外界の現象に対する人々の基本的な認識の 1 つは、超臨界の影響にさらされない限り、金属製品や構造物の機能的な形状を長期間安定して維持する耐久性と信頼性です。

しかし、常識に反して、予備変形後に加熱すると元の形状に戻る現象を示す金属合金が多数存在します。つまり、生き物ではないこれらの金属は、ある種の記憶を示す特別な性質を持っているのです。

現象

形状記憶効果を理解するには、その発現を一度確認するだけで十分です。何が起こっていますか？

形状記憶効果の実証


金属線が入っています。	このワイヤーは曲がっています。

ワイヤーを加熱し始めます。	加熱するとワイヤーが真っ直ぐになり、元の形状に戻ります。

現象の本質

なぜこうなった？

現象の本質

初期状態では、材料は特定の構造を持っています。図では、それは正四角形で示されています。

変形（この場合は曲げ）すると、材料の外側の層は伸ばされ、内側の層は圧縮されます（中央の層は変化しません）。これらの細長い構造はマルテンサイト板です。これは金属合金では珍しいことではありません。珍しいのは、形状記憶材料ではマルテンサイトが熱弾性であることです。

加熱すると、マルテンサイト板の熱弾性が現れ始めます。つまり、内部応力が発生し、構造を元の状態に戻す傾向があります。つまり、細長い板は圧縮され、平らな板は伸ばされます。

外側の細長いプレートが圧縮され、内側の平らなプレートが伸ばされるため、材料全体が逆方向に自己変形し、元の構造とそれに伴う形状が復元されます。

形状記憶効果の特徴

形状記憶効果 2つの量によって特徴付けられます。

化学組成が厳密に管理された合金のブランド。（詳細は「形状記憶素材」をご覧ください）
気温 マルテンサイト変態.

発現の過程で 形状記憶効果参加する マルテンサイト変態ダイレクトとリバースの2種類。したがって、それらのそれぞれは独自の温度範囲で現れます：MNとMK - 始まりと終わり 直接マルテンサイト変態変形中、AN および AK - 加熱中の開始と終了。

気温 マルテンサイト変態合金グレード (合金系) とその化学組成の両方の関数です。合金の化学組成の小さな変化（意図的または欠陥の結果）により、これらの温度の変化が生じます。

これは、明確な機能発現のために合金の化学組成を厳密に維持する必要があることを意味します。 形状記憶効果。これにより、冶金生産がハイテクの領域に組み込まれます。

形状記憶効果数百万サイクルが現れます。

予備 熱処理強化できる 形状記憶効果.

リバーシブル可能 形状記憶効果、材料がある温度ではある形状を「記憶」し、別の温度では別の形状を「記憶」します。

温度が高いほど 逆マルテンサイト変態、それほど顕著ではありません 形状記憶効果。たとえば、弱い 形状記憶効果 Fe-Ni 系合金 (5 ～ 20%Ni) で観察されます。 逆マルテンサイト変態 200～400℃。

超弾性

と密接に関係するもう一つの現象 形状記憶効果は 超弾性.

超弾性- 降伏強度を大幅に超える応力にさらされた材料が、荷重を取り除いた後に完全に元の形状に戻る特性。

超弾性挙動は弾性挙動よりも桁違いに優れています。

超弾性直接マルテンサイト変態の開始から逆マルテンサイト変態の終了までの温度範囲で観察されます。

形状記憶素材

ニッケル化チタン

を備えた素材のリーダー 形状記憶応用と知識の観点から言えば、 ニッケル化チタン .

ニッケル化チタン 55 wt.% の Ni を含む等原子組成の金属間化合物です。融点1240～1310℃、密度6.45g/cm3。ニッケル化チタンの初期構造は CsCl 型の安定した体心立方格子であり、変形すると熱弾性挙動を示します。 マルテンサイト変態対称性の低い相が形成されます。

海外で採用されているこの合金の別名は、 ニチノールの略語から来ています ニチノールここで、NOL は米国海軍兵器研究所の略称であり、この材料は 1962 年に開発されました。

からの要素 ニッケル化チタン センサーとアクチュエーターの両方の機能を実行できます。

ニッケル化チタン もっている：

耐食性に優れています。
高強度。
優れた形状記憶特性。形状回復係数が高く、復元力が高い。 8%までの変形は完全に復元できます。回復応力は 800 MPa に達することがあります。
生体との相性が良い。
材料の高い減衰能力。

欠点:

チタンの存在により、合金は窒素と酸素を容易に付着させます。製造中にこれらの元素との反応を防ぐために、真空装置を使用する必要があります。
部品製造における加工、特に切断は難しい。 (裏面高強度)。
高価。 20世紀末には、銀よりわずかに低い価値がありました。

現在の工業生産レベルでは、 ニッケル化チタン (Cu-Zn-Al 系の合金と併せて) 幅広い実用化と市場販売が見出されています。 (詳細は「形状記憶素材の使用」を参照)。

その他の合金

20世紀の終わりに 形状記憶効果 20以上の合金で発見されました。を除外する ニッケル化チタン 効果 形状記憶システムで検出されました:

Au-Cd。 1951年に米国イリノイ大学で開発されました。形状記憶素材の先駆者の一人。
銅、亜鉛、アルミニウム。とともにニッケル化チタン実用性があります。マルテンサイト変態の温度は-170～100℃の範囲です。
- 利点（と比較して）ニッケル化チタン):
  - 通常の大気中で製錬可能。
  - カットが簡単です。
  - 価格は5倍安いです。
- 欠点:
  - 形状記憶特性に関してはさらに悪い。
  - 機械的特性と腐食特性が悪化します。
  - 熱処理により結晶粒の粗大化が起こりやすくなり、機械的性質の低下につながります。
  - 粉末冶金における粒子安定化の問題。
Cu-Al-Ni。日本の大阪大学で開発されました。気温 マルテンサイト変態 100～200℃の範囲で。
Fe-Mn-Si。このシステムの合金は最も安価です。
Fe-Ni
銅-アルミニウム
Cu-Mn
コニ
ナイアル

一部の研究者は次のように考えています 形状記憶効果基本的には、どんな材料でも可能です。 マルテンサイト変態、チタン、ジルコニウム、コバルトなどの純金属が含まれます。

ニッケル化チタンの製造

溶解は、保護雰囲気 (ヘリウムまたはアルゴン) の真空スカル炉または消耗電極を備えた電気アーク炉で行われます。どちらの場合も、装入物は練炭に圧縮されたヨウ化チタンまたはスポンジチタン、およびニッケルグレード N-0 または N-1 です。

インゴットの断面および高さ全体にわたって均一な化学組成を得るには、2 回または 3 回の再溶解をお勧めします。

割れを防ぐためのインゴットの最適な冷却モードは、炉による冷却（1秒あたり10°以下）です。

表面の欠陥を除去する - ヤメ砥石で粗くする。

インゴットの体積全体の化学組成をより完全に均一にするために、不活性雰囲気中で 950 ～ 1000℃の温度で均質化が行われます。

形状記憶効果のある素材の応用

チタンニッケル接続スリーブ

米国レイケム社が軍用機の油圧システムパイプ接続用に初めて開発・導入したブッシュ。戦闘機にはそのような接続が 30 万以上ありますが、それらの接続が失敗したという報告は一度もありません。

このようなブッシングの使用方法は次のとおりです。

接続スリーブの適用

ブッシングは温度 20 °C で元の状態にあります。

スリーブはクライオスタット内に置かれ、-196℃の温度でプランジャーを使用して内部の突起がフレアされます。

冷たいブッシュは内側から滑らかになります。

特別なペンチを使用して、スリーブをクライオスタットから取り外し、接続されているパイプの端に置きます。

室温は、特定の合金組成の加熱温度です。その後、すべてが「自動的に」行われます。内部の突起は元の形状を「記憶」し、接続されたパイプの外面を真っ直ぐにして切り込みます。

その結果、最大 800 気圧の圧力に耐えることができる強力な真空気密接続が実現します。

本質的に、このタイプの接続は溶接に代わるものです。また、避けられない金属の軟化や、金属と溶接部の間の遷移領域での欠陥の蓄積など、溶接部の欠点を防止します。

さらに、この接合方法は、構造物を組み立てる際、コンポーネントやパイプラインが絡み合って溶接が困難になる場合の最終接続に適しています。

これらのブッシングは、航空、宇宙、自動車用途で使用されます。

海底ケーブルの配管の接合や補修にもこの工法が使われています。

医学において

リハビリテーションのプロセスで使用され、機能不全に陥った活動的な筋肉群を再活性化するように設計された手袋。手根間、肘、肩、足首、膝関節に使用できます。
避妊コイル。挿入後、体温の影響下で機能的な形状を獲得します。
循環系の血管に導入するためのフィルター。カッターを使用して直線ワイヤーの形で導入され、その後、所定の位置を有するフィルターの形になります。
弱い静脈をつまむためのクランプ。
電流によって駆動される人工筋肉。
プロテーゼを骨に固定するために設計された固定ピン。
小児のいわゆる成長期のプロテーゼ用の人工延長装置。
大腿骨頭軟骨の置換。置換材料は、球形 (大腿骨頭) の影響を受けて自己クランプします。
脊柱側弯症の脊椎矯正用ロッド。
人工レンズ移植用の一時的なクランプ固定要素。
メガネフレーム。下部はガラスがワイヤーで固定されている部分です。プラスチックレンズは冷めても滑り落ちません。レンズを拭いたり、長時間使用してもフレームが伸びません。使用したエフェクト 超弾性.
整形外科用インプラント。
歯列矯正用のワイヤーです。

熱警報

火災警報。
防火ダンパー。
浴槽の警報装置。
電源ヒューズ (電気回路の保護)。
温室の窓を自動開閉する装置。
熱回収ボイラータンク。
自動灰除去機能付きの灰皿です。
電子接触器。
燃料蒸気を含むガスの排出を防止するシステム（自動車）。
ラジエーターから熱を除去するための装置。
フォグランプを点灯させるための装置。
インキュベーター内の温度調節器。
温水洗浄用の容器です。
冷暖房装置、熱機械の制御弁。

その他の用途

日本のフォーカスボロ社は、レコーダーの駆動装置にチタンニッケルを使用しています。レコーダーからの入力信号は電流に変換され、チタンニッケル線が加熱されます。ワイヤーを伸縮させることでレコーダーのペンが動きます。 1972 年以来、そのようなユニットが数百万台製造されています (20 世紀末のデータ)。駆動機構が非常にシンプルなので故障が極めて少ないです。
対流式の電子レンジです。チタンニッケルセンサーによりマイクロ波加熱と循環熱風加熱の送風切替を行います。
ルームエアコン用の高感度バルブです。エアコン吹き出し口の風向を調整し、冷暖房を行います。
コーヒーメーカー。沸点の測定、およびバルブやスイッチのオン/オフに使用されます。
電磁フードプロセッサー。磁力場の影響下で鍋の底に発生する渦電流によって加熱が発生します。火傷を避けるために、チタンニッケルコイルの形の要素によって信号が駆動されます。
電子保管乾燥機。脱水剤再生時にフラップを駆動します。
1985 年初頭、ブラのフレームの製造に使用される形状記憶合金が市場を席巻し始めました。カップ底部の金属フレームはチタンニッケルワイヤーで構成されています。ここでは超弾性の性質を利用します。それでいてワイヤーの存在感はなく、柔らかくしなやかな印象です。変形しても（洗濯すると）簡単に形状が戻ります。販売 - 年間 100 万個。これは、材料の最初の実用化の 1 つです。 形状記憶.
各種クランプツールの製造。
マイクロ回路ハウジングのシール。
マルテンサイト変態（ニッケル化チタン）中に仕事を熱に変換する効率が高いことは、このような材料が減衰性の高い材料としてだけでなく、冷蔵庫やヒートポンプの作動流体としても使用できることを示唆しています。
財産 超弾性高効率のばねと機械エネルギー蓄積器の作成に使用されます。

文学

V. A. Likhachev 他、「形状記憶効果」、レニングラード、1987
A. S. Tikhonov 他、「現代の機械工学における形状記憶効果の応用」、M.、1981 年。
V. N. カチン「形状記憶」、M.、1984

長い間、非弾性変形は完全に不可逆的であると考えられていました。 1960 年代初頭。構造変化により非弾性変形という基本動作が実行される広範な種類の金属材料が発見されました。このような材料は非弾性変形の可逆性を持っています。自然に形状が復元する現象 - 形状記憶効果(SME) - 等温条件下および温度変化中の両方で観察できます。熱変化中に、このような金属材料は可逆的に繰り返し変形する可能性があります。

強い力が加わっても変形の回復力を抑えることができません。 SME を含む一部の材料の反応応力のレベルは 1,000 ～ 1,300 MPa になる場合があります。

SME を有する金属は、特殊な特性を持つ材料の最も顕著な代表例の 1 つです。この冶金学的現象への関心が高まっているのは、従来の高い機械的特性、疲労耐性、耐食性と、熱弾性マルテンサイト変態に基づく熱機械記憶、反応応力などの珍しい特性のユニークな組み合わせによるものです。 SME を含む合金の特徴は、ほとんどの特性が構造に顕著に依存することです。物理的および機械的特性の値は、通常 -150 ～ + 150 °C の温度範囲で、さまざまな合金の可逆的なオーステナイト - マルテンサイト相転移中に数回変化します。

SME を含む多数の合金のうち、実用化に最も有望なのは、通常ニッケル化チタンまたはニチノールと呼ばれる等原子組成 (原子数が等しい) の Ti-Ni 合金です。あまり一般的には使用されないが、安価な銅ベースの合金 Cu-Al-Ni および Cu-Al-Zn があります。

形状記憶効果とは、高温でオーステナイト状態で特定の形状を有するサンプルが、より低いマルテンサイト変態温度で変形することです。過熱後は逆変形を伴い、元の特徴的な形状に戻ります。形状記憶効果は、熱弾性マルテンサイト変態、初期オーステナイト相とマルテンサイト相の格子整合性、比較的小さな変態ヒステリシス、および変態中の小さな体積変化を特徴とする合金に現れます。ニッケル化チタンの体積変化は約 0.34% であり、鋼 (約 4%) よりも一桁小さいです。

SME を含む合金は、いわゆるスマート材料として分類されることが多く、機械工学、航空宇宙およびロケット技術、機器製造、エネルギー、医療などのさまざまな分野で根本的に新しい設計や技術を生み出すことが可能になります。いくつかの用途を考えてみましょう。 SMEとの合金の開発。

近距離および遠方の宇宙の探査は、軌道ステーションの作成や大規模な宇宙建設に関連しています。太陽光パネルや宇宙アンテナなどの大きな物体を構築する必要があります。図では、図 1.1 は、自己展開要素を備えた宇宙船の図を示しています。アンテナは Ti-Ni 合金のシートとロッドで構成され、コイル状に巻かれて人工衛星の凹部に配置されます。衛星が打ち上げられ、軌道に乗った後、アンテナは特殊なヒーターや太陽の輻射熱で加熱され、宇宙空間に入ります。

さまざまな技術施設、住宅および生産モジュールを収容するには、オープンスペース条件に大規模なプラットフォームを構築する必要があります。かさばるユニットを宇宙空間に輸送することは、技術的にはその後の設置作業を伴う部分でのみ可能です。溶接、はんだ付け、接着、リベット止めなど、量産で使用される部品の接合方法は使用できません。

米。 1.1.

/ - アンテナ; 2 - 太陽電池。 3 - エネルギーエミッター。 4 - メカニカルスタビライザー

米。 1.2. 形状記憶金属製カップリング(2)を使用して管状部品(/)を接続:○ - 組み立て前。b - 加熱後

空間条件に適しています。非常に高い安全性を確保するために特別な要件が課されます。

このような特徴を踏まえ、我が国はTN-1合金製カップリングを用いて宇宙空間で要素間を接続する独自の技術を確立しました。この技術により、全長14.5m、断面一辺0.5mの正方形のアルミニウム合金製トラス構造の組み立てに成功しました。

トラスは直径 28 mm の個々の管状部品で構成され、カップリングを使用して相互に接続されました。 2 形状記憶のある金属製です（図1.2）。マンドレルを使用して、カップリングを低温で変形させ、その内径が接続されるエレメントの外径よりも大きくなるようにしました。逆マルテンサイト変態温度以上に加熱した後、カップリングの内径は、カップリングが拡張する前の直径に復元されました。この場合、大きな圧縮反力が発生し、接続された要素が塑性変形し、強力な接続が確保されました。トラスの組み立てとミール軌道複合施設のクヴァント天体物理モジュールへの設置は、1991 年にわずか 4 回の船外活動で行われ、合計で約 1 日かかりました。

同じ建設原理を、大深度の大型海洋水中構造物の設置にも使用できます。

パイプの熱機械接続用のカップリングは多くの設計で使用されています（図1.3）。 F-14戦闘機の油圧システムの接続に使用されており、油漏れに伴う事故は報告されていない。形状記憶合金で作られたカップリングの利点は、その高い信頼性に加えて、(溶接とは異なり) 高温加熱が必要ないことです。したがって、接合部付近の材料の特性が劣化することはありません。こんなカップリングも

米。 1.3. 形状記憶効果を使用したパイプの接続:

A -カップリングの拡張後のパイプの挿入。 b- 暖房

このタイプは、原子力潜水艦や水上艦のパイプライン、海底から石油を汲み上げるためのパイプラインの修理に使用され、これらの目的には大口径のカップリング（約150 mm）が使用されます。場合によっては、Cu-Zn-A1 合金もカップリングの製造に使用されます。

通常、リベットとボルトは部品を永久的に接続するために使用されます。ただし、密閉された中空構造など、締結する部品の反対側で何もできない場合は、締結作業が困難になります。

このような場合でも、形状記憶効果のある合金製のストッパーを使用することで、空間的な形状復元を利用した締結が可能になります。ストッパーは形状記憶効果のある合金でできており、初期状態ではストッパーは開放端になっています（図1.4）。 A)。締め付け作業の前に、ストッパーをドライアイスまたは液体空気に浸し、十分に冷却した後、ストッパーの端をまっすぐにします（図1.4、図1.4）。 b）。ストッパーを固定穴に差し込んで固定します（図1.4）。 V）、室温まで温度が上昇すると形状が復元し、ピンの先端が広がり（図1.4 d）、締結作業が完了します。

医療における形状記憶合金の使用は特に興味深い。それらを使用すると幅広い可能性が広がります

米。 1.4. 形状記憶ストッパーの動作原理により、新たな効果的な治療法の創出が可能になります。医療に使用される合金は、高い機械的特性を備えているだけではありません。これらは生物学的環境で腐食を受けず、人体の組織と生物学的に適合し、毒性や発がん性がないことを保証し、血栓の形成に抵抗し、これらの特性を長期間維持する必要があります。金属で作られた移植臓器が生物学的構造に対して活動的である場合、周辺構造の生物学的細胞の変性（突然変異）が発生し、炎症性の血液の急増、循環障害、そして生物学的構造の壊死が起こります。移植された臓器が不活性である場合、繊維状の生殖細胞から形成されたコラーゲン繊維によって、その周囲に繊維状の構造が現れます。移植された臓器はこの繊維状構造の薄い層で覆われており、生体内で安定して存在することができます。

動物を対象とした特別な実験により、Ti-Ni系合金は一般に使用されている耐食鋼やコバルトクロム合金と同等以上の生体適合性を有し、生体内の機能性材料として使用できることが判明しました。 SME を含む合金を治療に使用すると、組織との適合性が良好で、人体の生物学的構造による拒絶反応がないことが示されています。

背骨の矯正。脊椎のさまざまな湾曲は、先天的なものと、習慣や痛みを伴う状態によって引き起こされるものとの両方で、歩行時に重度の変形を引き起こします。これは激しい痛みを引き起こすだけでなく、内臓にも悪影響を及ぼします。整形外科では、通常、耐食鋼製のチャリントンロッドを使用して脊椎矯正が行われます。この方法の欠点は、初期の矯正力が時間の経過とともに低下することです。取り付け後 20 分で矯正力は 20% 減少し、10 ～ 15 日後には元の矯正力の最大 30% に減少します。力をさらに調整するには痛みを伴う操作を繰り返す必要があり、常に目標を達成できるわけではありません。 Kharinton ロッドに SME を含む合金が使用されている場合、ロッドは一度取り付けることができ、繰り返し手術を行う必要はありません。手術後、チャリントンロッドを体温よりわずかに高い温度に加熱すると、必要な矯正力を生み出すことができます。この目的には、Ti-Ni をベースに Cu、Fe、Mo を添加した合金が効果的であり、形状復元後に温度範囲で高い弾性を示します。

このような合金を使用した矯正装置は、装置の支持点の変位に関係なく、治療期間全体を通して脊椎に一定のストレスを与えます。

骨接続用のプレートです。骨折時の治療方法は、骨に圧縮力が作用した状態で耐食鋼やCo-Cr合金製のプレートを用いて骨折部を固定する方法です。

連結プレートに形状記憶合金を使用すると、術後にプレートを体温より若干高い温度に外部加熱することで骨折部を強固に固定することができ、手術中に骨を縦方向に圧縮する必要がありません。手術。

骨内ピン。このようなピンは、脛骨骨折の治療に使用されます。また、主にステンレスでできたピンを骨髄に挿入して骨を固定します。この方法では、耐食鋼の弾性特性により骨を固定するため、穴の径よりも太いピンを挿入して大きな変形を与える必要があります。この点において、ピンが挿入される領域の組織を損傷する危険性がある。

スタッドに Ti-Ni ベースの形状記憶合金を使用すると、手術が簡素化されます。事前に冷却されたピンは体温で元の形状に戻り、固定度が高まります。

骨格牽引のための装置。形状を復元する際の材料の特性を利用して、特定の温度範囲で大きな応力が発生します。

この装置は、連続的および個別の骨格牽引を通じて骨折を効果的に治療するために使用されます。

歯の位置を矯正するためのワイヤーです。不正咬合などの歯の位置を矯正するには、弾性力を生み出す耐食鋼製のワイヤーが使用されます。

矯正ワイヤーの欠点は、弾性伸びが低く、その結果として塑性変形が生じることです。 Ti-Ni合金でワイヤーを作製すると、10％の弾性変形でも塑性変形が起こらず、最適な矯正力が維持されます。

技術の進歩により、電力消費量は継続的に増加します。化石燃料の埋蔵量は限られており、エネルギー危機の克服と許容可能な発電コストにより、世界のすべての先進国で原子力エネルギーの使用と原子力発電所（NPP）の大規模建設が必要となっています。原子力エネルギーは未来のエネルギーです。

原子力発電所と火力発電所（TPP）は、その動作原理にほとんど違いはありません。原子力発電所や火力発電所では、水を沸騰させ、その蒸気を高速タービンの翼に送り込んで回転させます。タービンシャフトは発電機シャフトに接続されており、回転すると電気エネルギーを生成します。原子力発電所と火力発電所の違いは、水を沸騰させる方法です。火力発電所が水を加熱するために石炭または重油を燃やす場合、原子力発電所はこの目的のためにウラン分裂の制御された連鎖反応の熱エネルギーを使用します。

軽水炉 (LWR) は現在、ほとんどの国で発電に使用されています。このタイプの原子炉には、加圧水型原子炉 (PWR) と沸騰水型原子炉 (BWR) の 2 つの改良型があり、加圧水型原子炉が最も一般的です。

図では、図 1.5 は、軽水炉 (加圧水) を備えた原子力発電所の図を示しています。原子炉容器9には炉心が入っている 10 そして最初のサーキット。一次回路では水が循環しており、これが冷却剤となり速度を低下させます。

米。 1.5. スキーム転送 暖かさ間 PWR ステーションの要素:

1 - コンクリートシェル; 2 - シェルは耐食性鋼製。 3 - タービン; 4 - 発生器; 5 - 冷却塔。 6 - コンデンサー。 7 - 蒸気発生器。 8 - 循環ポンプ; 9 - 反応容器; 10 - アクティブゾーン; 11 - 圧力補償器; 12 - リットルコンテナ。水はコアから熱を熱交換ゾーン (蒸気発生器 7) に除去し、そこで熱が第 2 回路に伝達され、そこで蒸気が生成されます。エネルギー変換は発電機で発生します 4, 蒸気を使って発電するところ。すべての配管とコンポーネントを備えた一次回路は、特別に設計されたコンテナに密閉されています。 12. このようにして、燃料から一次水に漏れる可能性のある放射性核分裂生成物は環境から隔離されます。

一次回路では、水には 15.5 MPa の圧力がかかり、最高温度は 315 °C になります。 15.5 MPa の圧力における水の沸点は 315 °C よりも大幅に高いため、これらの条件は水の沸騰を防ぎます。

各原子炉では、16 ～ 25 個のセル (設計に応じて) が制御棒用に空けられています。それらは原子炉容器のカバーを貫通する制御棒によって動かされます。タービンから出る蒸気 3, 水冷コンデンサーで凝縮する 6, 残りの熱エネルギーが放出されます。一部の冷却システムでは冷却塔を使用します。

エネルギーを生成し、伝達するステーション設備（原子炉容器、熱交換器、ポンプ、タンク、パイプライン）のコストは、ステーションのコストの約90％です。機器は適切に設計され、経済的でありながら信頼性が保証された材料で製造されなければなりません。

原子力エネルギーでは、使用される構造材料、その製造技術、性能監視に対する要求が高まっています。放射線にさらされると、構造材料は構造変化を起こし、主に機械的特性と耐食性に悪影響を及ぼします。あらゆる種類の放射線（中性子、あ-および p 粒子、y 線）、中性子照射が最も強い影響を及ぼします。

耐放射線性材料これらは、中性子照射条件下でも構造や物性の安定性を維持する材料です（表1.11）。

照射条件下の水環境におけるアルミニウム基合金の腐食速度は 2 ～ 3 倍増加します。オーステナイト系クロムニッケル鋼は、湿った蒸気中で結晶間腐食や腐食割れを起こしやすいです。

放射線の最も危険な結果は放射線膨張です。図では、 1.6 は、さまざまなグレードの鋼および合金の放射線膨張の特性を示しています。構造的に強制的な組換えにより膨潤を抑制できる表1.11

中性子照射によるさまざまな物質への影響

高速中性子の積分束、中性子/cm 2	材料	放射線被ばく
	ポリテトラフルオロエチレン、床、メタクリル酸メチル、セルロース
		弾力性の低下
	オーガニック液体	ガス放出
		降伏強度の向上
	ポリスチレン	引張強度の低下
	セラミック材料	熱伝導率、密度、結晶化度の低下
	プラスチック	建築材料としての使用には適していません
	炭素	延性の大幅な低下、降伏強度の 2 倍、延性破壊から脆性破壊への移行の増加
	耐食鋼	降伏強度が 3 倍増加
	アルミニウム	完全な脆化を伴わない延性の低下

固溶体の連続的な分解により金属が分解され、マトリックスの境界で一定の膨張が起こり、二次相が形成されます。崩壊中に生じる強い構造応力場は、放射線欠陥の再結合を促進し、膨張を大幅に軽減します。開発された分散硬化は、放射線膨潤を抑制する方法です。

一連の条件が満たされれば、原子炉材料の耐放射線性を達成できます。これらには以下が含まれます

米。 1.6.

V- 音量; DR - 音量の変化

材料の最適な化学組成と構造、動作条件：動作温度のレベル、中性子束、腐食環境の特性。

各金属と合金には、独自の結晶格子、構造、寸法があります。
厳密に指定されています。多くの金属では、温度と圧力が変化しても格子は変化しません。
変わらないまま、再構築される瞬間が来る。このような変化
結晶格子のタイプ - 多形変化 - は 2 つによって実行できます
方法：
1) 原子移動度が高い拡散による高温。
2) 低温では、原子の集団的かつ協調的な運動により、
合金の体積の形状の変化につながります（無拡散せん断熱弾性損傷）。
新しい結晶格子（マルテンサイト）の形成を伴うテンサイト変態）。
オーステナイト状態の高温では、合金は立方格子を持ちます。
冷却されると、合金はマルテンサイト相に移行し、そこで格子セルが形成されます。
面取りされた直方体付き。加熱するとオーステナイト相が復元され、それに伴って
形状「記憶」を持つ合金製品も元の形状に復元されます。
マルテンサイト変態は結晶再構築の基本的な方法の 1 つです
拡散のない格子、鋼、純金属、非鉄の特徴
合金、半導体、ポリマー。
「メモリー」効果 - 使用後の結晶の元の形状とサイズの復元
熱弾性マルテンサイト変態の結果として生じる変形中の変化
特定の体制に従って熱処理を行っている間。
形状の変化はマルテンサイト変態の主な特徴であり、これは次の効果に関連します。
合金の「記憶」の効果は、「記憶」の発現に必要な条件ではありますが、それだけでは十分ではありません。
マルテンサイト結晶の自由エネルギーは初期相の自由エネルギーよりも小さいため、
マルテンサイト転移の発達。インターフェースの出現により移行が遅くなる
古いフェーズと新しいフェーズ、そしてフリーエネルギーの増加。マルテンサイト相の結晶の成長
これに抵抗する周囲のボリュームを変形させます。弾性エネルギーが現れる
さらなる結晶成長を防ぎます。このエネルギーが弾性限界を超えると
ゲストの場合、材料の激しい変形が相境界付近で発生し、
結晶の成長が止まります。鋼の場合、このプロセスはほぼ瞬時に行われます（個々の
マルテンサイト結晶は最終サイズまで成長します)。
マルテンサイトからオーステナイトへの逆転移 (高温相、拡散なし)
格子のせん断再構築は困難です）、平炉の場合、高温で発生します
オーステナイト結晶は、元の形状に遷移することなくふるい上で成長します（原子はその形状に落ちません）
以前の場所）。
「記憶」を持つ合金では、冷却するとマルテンサイト結晶がゆっくりと成長します。
加熱すると徐々に消失し、界面の動的平衡が確保されます。
それらと初期段階の間。冷却が行われている場合、相間の境界は同様に動作します。
加熱と加熱を、それぞれ荷重の適用と除去によって置き換えます - 熱弾性
固体内の相の平衡。
熱弾性マルテンサイト変態には可逆的な形状変化が伴います
オーステナイト結晶。主に金属の「記憶」を提供します。
56 インテリジェントポリマー材料 (IPM)
熱弾性マルテンサイト変態の直接的な結果として、可逆的な
定期的な冷却と加熱（熱）の結果として生じる固体の形状の変化
エンジン）。「記憶」を持つ金属（ニチノールなど）は元の状態を「記憶」します
サンプルの予備変形後に加熱したときの形状。
1960年代の終わりまでに。物理研究および技術分野
合金の形状「記憶」効果の応用。
マルテンサイト変態を伴う合金は数百種類ありますが、その効果が現れる合金の数は
フォームの「記憶」には実際的な意味はほとんどありません。集団運動
原子が特定の方向にあり、自発性（マルテンサイト）を伴う
neu) 材料の変形 (格子再配置)、近接および原子間の
原子の結合は切れていない（元の位置に戻る可能性は残っている）
元の形式に)、特定の条件下でのみ発生します。個人の「記憶」
結晶はまだ合金全体の記憶ではなく、通常は多結晶体を持っています。
個人の構造。
個々の微結晶（粒子）の結晶格子の方向は異なります。
マルテンサイト変態中の原子の移動は、特定の平面に沿った格子内で発生します。
骨と方向。粒子の向きが異なるため、各粒子にせん断が発生します。
さまざまな方向に、そして個々の結晶が大きく変形したにもかかわらず、
サンプル全体としては、形状に目立った変化はありません。これは次のような場合に起こります。
結晶が同じ方向を向いている場合。制御力は、故障した場合、
テンサイト変態は結晶の優先的な組織化を組織します。
外部負荷。
マルテンサイト変態中、原子は外部の方向に移動します。
荷重（サンプル全体が変形する）。プロセスは次の時点まで続きます。
原子間を破壊することなく、材料全体が力の方向に変形することはありません。
結合と原子の近接性の違反。加熱すると元の位置に戻りますが、
材料全体の元の形状を復元します。
「メモリー」効果は熱弾性相の平衡と制御作用に基づいています
負荷がかかります。合金の特殊な熱機械加工により、微細な合金が作成されます。
マルテンサイト転移中の応力の作用は外部応力の作用と類似しています。
負荷がかかります。冷却すると、合金は自発的にある形状になり、加熱すると、
元の状態に戻ります（冷却するとプレートがリング状に丸くなり、加熱するとプレートが丸くなります）
向きを変えたり、その逆）。
形状記憶材料は超塑性（大幅な変形）を示すことがあります。
外部荷重の適用によってマルテンサイト変態が引き起こされる場合の地層、および
スプリングショックアブソーバーやバッテリーの製造に使用される冷却によるものではありません。
機械エネルギー）、高いサイクル強度を持っています（蓄積がない）
構造的欠陥）と高い機械エネルギー放散能力（平炉付き）
ふるい変換、結晶格子の再構築は放出を伴います。
または熱吸収、外部負荷がマルテンサイト変態を引き起こす場合、
機械エネルギーは熱エネルギーに変わります。記憶効果を伴うプロセスも観察される
熱を仕事に変換します）。
形状記憶のある金属の形状変化（周期的な温度変化による）
強力な原子間力の発現を伴います。材料の膨張圧力
このタイプは7t/cm2に達します。素材の種類により、サイズが異なる商品もございます
曲げ、拡張、ねじりなどの構成が可能です (形状はプログラム可能)。
形状記憶金属には、ニチノール、ニチノール-55 (鉄含有)、ニッケル合金が含まれます。
チタン VTN-27、チタン合金 VT-16、VT23 (2 ～ 3 の特別な方式による熱処理)
ニッケル化チタンよりも 1 倍安く、1.5 倍軽い）は、チタンをベースに 28 ～ 34% のマンガンを含む合金で、
5 ～ 7% シリコン、ターフェノール (磁歪合金、低周波の振動を減衰)
振動）。
スマートポリマー材料（IPM） 57
マンガンベースの合金には最大の熱感度の温度範囲があります
20 ～ 40 °C で柔らかくなり、次の温度範囲で希望の形状に戻ります。
–100～180℃
Cu-Zn-系の合金は粉末冶金法（福田金属株式会社）により得られました。
焼結による形状記憶効果のあるAl（700MPa、900℃、0.1wt.%フッ化アルミニウム）
Cu-Zn (70:30)、Cu-Al (50:50) および銅合金 (粒径 20 ～ 100 µm) の粉末。合金
10%伸ばしても元の形状に戻ります。
冷却されると、合金はマルテンサイト相に移行します。
結晶格子セルの幾何学的パラメータに応じて、プラスチックになり、
「形状記憶」を持った合金（ニチノールなど）で作られた製品は、機械的衝撃を与える可能性があります。
温度が上昇するまで維持されるほぼすべての構成
マルテンサイト相がエネルギー的に好ましくなくなる臨界値を超えると、
合金はオーステナイト相に入り、製品の元の形状が復元されます。しかし、
変形は 7 ～ 8% を超えてはなりません。そうしないと、形状が完全に復元されません。
製品の形状を同時に「記憶」するニチノール合金が開発されました。
高温、低温に対応。ニチノール合金のメモリー効果
明確に定義されており、温度範囲は非許容範囲から正確に調整できます。
数度から数十度で、合金に改質元素が導入されますが、
周期性マージン、制御された変形 (反復) の数は 2000 を超えません。
その後、合金はその特性を失います。
直径50ミクロンの合金フィラメントから形成された導電性繊維
チタンとニッケルのナノ粒子を使用すると、500 万回の反復で長さが 12 ～ 13% 変化します。
人工筋肉に使用されます。ナノマッスルアクチュエーター、ナノ
Muscle、米国、Johnson Electric、KHP、2003 年）は、
人間の筋肉に匹敵する速度であり、作動速度は電気モーターの 4000 倍です。
一定の速度で 1 つの状態から別の状態にスムーズに移行すると 0.1 秒 (マイク
プロセッサ制御）。
磁気機械的記憶を持つ材料が開発されています（磁気弾性マルテンサイト系）
転移は磁場によって直接、または温度と組み合わせて刺激されます。
および負荷）および電気機械記憶（マルテンサイト変態は、
特性の質的変化、導体-半導体、常磁性体-鉄転移
romagnet)、無線工学目的の MI アクチュエータの作成に有望です
レーダー信号を減らすため。

モスクワ州立大学

彼ら。 M.V.ロモノソワ

物質科学部

テーマ：「形状記憶素材」

FNM 5 年生

カリーバ I.E.

モスクワ 2000

はじめに…………………………………………………………2

形状記憶効果を実現する仕組み…………3

応用分野…………………………………………………………..7

形状記憶合金の調製…………………….9

劣化………………………………………………………………..10

結論………………………………………………………………..11

参考文献…………………………………………………………..12

導入。

形状記憶材料 (MSM) は、今世紀の 60 年代後半に発見されました。 10 年以内 (70 年代後半から 80 年代前半)、その使用のさまざまな可能性を説明する多くの報告が科学雑誌に掲載されました。現在、MPF の機能特性としては、一方向および二方向の形状記憶効果、擬似または超弾性、高い減衰能力が定義されています。

MPF は、体内に埋め込まれた長期機能材料としてすでに医療分野で広く応用されています。これらは高い弾性特性を示し、温度変化に応じて形状を変化させることができ、交互の負荷条件下でも崩れません。ニッケル化チタンをベースとした合金で起こるマルテンサイト型の相変態の複雑な性質は、多孔質構造で明確に現れます。このような合金の相転移は、広いヒステリシスと、材料が形状記憶および超弾性効果を示す長い温度範囲によって特徴付けられます。 Ni-Ti ベースの合金に加えて、マルテンサイト変態は、たとえば Pt-Ti、Pt-Ga、Pt-Al などの系にも存在します。

マルテンサイト変態温度と機械的特性に応じて、形状記憶合金には幅広い用途があります。

形状記憶効果を実現する仕組み。

マルテンサイト。

マルテンサイトは、冷却時のせん断による無拡散多形変態の結果として生じる結晶固体の構造です。ドイツの冶金学者マルテンス (1850 - 1914) にちなんで命名されました。この変態中の格子変形の結果として、金属表面にレリーフが現れます。内部応力が体積内に発生し、塑性変形が発生して結晶の成長が制限されます。成長速度は 10 3 m/s に達し、温度に依存しないため、通常はマルテンサイトの形成速度によって結晶の核生成が制限されます。内部応力の反作用により、結晶の核生成が相の熱力学的平衡点よりもかなり下に移動し、一定温度で変態を停止することができます。したがって、形成されるマルテンサイトの量は通常、過冷却が増加するにつれて増加します。弾性エネルギーは最小限でなければならないため、マルテンサイト結晶は板状になります。内部応力も塑性変形によって緩和されるため、結晶には多くの転位 (最大 10 12 cm -2) が含まれるか、厚さ 100 ～ 1000 Å の双晶に分裂します。粒内境界と転位はマルテンサイトを強化します。マルテンサイトは、純粋な金属 (Fe、Co、Ti、Zr、Li など)、それらをベースとした固溶体、金属間化合物 (CuZn、Cu 3 Al、NiTi、V 3 Si など) における低温多形変態の典型的な生成物です。、AuCd）。

マルテンサイト変態。

共晶に近い組成を持つ Ni-Ti 金属間化合物は、室温で立方晶 (オーステナイト相) から単斜晶 (マルテンサイト) 相への転移を特徴とします。このような変態は通常、合金では高応力で発生しますが、記憶効果または超弾性の結果として、低応力でも変態が発生することがあります。オーステナイト系 Ni-Ti 合金は、マルテンサイト変態によって引き起こされる機械的負荷と張力 (8%) の下で超弾性挙動を示します。除荷すると、マルテンサイトは不安定になり、すべての巨視的応力が補償されてオーステナイトに変わります。

マルテンサイト変態は、結晶を構成する原子の規則的な運動によって相対配置の変化が起こり、隣接する原子の相対的な変位が原子間距離に比べて小さい多形変態です。微小領域における結晶格子の再構成は通常、そのセルの変形に帰着し、マルテンサイト変態の最終段階は均一に変形した初期段階です。変形の大きさは小さい (約 1 ～ 10%) ため、結晶内の結合エネルギーに比べて、初期相から最終相への均一な転移を妨げるエネルギー障壁は小さくなります。準安定相におけるより安定な相の領域の形成および成長を通じて発達するマルテンサイト変態に必要な条件は、相間の秩序ある接触が維持されることである。均一な相転移のための小さな障壁を備えた相間境界の規則的な構造により、その低エネルギーと高い移動度が保証されます。結果として、新しい相の結晶 (マルテンサイト結晶) の核生成に必要な過剰エネルギーは小さく、相平衡から多少の逸脱はあるものの、初期相に存在する欠陥のエネルギーと同程度になります。したがって、マルテンサイト結晶の核生成はより高い速度で発生し、熱変動を必要としない可能性があります。マルテンサイト変態中の重要な役割は、相境界に沿って結合する結晶格子の弾性適応によって生じる内部応力によって演じられます。弾性応力場は、孤立した歪みのない相の真の熱力学的平衡の位置に対して、相互作用する相の平衡点の変位を引き起こします。したがって、マルテンサイト変態が始まる温度は、真の平衡温度とは大きく異なる可能性があります。弾性応力エネルギーを最小限に抑えたいという要望により、マルテンサイト結晶の形態、内部構造、および相対位置が決まります。新しい相は、結晶軸に対して特定の方向を向いた薄板の形で形成されます。一般に、プレートは単結晶ではなく、面平行ドメイン、つまり結晶格子の向きが異なる新しい相の領域 (双晶) のパッケージです。異なるドメインからの電圧場の干渉により、それらの部分的な破壊が引き起こされます。弾性場のさらなる減少は、規則的に配置されたプレートの集合体を形成することによって達成されます。すなわち、マルテンサイト変態の結果として、構造成分の配置において独特の階層的順序（集合体－プレート－ドメイン）を有する多結晶相が形成される。特定の条件下でのマルテンサイト変態中の内部応力の増加は、二相熱弾性平衡の確立につながります。この平衡は、外部条件が変化すると可逆的に変化します。機械的負荷の影響下または温度が変化すると、個々の結晶のサイズとその結晶が変化します。番号変更。マルテンサイト変態は、純粋な金属、多数の合金、イオン結晶、共有結合結晶、分子結晶など、多くの結晶材料で見られます。

マルテンサイト変態中の可逆的な形状変化（塑性変形後に加熱すると元の形状を復元する超弾性合金の作成 - メモリー効果）や、マルテンサイト変態と一部の金属における超電導特性の出現との関連については大きな期待が寄せられています。。マルテンサイト変態は、多くの構造変態の基礎を形成し、これにより、熱的および機械的処理の助けを借りて、結晶材料の特性に方向性のある変化が実行されます。

多孔質チタンニッケル合金の特長。

鋳造チタンと比較して、多孔質ニッケル化チタンには広い温度範囲でマルテンサイト変態が存在することが、電気抵抗の温度曲線に反映されています。マルテンサイト転移は多孔質合金では不完全であり、鋳造合金よりも広い温度範囲で起こることが示されています。したがって、同じ組成の非多孔質（鋳造）合金と比較した多孔質ニッケル化チタンの重要な特徴は、相変態の温度範囲が広いことです。これは約２５０℃であり、鋳造合金の変態範囲（３０～４０℃）を大幅に超えている。相変態の温度範囲の増加は、多孔質ニッケル化チタンの構造によるものです。薄いブリッジと大規模な領域ではマルテンサイト変態の現れ方が異なるため、サイズ要因も重要です。これらの要因の作用により、ニッケル化チタンをベースとした多孔質材料の相変態が異なる温度の異なる領域で始まり、温度軸に沿ったヒステリシスが拡大し、それに応じて変態の温度範囲と形状記憶の発現間隔が拡大するという事実が生じます。ニッケル化チタンをベースとした多孔質合金の効果と超弾性。

図 1 ニッケル化チタンベースの多孔質合金 (1) および鋳造合金 (2) における可逆記憶効果と降伏強度の温度依存性。

図 1 は、多孔質合金と鋳造合金の形状記憶効果を示しています。多孔質合金では、鋳造合金よりも広い温度範囲で形状記憶効果が発現し、多孔質材料の残留塑性変形は鋳造合金よりも顕著です（図1）。鋳造ニッケル化チタンでは、6 ～ 8% 変形し、その後 MT 温度範囲を超えて加熱すると、形状がほぼ完全に (最大 100%) 復元されます (図 1)。鋳造ニッケル化チタンの変形度が増加すると、マルテンサイト変態とは異なり、不可逆的な転位欠陥が形成されます。マルテンサイト機構による可逆変形の段階は、不可逆的な塑性変形の段階に置き換えられます。低荷重でも弾性変形量が限界を超える領域が発生します。対照的に、多孔質合金では、変形が最小限であっても、形状復元の程度は 85% を超えません。形状復元の程度は、気孔率、気孔サイズ分布、およびマルテンサイトせん断応力のレベルに依存します。多孔質体の変形の特殊性に関連しています。異なる気孔率を持つニッケル化チタンの変形依存性を分析すると、気孔率が増加すると合金の降伏強度が低下することがわかりました。

使用領域。

非医療用途。

1971 年に F-14 航空機に最初に使用された形状記憶合金は Ni-Ti-Fe でした。 Ni-Ti-Nb 合金の使用は大きな進歩ですが、回復電圧が低いにもかかわらず、Fe-Mn-Si 合金も多くの注目を集めています。

消費財の製造においてニチノールには潜在的な用途があります。たとえば、興味深い発明は、燃えているタバコを灰皿の中に降ろし、例えばテーブルクロスの上に落ちるのを防ぐ灰皿ホルダーという装置です。

形状記憶デバイスの信頼性は、その耐用年数によって決まります。システムの動作サイクルを制御するための重要な外部パラメータは、時間と温度です。物理的および機械的特性を決定する重要な内部パラメータは、合金系、合金組成、変態タイプ、格子欠陥です。これらのパラメータは、合金の熱機械履歴を制御します。結果として、最大メモリ効果は必要なサイクル数に応じて制限されます。

ソーラーパネルや衛星アンテナなどの宇宙ペイロードは現在、主に火工品の展開方法を使用しており、多くの問題を引き起こしています。形状記憶材料を使用すると、これらの問題がすべて解消され、地上でシステムの性能を繰り返しテストする機会も提供されます。

Ni-Ti 合金に関する最近の研究では、超弾性挙動により耐摩耗性が向上することが示されています。擬似弾性挙動により、滑り時の弾性接触面積が減少します。 2つの摺動部分間の弾性接触面積を減らすことで、材料の耐摩耗性が向上します。特別な種類の摩耗はキャビテーション浸食であり、これは水力機械、船舶のプロペラ、水力タービンに特有の問題を引き起こします。さまざまな材料の比較研究により、Ni-Ti 合金は従来の合金よりもキャビテーション浸食に対する耐性が高いことが示されています。マルテンサイト状態では、Ni-Ti 合金はキャビテーション浸食に対して非常に優れた耐性を持っています。しかし、腐食を受けやすい作動部品をすべて Ni-Ti 合金から製造するにはコストが高すぎるため、最良の方法は、Ni-Ti 合金と鋼を組み合わせて使用することです。

医療用途。

医療分野では、新しい種類の複合材料「バイオセラミックス - ニッケル化チタン」が使用されています。このような複合材料では、一方の成分 (ニッケル化チタン) は超弾性と形状記憶を持ち、もう一方の成分はバイオセラミックの特性を保持します。

セラミックコンポーネントは磁器にすることができます。磁器は整形外科歯科で広く使用されており、壊れやすい材料です。磁器の高い脆弱性は、さまざまな相や粒子の境界で接触応力が発生し、平均的にかかる応力のレベルを大幅に超えるためです。セラミック材料における接触応力の緩和は、ニッケル化チタンの相変態によりこれらの応力のゾーンでエネルギー散逸が発生する場合に可能です。温度の変化や荷重の印加により、ニッケルチタンにマルテンサイト変態が起こり、複合材料に荷重がかかるとマトリックス内の応力が効果的に緩和され、固体コンポーネントが加えられた荷重に耐えられるようになります。超弾性チタンニッケル粉末からなる多孔質成形体の体積の弾性回復は粒子間接触の破壊に関連しており、気孔率と接触付着力の大きさに依存するブリケットの強度によって決定されることが知られています。細かく分散されたタングステンや炭化ケイ素などの他の成分をニッケルチタン粉末に加えてこれらの力を弱めると、同名の強力なチタン-ニッケル接触が反対のものに置き換えられるため、弾性効果が大幅に増加します。弾性効果の大きさは、成形体中のニッケル化チタン含有量が減少するにつれて減少するため、通常、弾性体積回復率の濃度依存性は極端になります。磁器とチタンニッケルの複合材料では、成分の相互作用が弱く、焼結後はセラミック成分と金属成分の間の接触が弱まります。負荷がかかると、最初に破断し、弾性体積の回復が増加します。その結果、変形は可逆的となり、複合材料は超弾性と同様の特性を示します。複合材料「歯科用磁器 - ニッケル化チタン」の生体適合性が組織学的に研究され、複合材料と磁器サンプルを前腹壁の皮膚の下に移植したときのラットの組織反応が評価されました。どちらの場合でも、組織反応の性質、その広がり、細胞変化の特徴は明らかであることが判明しました。したがって、バイオセラミックスとチタンニッケル複合材料は生体適合性があります。

形状記憶合金の調製。

形状記憶合金は、個々のコンポーネントを融合することによって製造されます。溶湯を急冷し、高温処理を行います。

医療用複合材料「バイオセラミックス - チタンニッケル」の全種類が提案されています。このような材料では、一方の成分 (ニッケル化チタン) は形状記憶と超弾性を持ち、もう一方の成分はバイオセラミックの特性を保持します。最も一般的に使用されるセラミック部品は磁器です。磁器は整形外科歯科で広く使用されており、壊れやすい素材です。このようなサンプルを作成するには、ニッケル化チタンの粉末と磁器塊が使用され、混合および乾燥した後、真空中で焼結されます。

劣化

NiTi 基合金のマルテンサイト変態は非熱プロセスであり、その速度は相の熱力学的平衡付近の温度変化速度によって完全に決定されます。したがって、形状記憶や変態塑性など、マルテンサイト変態に伴う NiTi のすべての特定の機械的効果は、適切な加熱および冷却条件下で非常に短時間で実現できます。高速デバイスでは、熱剤（液体または気体）との熱交換を促進するために、断面がミクロンの直線寸法を備えた薄ゲージのテープ、ワイヤー、パイプが使用されます。この場合、合金の自由表面の状態が非常に重要になります。組成の小さな変化でさえ、温度反応速度や変態の完全性が変化するため、元素の偏析や表面の酸化により、材料の特殊な特性が大きく変化します。この状況は、材料の予備的な熱処理または熱機械処理が必要なため、特に重要になります。

研究により、熱の影響下で自由表面にニッケル化チタンが発生する傾向が示されています。酸素を含む雰囲気下では合金が酸化し、主にTiO 2 酸化物を含む酸化物層が形成される。チタンは化学的に非常に活性であるため、酸素のない環境ではチタン原子が非不活性ガス、たとえば窒素雰囲気では窒化物と化合物を形成すると考えられます。粒界沿いおよび表面での酸化物の形成は、真空または不活性環境でサンプルを熱処理することによってのみ回避できます。

結論

記憶効果または形状記憶とは、塑性変形によって変化した製品を加熱したときに元の形状に戻す能力のことです。最もよく知られている形状記憶合金はニチノールです。

形状の復元は、金属材料の構造におけるマルテンサイト変態または可逆双晶によって引き起こされます。

マルテンサイト変態のメカニズムによって発生するメモリー効果の場合、合金が加熱されると、事前に変形された鋼の格子に応力が発生します。以前の形状の復元は、材料の変形した結晶格子と加熱中に形成されたマルテンサイト相との間に一貫性がある場合にのみ実行されます。相界面のコヒーレントな結晶格子では、合金の主相と結果として生じる相のセルの数は同じです (結晶格子の原子面の方向のみがわずかに異なります)。部分的にコヒーレントな格子では、原子面の交互配置の規則性が崩れ、いわゆる刃状転位が相境界に現れます。インコヒーレントな結晶格子では、原子面の方向が大きく異なります。マルテンサイト結晶の成長は、非一貫性の界面境界までのみ発生します。

鋼中のマルテンサイト相は、システム A の自由エネルギーが次の場合に形成されます。≠ 0. 鋼格子の弾性変形のエネルギーがその中のマルテンサイト相の形成エネルギーに等しい場合、A = 0 となり、マルテンサイト結晶の成長は終了します。この平衡は温度に依存し、熱弾性と呼ばれます。

2 番目のメカニズムによる形状の復元は、機械的負荷下での金属材料の結晶格子における双晶の形成と、加熱による双晶の消失に関連しています。マルテンサイト状態の鋼サンプルが変形すると、マルテンサイト結晶の再巻きまたは再配向が発生します。これにより、サンプルの形状が変化します。加熱すると初期結晶の構造と配向が復元され、製品の形状が復元されます。変形の臨界レベルを超えると不可逆的な双晶が形成され、その消滅は再結晶化中にのみ可能です。

熱弾性マルテンサイトを含む合金では、形状の完全な復元が観察されます。 Cu - Al - (Fe、Ni、Co、Mn)、Ni - Al、Ti - Ni、Ti - Au、Ti - Pd、Ti - Pt、Au - Cd、Ag - Cd、Cu - Zn - Al。

ニチノールはこれらの合金の 1 つです。チタン - ニッケル。ニチノールのメモリー効果の温度範囲は 550 ～ 600 ℃です。ニチノールの主な特性は次のとおりです。

弾性率 E=66.7…72.6 MPa;

抗張力σ =735...970MPa;

相対伸び l=2…27%;

比電気抵抗 ρ=65…76 μOhm× cm;

融解温度 Tmelt=1250…1310 ℃;

密度 d = 6440 kg/m 3。

形状記憶合金は、溶接やはんだ付けの必要性を排除する管状の永久接続、一定の圧力とそれに応じて接触抵抗を提供する電気接触接続用のワッシャー、自己拡張型宇宙船アンテナなどに使用されます。