10 éven belül (a 70-es évek vége - a 80-as évek eleje) számos jelentés jelent meg tudományos folyóiratokban, amelyek különböző felhasználási lehetőségeket ismertettek. Jelenleg az MPF funkcionális tulajdonságai vannak meghatározva: egy- és kétirányú memóriaeffektus, pszeudo- vagy szuperelaszticitás, magas csillapítási képesség.

Az MPF-eket már széles körben alkalmazzák a gyógyászatban, mint a szervezetbe beültetett, hosszú távú működést biztosító anyagok. Nagy rugalmassági tulajdonságokkal rendelkeznek, képesek megváltoztatni alakjukat a hőmérséklet változásával, és nem esnek össze váltakozó terhelési körülmények között. A titán-nikelid alapú ötvözetekben előforduló martenzites típusú fázisátalakulások összetettsége egyértelműen porózus szerkezetekben mutatkozik meg. Az ilyen ötvözetek fázisátalakulását széles hiszterézis és hosszú hőmérséklet-tartomány jellemzi, amelyben az anyag alakmemóriát és szuperelaszticitást mutat. A Ni-Ti alapú ötvözetek mellett martenzites átalakulások léteznek például olyan rendszerekben, mint a Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

A martenzites átalakulási hőmérséklettől és a mechanikai tulajdonságoktól függően az alakmemóriás ötvözetek alkalmazási köre széles skálán mozog.


Az alakmemória-effektus megvalósításának mechanizmusa.

martenzit.

A martenzit kristályos szilárd anyagok szerkezete, amely nyírás, diffúziómentes polimorf átalakulás eredményeként jön létre lehűléskor. Martens (1850-1914) német kohászról nevezték el. Ezen átalakulás során a rács alakváltozása következtében dombormű jelenik meg a fém felületén; belső feszültségek keletkeznek a térfogatban, és plasztikus deformáció lép fel, ami korlátozza a kristály növekedését. A növekedési sebesség eléri a 10 3 m/s-ot és nem függ a hőmérséklettől, így a martenzitképződés sebessége általában korlátozza a kristályok magképződését. A belső feszültségek ellensúlyozása a kristályok magképződését jóval a fázisok termodinamikai egyensúlyi pontja alá tolja, és állandó hőmérsékleten megállíthatja az átalakulásokat; ezért a keletkező martenzit mennyisége általában a túlhűtés fokozásával növekszik. Mivel a rugalmas energiának minimálisnak kell lennie, a martenzit kristályok lemezek formájában vannak. A belső feszültségeket a képlékeny alakváltozás is enyhíti, így a kristály sok (10 12 cm -2-ig) elmozdulást tartalmaz, vagy 100 - 1000 Å vastagságú ikrekre törik. A szemcsén belüli határok és a diszlokációk erősítik a martenzitet. A martenzit az alacsony hőmérsékletű polimorf átalakulások tipikus terméke tiszta fémekben (Fe, Co, Ti, Zr, Li és mások), ezekre épülő szilárd oldatokban, intermetallikus vegyületekben (CuZn, Cu 3 Al, NiTi, V 3 Si) , AuCd).

Martenzites átalakulások.

Az eutektikumhoz közeli összetételű intermetallikus Ni-Ti vegyületeket szobahőmérsékleten a köbös (ausztenites fázis) a monoklin (martenzites) fázisba való átmenet jellemzi. Az ilyen átalakulások általában az ötvözetekben, nagy feszültségeknél fordulnak elő, de a memóriaeffektus vagy a szuperrugalmasság következtében kis feszültségeknél is előfordulhatnak átalakulások. Az ausztenites Ni-Ti ötvözetek szuperelasztikus viselkedést mutatnak a martenzites átalakulás által okozott mechanikai terhelés és feszültség (8%) hatására. Kirakodáskor a martenzit instabillá válik és ausztenitté alakul, az összes makroszkopikus feszültség kompenzálásával.

A martenzites átalakulás olyan polimorf átalakulás, amelyben a kristályt alkotó atomok egymáshoz viszonyított elrendeződése a rendezett mozgásuk révén megváltozik, és a szomszédos atomok relatív elmozdulása kicsi az atomközi távolsághoz képest. A kristályrács átstrukturálódása a mikrorégiókban általában a sejtjének deformációjára vezethető vissza, a martenzites átalakulás végső fázisa pedig egy egyenletesen deformált kezdeti fázis. A deformáció nagysága kicsi (~1-10%), és ennek megfelelően kicsi az energiagát, amely megakadályozza a kezdeti fázis egyenletes átmenetét a végső fázisba, a kristályban lévő kötési energiához képest. A stabilabb fázis régióinak metastabilban kialakulása és növekedése révén kialakuló martenzites átalakulás szükséges feltétele a fázisok közötti rendezett érintkezés megőrzése. A fázishatárok rendezett felépítése kis gáttal az egyenletes fázisátmenet érdekében alacsony energiát és nagy mobilitást biztosít. Ennek következtében az új fázisú kristályok (martenzites kristályok) magképződéséhez szükséges energiatöbblet kicsi, és a fázisegyensúlytól némi eltéréssel összemérhetővé válik a kezdeti fázisban jelenlévő hibák energiájával. Ezért a martenzites kristályok nukleációja nagyobb sebességgel megy végbe, és nem feltétlenül igényel hőingadozást. A martenzites átalakulás során jelentős szerepet játszanak a fázishatárok mentén párosodó kristályrácsok rugalmas adaptációja következtében fellépő belső feszültségek. A rugalmas feszültségmezők a kölcsönhatásban lévő fázisok egyensúlyi pontjának eltolódásához vezetnek a valódi termodinamikai egyensúly helyzetéhez képest izolált, torzítatlan fázisok esetén; Ennek megfelelően az a hőmérséklet, amelyen a martenzites átalakulás megindul, jelentősen eltérhet a valódi egyensúlyi hőmérséklettől. A rugalmas feszültségi energia minimalizálásának vágya határozza meg a martenzitkristályok morfológiáját, belső szerkezetét és relatív helyzetét. Az új fázis vékony lemezek formájában jön létre, amelyek a krisztallográfiai tengelyekhez képest bizonyos módon orientálódnak. A lemezek általában nem egykristályok, hanem sík-párhuzamos domének csomagjai - egy új fázis régiói, amelyek különböznek a kristályrács (ikrek) orientációjában. A különböző tartományokból származó feszültségmezők interferenciája részleges pusztulásához vezet. A rugalmas mezők további csökkentése szabályosan elrendezett lemezekből álló együttesek kialakításával érhető el. Vagyis a martenzites átalakulás eredményeként a szerkezeti elemek elrendezésében sajátos hierarchikus renddel (szerelvények - lemezek - tartományok) polikristályos fázis jön létre. A belső feszültségek növekedése a martenzites átalakulás során bizonyos körülmények között kétfázisú termoelasztikus egyensúly létrejöttéhez vezet, amely reverzibilisen eltolódik, ha a külső körülmények megváltoznak: mechanikai terhelés hatására vagy hőmérsékletváltozás hatására, az egyes kristályok méretei és azok mérete. szám változás. A martenzites átalakulások számos kristályos anyagban megtalálhatók: tiszta fémekben, számos ötvözetben, ionos, kovalens és molekuláris kristályokban.

Nagy kilátások vannak a martenzites átalakulás során visszafordítható alakváltozásokra (olyan szuperelasztikus ötvözetek létrehozására, amelyek képlékeny deformáció után hevítve visszaállítják eredeti alakjukat - memóriaeffektus), valamint a martenzites átalakulás és egyes fémek szupravezető tulajdonságainak megjelenése közötti kapcsolatra. . A martenzites átalakulások számos szerkezeti átalakulás alapját képezik, amelyeknek köszönhetően a termikus és mechanikai kezelés segítségével a kristályos anyagok tulajdonságainak irányított megváltoztatása megy végbe.

A porózus titán-nikkelid ötvözetek jellemzői.

A porózus titán-nikelidben az öntött titánhoz képest széles hőmérséklet-tartományú martenzites átalakulás jelenléte tükröződik az elektromos ellenállás hőmérsékleti görbéiben. Kimutatták, hogy a martenzites átmenet nem teljes a porózus ötvözetekben, és szélesebb hőmérsékleti tartományban megy végbe, mint az öntött ötvözeteknél. Így a porózus titán-nikelid fontos jellemzője az azonos összetételű nem porózus (öntött) ötvözethez képest a fázisátalakulások széles hőmérsékleti tartománya. Ez megközelítőleg 250 0 C, azaz jelentősen meghaladja az öntött ötvözet átalakulási tartományát (30-40 0 C). A fázisátalakulások hőmérséklet-tartományának növekedése a porózus titán-nikelid szerkezetének köszönhető. A mérettényező is jelentős, hiszen a martenzites átalakulás vékony hidakban és masszív régiókban eltérően nyilvánul meg. Ezeknek a tényezőknek a hatása oda vezet, hogy a titán-nikelid alapú porózus anyagok fázisátalakulása különböző régiókban, különböző hőmérsékleteken kezdődik, kiterjesztve a hiszterézist a hőmérsékleti tengely mentén, ennek megfelelően kiterjesztve az átalakulások hőmérsékleti tartományait és az alakmemória megnyilvánulási intervallumait. hatások és szuperrugalmasság nikkelid-titán alapú porózus ötvözetekben.


1. ábra A reverzibilis memóriaeffektus és a folyáshatár hőmérsékletfüggése titán-nikkelid alapú porózus (1) és öntött (2) ötvözetekben.

Az 1. ábra az alakmemória hatást mutatja porózus és öntött ötvözetekben. Porózus ötvözetben az alakmemória effektus szélesebb hőmérséklet-tartományban nyilvánul meg, mint az öntött ötvözetben, és a maradó képlékeny alakváltozás egy porózus anyagban jelentősebb (1. ábra), mint az öntöttnél. Az öntött titán-nikkelidben az alakzat majdnem teljes (100%-ig) visszaállítása 6-8%-os deformációt, majd az MT hőmérsékleti tartomány feletti melegítést követően következik be (1. ábra). Az öntött titán-nikelid deformációs fokának növekedésével diszlokációs hibák keletkeznek, amelyek a martenzites átalakulásokkal ellentétben visszafordíthatatlanok. A martenzites mechanizmus szerinti reverzibilis deformáció szakaszát felváltja az irreverzibilis képlékeny deformáció szakasza. Még kis terhelésnél is keletkeznek olyan területek, ahol a rugalmas alakváltozás mértéke meghaladja a határértéket. Ezzel szemben a porózus ötvözetekben még minimális deformáció mellett sem haladja meg az alak-visszaállítás mértéke a 85%-ot. Az alak-visszaállítás mértéke függ a porozitástól, a pórusméret-eloszlástól és a martenzites nyírófeszültség mértékétől, pl. a porózus testek deformációjának sajátosságaihoz kapcsolódik. A különböző porozitású titán-nikelid alakváltozási függőségének elemzése azt mutatja, hogy az ötvözet folyáshatára a porozitás növekedésével csökken.

Felhasználási területek.

Nem orvosi felhasználás.

Az első alakmemóriás ötvözetet 1971-ben használták az F-14 repülőgépekben, ez a Ni-Ti-Fe volt. A Ni-Ti-Nb ötvözet használata nagy előrelépést jelentett, de a Fe-Mn-Si ötvözetek is nagy figyelmet kaptak, annak ellenére, hogy alacsonyabb visszaállási feszültségük.

A nitinolnak vannak potenciális alkalmazásai a fogyasztási cikkek gyártásában. Például egy érdekes találmány: egy eszköz - hamutartó tartó, ami az égő cigarettát a hamutartóba süllyeszti, így megakadályozza, hogy mondjuk az abroszra essen.

Az alaktároló eszközök megbízhatósága élettartamuktól függ. A rendszer működési ciklusainak szabályozásához fontos külső paraméterek az idő és a hőmérséklet. A fizikai és mechanikai tulajdonságokat meghatározó fontos belső paraméterek: az ötvözetrendszer, az ötvözet összetétele, az átalakulás típusa és a rácshibák. Ezek a paraméterek szabályozzák az ötvözet termomechanikai történetét. Ennek következtében a maximális memóriahatás a szükséges ciklusok számától függően korlátozott lesz.

Az űrben használt rakományok, például a napelemek vagy a műholdas antennák jelenleg főleg pirotechnikai kiépítési módszereket alkalmaznak, amelyek sok problémát okoznak. Az alakmemória anyagok használata mindezen problémákat kiküszöböli, és lehetőséget ad a rendszer teljesítményének ismételt tesztelésére a helyszínen.

A Ni-Ti ötvözetekkel kapcsolatos legújabb kutatások kimutatták, hogy a szuperrugalmas viselkedés jobb kopásállóságot eredményez. A pszeudoelasztikus viselkedés csökkenti a rugalmas érintkezési területet csúszás közben. A két csúszó alkatrész közötti rugalmas érintkezési terület csökkentése növeli az anyag kopásállóságát. A kopás speciális típusa a kavitációs erózió, amely speciális problémákat okoz a hidraulikus gépekben, hajócsavarokban és vízturbinákban. Különféle anyagok összehasonlító vizsgálatai kimutatták, hogy a Ni-Ti ötvözetek jobban ellenállnak a kavitációs eróziónak, mint a hagyományos ötvözetek. Martenzites állapotban a Ni-Ti ötvözet nagyon jól ellenáll a kavitációs eróziónak. A korróziónak kitett munkaalkatrészek teljes egészében Ni-Ti ötvözetből történő gyártása azonban túl drága, ezért a legjobb módszer a Ni-Ti ötvözet és acél kombináció használata.

Orvosi felhasználás.

Az orvostudományban a kompozit anyagok új osztályát, „biokerámiát – titán-nikkelidet” alkalmaznak. Az ilyen kompozitokban az egyik komponens (titán-nikkelid) szuperrugalmassággal és alakmemóriával rendelkezik, míg a másik megőrzi a biokerámia tulajdonságait.

A kerámia komponens lehet porcelán, amelyet széles körben használnak az ortopédiai fogászatban, és törékeny anyag. A porcelán nagy sérülékenysége annak köszönhető, hogy a különböző fázisok és szemcsék határán érintkezési feszültségek keletkeznek, amelyek jelentősen meghaladják az átlagos alkalmazott feszültségek szintjét. Kerámia anyagban az érintkezési feszültségek lazítása akkor lehetséges, ha ezen feszültségek zónájában a titán-nikkelid fázisátalakulása miatt energia disszipáció következik be. A hőmérséklet változása vagy a terhelés alkalmazása martenzites átalakulást okoz a titán-nikelidben, ami hatékony feszültséglazuláshoz vezet a mátrixban a kompozit anyag terhelésekor, lehetővé téve, hogy a szilárd alkatrész elbírja az alkalmazott terhelést. Ismeretes, hogy a szuperelasztikus titán-nikkelid porból készült porózus tömörítések térfogatának rugalmas visszanyerése a részecskék közötti érintkezések megszakadásával jár, és a brikett szilárdsága határozza meg, amely függ a porozitástól és az érintkezési adhéziós erők nagyságától. Ezen erők gyengítése a titán-nikkelid porhoz más komponensek, például finoman diszpergált volfrám vagy szilícium-karbid hozzáadásával jelentősen növeli a rugalmas hatást, mivel az azonos nevű erős titán-nikkel érintkezőket ellentétesek váltják fel. Mivel a titán-nikelid tartalom csökkenésével a tömörítésben a rugalmas hatás mértéke csökken, a rugalmas térfogat-visszanyerés koncentrációfüggése általában szélsőséges. A porcelán-titán-nikkelid kompozit anyagban az alkatrészek gyengén kölcsönhatásba lépnek egymással, és szinterezés után a kerámia és a fém alkatrészek közötti érintkezés meggyengül. Terheléskor először felszakadnak, és nő a rugalmas térfogat-visszanyerés. Ennek eredményeként az alakváltozás visszafordítható, és a kompozit a szuperrugalmassághoz hasonló tulajdonságokat mutat. A „fogporcelán-titán-nikkelid” kompozit anyag biokompatibilitását szövettanilag vizsgálták, patkányok szöveti válaszát az elülső hasfal bőre alá történő kompozit anyag és porcelánminták beültetésére. A szöveti reakciók természete, prevalenciája és a sejtelváltozások jellemzői mindkét esetben egyértelműnek bizonyultak. Így a biokerámia-titán-nikelid kompozit anyagok biológiailag kompatibilisek.

Alakmemóriával rendelkező ötvözetek előállítása.

Az alakmemóriás ötvözetek egyedi alkatrészek olvasztásával készülnek. Az olvadékot gyorsan lehűtik, és magas hőmérsékletű kezelést végeznek.

A „biokerámia - titán-nikkelid” kompozit anyagok egész osztályát javasolták az orvostudomány számára. Az ilyen anyagokban az egyik komponens (titán-nikkelid) alakmemóriával és szuperrugalmassággal rendelkezik, míg a másik megőrzi a biokerámia tulajdonságait. A leggyakrabban használt kerámia alkatrész a porcelán, amelyet széles körben használnak az ortopédiai fogászatban, és törékeny anyag. Az ilyen minták készítéséhez titán-nikkelid és porcelánmassza porokat használnak, amelyeket keverés és szárítás után vákuumban szintereznek.

Degradáció

A NiTi alapú ötvözetek martenzites átalakulása atermális folyamat, amelynek sebességét teljes mértékben a fázisok termodinamikai egyensúlyához közeli hőmérsékletváltozás sebessége határozza meg. Ezért a NiTi-ben a martenzites átalakulást kísérő összes specifikus mechanikai hatás, mint például az alakmemória és az átalakulás plaszticitása, nagyon rövid idő alatt megvalósítható megfelelő fűtési és hűtési körülmények között. A nagy sebességű készülékekben a hőcsere felgyorsítására hőközeggel (folyékony vagy gáznemű) vékony szalagot, vezetéket és mikron lineáris keresztmetszetű csöveket használnak. Ebben az esetben nagy jelentősége van az ötvözet szabad felületének állapotának. Mivel az összetétel kis eltérései is megváltoztatják a hőmérsékleti kinetikát és az átalakulás teljességét, az elemek szegregációja és a felület oxidációja jelentősen megváltoztatja az anyag speciális tulajdonságait. Ez a körülmény az anyag előzetes termikus vagy termomechanikai kezelésének szükségessége miatt válik különösen fontossá.

Tanulmányok kimutatták, hogy a titán-nikkelid hajlamos a szabad felületre termikus hatások hatására. Oxigént tartalmazó atmoszférában az ötvözet oxidálódik, és főként TiO 2 -oxidot tartalmazó oxidréteget képez. Feltételezhető, hogy mivel a titán kémiailag nagyon aktív, oxigénmentes környezetben a titánatomok bármilyen nem inert gázzal, például nitrogénatmoszférában - nitridekkel - vegyületeket képeznek. Az oxidok képződése a szemcsehatárokon és a felületen csak a minták vákuumban vagy inert környezetben történő hőkezelésével kerülhető el.

Következtetés

A memóriaeffektus vagy alakmemória a termék azon képessége, hogy hevítéskor visszaállítsa eredeti, a képlékeny deformáció következtében megváltozott formáját. A legismertebb memóriaötvözet a nitinol.

Az alak helyreállítását a fémanyag szerkezetének martenzites átalakulása vagy reverzibilis ikerpárosodása okozza.

A martenzites átalakulás mechanizmusán keresztül létrejövő memóriaeffektus esetén az ötvözet hevítésekor feszültségek keletkeznek az előre deformált acélrácsban. A korábbi alak helyreállítására csak az anyag deformálódott kristályrácsa és a melegítés során kialakult martenzites fázis közötti koherencia esetén kerül sor. A fázishatáron lévő koherens kristályrácsokban az ötvözet fő- és eredőfázisának celláinak száma megegyezik (csak a kristályrácsok atomsíkjainak irányai térnek el kissé). A részlegesen koherens rácsokban az atomsíkok váltakozásának szabályossága megbomlik, a fázishatáron úgynevezett éldiszlokáció jelenik meg. Inkoherens kristályrácsokban az atomi síkok irányai nagyon eltérőek. A martenzitkristálynövekedés csak az inkoherens interfázishatárokig megy végbe.

A martenzites fázis az acélban akkor jön létre, ha az A rendszer szabad energiája≠ 0. Ha az acélrács rugalmas alakváltozási energiája megegyezik a benne lévő martenzit fázis képződési energiájával, akkor A = 0 és a martenzitkristályok növekedése véget ér. Ez az egyensúly a hőmérséklettől függ, és termoelasztikusnak nevezik.

A második mechanizmus szerinti forma-helyreállítás a fémes anyagok kristályrácsában mechanikai terhelés hatására kialakuló ikrek kialakulásával és hevítéskor történő eltűnésével jár. Ha egy martenzites állapotú acélminta deformálódik, a martenzitkristályok újrafonódása vagy orientációja következik be. Ez megváltoztatja a minta alakját. Melegítéskor a kezdeti fázis kristályainak szerkezete és orientációja helyreáll, ami a termék alakjának helyreállításához vezet. A deformáció kritikus szintjének túllépése irreverzibilis ikrek kialakulásához vezet, amelyek eltűnése csak az átkristályosodás során lehetséges.

A termoelasztikus martenzittel ellátott ötvözetek alakjának teljes helyreállítása figyelhető meg: Cu - Al - (Fe, Ni, Co, Mn), Ni - Al, Ti - Ni, Ti - Au, Ti - Pd, Ti - Pt, Au - Cd, Ag - Cd, Cu - Zn - Al.

A nitinol az egyik ilyen ötvözet. Ti - Ni . A memóriahatás hőmérséklet-tartománya nitinolban 550-600 0 C. A nitinol főbb tulajdonságai:

Rugalmassági modulus E=66,7...72,6 MPa;

Szakítószilárdságσ =735...970 MPa;

Relatív nyúlás l=2…27%;

Fajlagos elektromos ellenállás ρ=65…76 μOhm× cm;

Olvadáspont: Tolvadáspont=1250…1310 0 C;

Sűrűség d = 6440 kg/m 3.

Memóriaötvözeteket használnak cső alakú állandó csatlakozásokhoz, amelyek kiküszöbölik a hegesztést és forrasztást, az állandó nyomást és ennek megfelelően az érintkezési ellenállást biztosító elektromos érintkezők alátéteiben, az űrhajók öntáguló antennáiban stb.