Jedným zo základných vnímaní javov vonkajšieho sveta ľuďmi je trvanlivosť a spoľahlivosť kovových výrobkov a konštrukcií, ktoré si stabilne zachovávajú svoju funkčnú formu po dlhú dobu, pokiaľ, samozrejme, nie sú vystavené nadkritickým vplyvom.

Na rozdiel od zdravého rozumu však existuje množstvo materiálov, kovových zliatin, ktoré po zahriatí po predbežnej deformácii demonštrujú fenomén návratu do pôvodného tvaru. To znamená, že tieto kovy, ktoré nie sú živými bytosťami, majú špeciálnu vlastnosť, ktorá im umožňuje prejavovať určitý druh pamäte.

Fenomén

Na pochopenie efektu tvarovej pamäte stačí raz vidieť jeho prejav. Čo sa deje?

Ukážka efektu tvarovej pamäte
Je tam kovový drôt. Tento drôt je ohnutý.
Začneme zahrievať drôt. Pri zahriatí sa drôt narovná a obnoví svoj pôvodný tvar.

Podstata javu

Prečo sa to deje?

Podstata javu

Vo svojom počiatočnom stave má materiál určitú štruktúru. Na obrázku je to naznačené pravidelnými štvorčekmi.

Pri deformácii (v tomto prípade ohýbaní) sú vonkajšie vrstvy materiálu natiahnuté a vnútorné sú stlačené (stredné zostávajú nezmenené). Tieto predĺžené štruktúry sú martenzitické platne. Čo pri kovových zliatinách nie je nič neobvyklé. Nezvyčajné je, že v materiáloch s tvarovou pamäťou je martenzit termoelastický.

Pri zahriatí sa začína prejavovať termoelasticita martenzitových platní, čiže vznikajú v nich vnútorné napätia, ktoré majú tendenciu vracať konštrukciu do pôvodného stavu, teda stláčať podlhovasté platne a naťahovať sploštené.

Keďže vonkajšie podlhovasté platne sú stlačené a vnútorné sploštené platne natiahnuté, materiál ako celok podlieha sebadeformácii v opačnom smere a obnovuje svoju pôvodnú štruktúru a tým aj svoj tvar.

Charakteristika efektu tvarovej pamäte

Efekt tvarovej pamäte charakterizované dvoma veličinami.

  • Značka zliatiny s prísne udržiavaným chemickým zložením. (Pozri ďalej „Materiály s tvarovou pamäťou“)
  • Teploty martenzitické premeny.

V procese manifestácie efekt tvarovej pamäte zúčastniť sa martenzitické premeny dva typy - priame a reverzné. V súlade s tým sa každý z nich prejavuje vo svojom vlastnom teplotnom rozsahu: MN a MK - začiatok a koniec priama martenzitická premena pri deformácii, AN a AK - začiatok a koniec pri zahrievaní.

Teploty martenzitické premeny sú funkciou ako triedy zliatiny (systému zliatiny), tak aj jej chemického zloženia. Malé zmeny v chemickom zložení zliatiny (úmyselné alebo v dôsledku defektov) vedú k posunu týchto teplôt.

Z toho vyplýva potreba prísneho udržiavania chemického zloženia zliatiny pre jednoznačný funkčný prejav efekt tvarovej pamäte. Čím sa hutnícka výroba dostáva do sféry špičkových technológií.

Efekt tvarovej pamäte objaví sa niekoľko miliónov cyklov.

Predbežné tepelné úpravy možno posilniť efekt tvarovej pamäte.

Reverzibilné možné efekty tvarovej pamäte, keď si materiál „pamätá“ jeden tvar pri jednej teplote a iný pri inej teplote.

Čím vyššia je teplota reverzná martenzitická transformácia, tým menej výrazný efekt tvarovej pamäte. Napríklad slabé efekt tvarovej pamäte pozorované v zliatinách systému Fe-Ni (5 - 20%Ni), pri ktorých tepl reverzná martenzitická transformácia 200-400˚C.

Superelasticita

Ďalší fenomén úzko súvisiaci s efekt tvarovej pamäte je superelasticita.

Superelasticita- vlastnosť materiálu vystaveného zaťaženiu napätím výrazne prevyšujúcim medzu klzu úplne obnoviť svoj pôvodný tvar po odstránení zaťaženia.

Superelastické správanie je rádovo vyššie ako elastické správanie.

Superelasticita pozorované v teplotnom rozsahu medzi začiatkom priamej martenzitickej premeny a koncom reverznej.

Materiály s tvarovou pamäťou

Nikelid titánu

Líder medzi materiálmi s tvarová pamäť z hľadiska aplikácie a vedomostí je niklu titánu .

Nikelid titánu je intermetalická zlúčenina ekviatómového zloženia s 55 % hmotn. Ni. Teplota topenia 1240 - 1310 °C, hustota 6,45 g/cm3. Počiatočná štruktúra niklidu titánu je stabilná kubická mriežka centrovaná na telo typu CsCl a pri deformácii podlieha termoelastickým vlastnostiam. martenzitická transformácia s vytvorením fázy nízkej symetrie.

Iný názov pre túto zliatinu, prijatý v zahraničí, je nitinol pochádza zo skratky NiTiNOL, kde NOL je skratka pre US Naval Ordnance Laboratory, kde bol materiál v roku 1962 vyvinutý.

Prvok z niklu titánu môže vykonávať funkcie snímača aj akčného člena.

Nikelid titánu má:

  • Vynikajúca odolnosť proti korózii.
  • Vysoká pevnosť.
  • Dobré vlastnosti tvarovej pamäte. Vysoký koeficient obnovy tvaru a vysoká vratná sila. Deformácia do 8% môže byť úplne obnovená. Regeneračné napätie môže dosiahnuť 800 MPa.
  • Dobrá kompatibilita so živými organizmami.
  • Vysoká tlmiaca schopnosť materiálu.

nedostatky:

  • Vďaka prítomnosti titánu zliatina ľahko viaže dusík a kyslík. Aby sa zabránilo reakciám s týmito prvkami počas výroby, musí sa použiť vákuové zariadenie.
  • Spracovanie pri výrobe dielov je náročné, najmä rezanie. (Vysoká pevná zadná strana).
  • Vysoká cena. Na konci 20. storočia mal o niečo menšiu hodnotu ako striebro.

Pri súčasnej úrovni priemyselnej výroby sa výrobky z niklu titánu (spolu so zliatinami systému Cu-Zn-Al) našli široké praktické uplatnenie a predaj na trhu. (Pozri ďalej „Používanie materiálov s tvarovou pamäťou“).

Ostatné zliatiny

Koncom 20. stor efekt tvarovej pamäte bol nájdený vo viac ako 20 zliatinách. Okrem niklu titánu Effect tvarová pamäť zistené v systémoch:

  • Au-Cd. Vyvinutý v roku 1951 na University of Illinois, USA. Jeden z priekopníkov materiálov s tvarovou pamäťou.
  • Cu-Zn-Al. Spolu s niklu titánu má praktické uplatnenie. Teploty martenzitických premien v rozsahu od -170 do 100˚C.
    • Výhody (v porovnaní s niklu titánu):
      • Dá sa taviť v normálnej atmosfére.
      • Jednoduché rezanie.
      • Cena je päťkrát lacnejšia.
    • nedostatky:
      • Horšie z hľadiska charakteristík tvarovej pamäte.
      • Horšie mechanické a korózne vlastnosti.
      • Pri tepelnom spracovaní ľahko dochádza k hrubnutiu zrna, čo vedie k zníženiu mechanických vlastností.
      • Problémy stabilizácie zŕn v práškovej metalurgii.
  • Cu-Al-Ni. Vyvinuté na univerzite v Osake v Japonsku. Teploty martenzitická transformácia v rozmedzí od 100 do 200 °C.
  • Fe-Mn-Si. Zliatiny tohto systému sú najlacnejšie.
  • Fe-Ni
  • Cu-Al
  • Cu-Mn
  • Co-Ni
  • Ni-Al

Niektorí výskumníci tomu veria efekt tvarovej pamäte je v zásade možné pre akékoľvek materiály, ktoré podstupujú martenzitické premeny vrátane takých čistých kovov ako titán, zirkónium a kobalt.

Výroba niklu titánu

Tavenie prebieha vo vákuovej lebečnej peci alebo v elektrickej oblúkovej peci s tavnou elektródou v ochrannej atmosfére (hélium alebo argón). Vsádzka je v oboch prípadoch titánový jodid alebo titánová huba lisovaná do brikiet a niklu N-0 alebo N-1.

Na získanie jednotného chemického zloženia v priereze a výške ingotu sa odporúča dvojité alebo trojité pretavenie.

Optimálny režim chladenia pre ingoty, aby sa zabránilo praskaniu, je chladenie v peci (nie viac ako 10˚ za sekundu).

Odstraňovanie povrchových defektov - hrubovanie šmirgľom.

Na úplnejšie vyrovnanie chemického zloženia v celom objeme ingotu sa homogenizácia vykonáva pri teplote 950 - 1000 °C v inertnej atmosfére.

Aplikácia materiálov s efektom tvarovej pamäte

Titánové niklové spojovacie objímky

Objímka prvýkrát vyvinutá a predstavená spoločnosťou Raychem Corporation, USA, na pripojenie potrubí hydraulického systému vojenských lietadiel. V stíhačke je viac ako 300 tisíc takýchto spojení, ale nikdy sa neobjavili správy o ich poruchách.

Použitie takýchto puzdier je nasledovné:

Aplikácia spojovacích objímok
Puzdro je v pôvodnom stave pri teplote 20˚C.
Objímka je umiestnená v kryostate, kde sa pri teplote -196˚C vnútorné výčnelky rozširujú pomocou piestu.
Studená objímka je zvnútra hladká.

Pomocou špeciálnych klieští sa manžeta vyberie z kryostatu a umiestni sa na konce pripájaných rúrok.

Izbová teplota je teplota ohrevu pre dané zloženie zliatiny. Potom sa všetko deje „automaticky“. Vnútorné výstupky si „pamätajú“ svoj pôvodný tvar, narovnávajú sa a zarezávajú do vonkajšieho povrchu spájaných rúr.

Výsledkom je pevné vákuovo tesné spojenie, ktoré odolá tlaku až 800 atm.

V podstate tento typ spojenia nahrádza zváranie. A zabraňuje takým nevýhodám zvaru, ako je nevyhnutné zmäkčenie kovu a hromadenie defektov v prechodovej zóne medzi kovom a zvarom.

Okrem toho je tento spôsob spájania dobrý na konečné spojenie pri montáži konštrukcie, keď sa zváranie stáva ťažko dostupným kvôli prepletaniu komponentov a potrubí.

Tieto puzdrá sa používajú v letectve, kozmickom priemysle a automobilovom priemysle.

Táto metóda sa používa aj na spájanie a opravu podmorských káblových rúr.

V medicíne

  • Rukavice používané v rehabilitačnom procese a určené na reaktiváciu aktívnych svalových skupín s funkčnou nedostatočnosťou. Možno použiť v medzikarpálnych, lakťových, ramenných, členkových a kolenných kĺboch.
  • Antikoncepčné cievky, ktoré po zavedení získajú funkčnú formu vplyvom telesnej teploty.
  • Filtre na zavedenie do ciev obehového systému. Zavádzajú sa vo forme rovného drôtu pomocou rezača, po ktorom majú formu filtrov s daným umiestnením.
  • Svorky na zvieranie slabých žíl.
  • Umelé svaly, ktoré sú poháňané elektrickým prúdom.
  • Upevňovacie kolíky určené na upevnenie protéz ku kostiam.
  • Umelé predlžovacie zariadenie pre takzvané rastúce protézy u detí.
  • Výmena chrupky hlavy stehennej kosti. Náhradný materiál sa vplyvom guľovitého tvaru (hlavička stehennej kosti) stáva samoupínacím.
  • Tyčinky na korekciu chrbtice pri skolióze.
  • Dočasné upínacie fixačné prvky na implantáciu umelej šošovky.
  • Rám okuliarov. V spodnej časti, kde je sklo zaistené drôtom. Plastové šošovky pri chladnutí nevykĺznu. Rám sa pri utieraní šošoviek a dlhšom používaní nevyťahuje. Použitý efekt superelasticita.
  • Ortopedické implantáty.
  • Drôt na korekciu chrupu.

Tepelný alarm

  • Požiarny hlásič.
  • Požiarne klapky.
  • Poplašné zariadenia pre vane.
  • Sieťová poistka (ochrana elektrických obvodov).
  • Zariadenie na automatické otváranie a zatváranie okien v skleníkoch.
  • Nádrže kotla na tepelnú regeneráciu.
  • Popolník s automatickým odstraňovaním popola.
  • Elektronický stykač.
  • Systém na zabránenie výfuku plynov obsahujúcich palivové výpary (v automobiloch).
  • Zariadenie na odvod tepla z radiátora.
  • Zariadenie na zapnutie hmlových svetiel.
  • Regulátor teploty v inkubátore.
  • Nádoba na umývanie teplou vodou.
  • Regulačné ventily pre chladiace a vykurovacie zariadenia, tepelné stroje.

Iné aplikácie

  • Focus Boro, Japonsko, používa titánnikelid v pohonných zariadeniach pre rekordéry. Vstupný signál z rekordéra sa premieňa na elektrický prúd, ktorý zahrieva titánový niklový drôt. Predĺžením a stiahnutím drôtu sa pero záznamníka uvedie do pohybu. Od roku 1972 sa vyrobilo niekoľko miliónov takýchto kusov (údaje z konca 20. storočia). Keďže mechanizmus pohonu je veľmi jednoduchý, poruchy sú extrémne zriedkavé.
  • Elektronický kuchynský sporák konvekčného typu. Na prepínanie ventilácie medzi mikrovlnným ohrevom a cirkulačným teplovzdušným ohrevom slúži titánový niklový senzor.
  • Citlivý ventil pre izbovú klimatizáciu. Nastavuje smer vetra vo vetracom otvore klimatizácie na účely chladenia a kúrenia.
  • Kávovar. Stanovenie bodu varu, ako aj pre otáčanie ventilov a zapínanie a vypínanie.
  • Elektromagnetický kuchynský robot. Ohrev je produkovaný vírivými prúdmi, ktoré vznikajú na dne panvice pod vplyvom magnetických silových polí. Aby nedošlo k popáleniu, objaví sa signál, ktorý je poháňaný prvkom vo forme titánovej niklovej cievky.
  • Elektronická skladovacia sušička. Poháňa klapky počas regenerácie dehydratačného činidla.
  • Začiatkom roku 1985 začali úspešne dobývať trh zliatiny s tvarovou pamäťou, používané na výrobu rámov podprseniek. Kovový rám v spodnej časti košíčkov pozostáva z titánového niklového drôtu. Využíva sa tu vlastnosť superelasticity. Zároveň nie je cítiť prítomnosť drôtu, pôsobí dojmom mäkkosti a pružnosti. Pri deformácii (pri praní) ľahko obnoví svoj tvar. Predaj - 1 milión kusov ročne. Ide o jednu z prvých praktických aplikácií materiálov s tvarová pamäť.
  • Výroba rôznych upínacích nástrojov.
  • Tesnenie krytov mikroobvodov.
  • Vysoká účinnosť premeny práce na teplo pri martenzitických premenách (v niklide titánu) naznačuje použitie takýchto materiálov nielen ako vysoko tlmiacich, ale aj ako pracovnej tekutiny chladničiek a tepelných čerpadiel.
  • Nehnuteľnosť superelasticita Používa sa na vytváranie vysoko účinných pružín a akumulátorov mechanickej energie.

Literatúra

  • V. A. Likhachev a kol. „Efekt tvarovej pamäte“, Leningrad, 1987
  • A. S. Tikhonov a kol. „Aplikácia efektu tvarovej pamäte v modernom strojárstve“, M., 1981.
  • V. N. Khachin „Pamäť tvaru“, M., 1984

Nepružná deformácia bola dlho považovaná za úplne nezvratnú. Začiatkom 60. rokov 20. storočia. Bola objavená rozsiahla trieda kovových materiálov, v ktorých sa elementárny akt nepružnej deformácie uskutočňuje v dôsledku štrukturálnej transformácie. Takéto materiály majú reverzibilitu nepružnej deformácie. Fenomén spontánnej obnovy tvaru - efekt tvarovej pamäte(SME) - možno pozorovať ako za izotermických podmienok, tak aj pri zmenách teploty. Pri tepelných zmenách sa takéto kovové materiály môžu opakovane vratne deformovať.

Schopnosť obnoviť deformáciu nie je možné potlačiť ani pri vysokej sile. Úroveň reaktívnych napätí niektorých materiálov s SME môže byť 1 000... 1 300 MPa.

Kovy s SME patria medzi najvýraznejších predstaviteľov materiálov so špeciálnymi vlastnosťami. Zvýšený záujem o tento metalurgický jav je spôsobený unikátnou kombináciou vysokých konvenčných mechanických vlastností, odolnosti proti únave, odolnosti proti korózii a neobvyklých vlastností ako termomechanická pamäť, reaktívne napätie, založené na termoelastickej martenzitickej premene. Charakteristickým znakom zliatin s SME je výrazná závislosť väčšiny vlastností od štruktúry. Hodnoty fyzikálnych a mechanických charakteristík sa pri reverzibilnom fázovom prechode austenit-martenzit pre rôzne zliatiny niekoľkokrát menia, zvyčajne v teplotnom rozsahu -150...+ 150 °C.

Z veľkého počtu zliatin s SME sú pre praktickú aplikáciu najperspektívnejšie zliatiny Ti-Ni ekviatómového zloženia (rovnaký počet atómov), zvyčajne nazývané nikelid titánu alebo nitinol. Menej používané sú lacnejšie zliatiny na báze medi Cu-AI-Ni a Cu-Al-Zn.

Efekt tvarovej pamäte spočíva v tom, že vzorka, ktorá má určitý tvar v austenitickom stave pri zvýšenej teplote, sa deformuje pri nižšej teplote martenzitickej transformácie. Po prehriatí, sprevádzanom reverznou premenou, sa obnoví pôvodná charakteristická forma. Efekt tvarovej pamäte sa prejavuje v zliatinách charakterizovaných termoelastickou martenzitickou premenou, mriežkovou koherenciou počiatočnej austenitickej a martenzitickej fázy, relatívne malou transformačnou hysterézou, ako aj malými zmenami objemu pri premenách. V niklide titánu sú objemové zmeny asi 0,34 %, čo je rádovo menej ako v oceliach (asi 4 %).

Zliatiny s MSP sú často klasifikované ako takzvané inteligentné materiály, ktoré umožňujú vytvárať zásadne nové konštrukcie a technológie v rôznych odvetviach strojárstva, kozmickej a raketovej techniky, výroby prístrojov, energetiky, medicíny atď. zliatin s MSP.

Prieskum blízkeho a vzdialeného vesmíru je spojený s vytváraním orbitálnych staníc a veľkoplošnou výstavbou vesmíru. Je potrebné skonštruovať také objemné objekty, ako sú solárne panely a vesmírne antény. Na obr. Obrázok 1.1 znázorňuje schému kozmickej lode so samonasaditeľnými prvkami. Antény pozostávajú z plechu zliatiny Ti-Ni a tyče, ktoré sú zvinuté a umiestnené vo výklenku v umelom satelite. Po vypustení a uvedení satelitu na obežnú dráhu sa anténa zahrieva pomocou špeciálneho ohrievača alebo tepla slnečného žiarenia, v dôsledku čoho sa dostane do vesmíru.

Na umiestnenie rôznych technických zariadení, obytných a výrobných modulov je potrebné vybudovať veľké plošiny v podmienkach otvoreného priestoru. Dodanie objemných jednotiek do kozmického priestoru je technicky možné len po častiach s následnými montážnymi prácami. Metódy spájania dielov používané v hromadnej výrobe, ako je zváranie, spájkovanie, lepenie, nitovanie a iné, nie sú

Ryža. 1.1.

/ - anténa; 2 - solárna batéria; 3 - emitor energie; 4 - mechanický stabilizátor

Ryža. 1.2. Spojenie rúrkových dielov (/) pomocou spojky (2) z kovu s tvarovou pamäťou:O - pred montážou;b - po zahriatí

vhodné do vesmírnych podmienok. Na zabezpečenie mimoriadne vysokej bezpečnosti sú kladené špeciálne požiadavky.

Berúc do úvahy tieto vlastnosti, naša krajina vytvorila unikátnu technológiu spájania prvkov vo vesmíre pomocou spojky zo zliatiny TN-1. Touto technológiou bola úspešne zmontovaná priehradová konštrukcia z hliníkových zliatin s celkovou dĺžkou 14,5 m a prierezom v tvare štvorca so stranou 0,5 m.

Krov sa skladal z jednotlivých rúrkových dielov / priemer 28 mm, ktoré boli navzájom spojené pomocou spojky 2 z kovu s tvarovou pamäťou (obr. 1.2). Pomocou tŕňa sa spojka deformovala pri nízkej teplote tak, že jej vnútorný priemer bol väčší ako vonkajší priemer spájaných prvkov. Po zahriatí nad teplotu reverznej martenzitickej transformácie sa vnútorný priemer spojky obnovil na priemer, ktorý mala spojka pred expanziou. V tomto prípade vznikali značné tlakové reaktívne sily, spájané prvky boli plasticky deformované, čo zabezpečilo ich pevné spojenie. Montáž priehradového nosníka a jeho inštalácia na astrofyzikálnom module Kvant orbitálneho komplexu Mir sa uskutočnila v roku 1991 len v štyroch výstupoch do vesmíru a trvala celkovo asi deň.

Rovnaké konštrukčné princípy možno použiť na inštaláciu veľkých podmorských štruktúr na mori vo veľkých hĺbkach.

Spojky pre termomechanické spojenie potrubí sa používajú v mnohých prevedeniach (obr. 1.3). Slúžia na prepojenie hydraulických systémov stíhačky F-14 a neboli zaznamenané žiadne nehody spojené s únikom oleja. Výhodou spojok vyrobených zo zliatin s tvarovou pamäťou je okrem vysokej spoľahlivosti absencia vysokoteplotného ohrevu (na rozdiel od zvárania). Preto sa vlastnosti materiálov v blízkosti spoja nezhoršujú. Spojky ako toto

Ryža. 1.3. Spájanie rúr pomocou efektu tvarovej pamäte:

A - vkladanie rúr po rozšírení spojky; b- kúrenie

typu sa používajú na potrubia jadrových ponoriek a povrchových lodí, na opravu potrubí na čerpanie ropy z morského dna a na tieto účely sa používajú spojky s veľkým priemerom - asi 150 mm. V niektorých prípadoch sa na výrobu spojok používa aj zliatina Cu-Zn-A1.

Na trvalé spojenie dielov sa zvyčajne používajú nity a skrutky. Ak však nie je možné vykonať žiadne úkony na opačnej strane pripevňovaných dielov (napríklad v utesnenej dutej konštrukcii), vykonávanie pripevňovacích operácií sa stáva obtiažnym.

Zarážky vyrobené zo zliatiny s efektom tvarovej pamäte umožňujú v týchto prípadoch upevnenie pomocou priestorovej tvarovej obnovy. Zátky sú vyrobené zo zliatiny s efektom tvarovej pamäte a v počiatočnom stave má zátka otvorený koniec (obr. 1.4, A). Pred upevňovacou operáciou sa zátka ponorí do suchého ľadu alebo tekutého vzduchu a dostatočne sa ochladí, potom sa konce zátka vyrovnajú (obr. 1.4, obr. b). Zátka sa vkladá do pevného otvoru na upevnenie (obr. 1.4, V), keď teplota stúpne na izbovú teplotu, tvar sa obnoví, konce čapu sa rozchádzajú (obr. 1.4, d) a operácia upevnenia je dokončená.

Obzvlášť zaujímavé je použitie zliatin s tvarovou pamäťou v medicíne. Ich využitie otvára široké možnosti


Ryža. 1.4. Princíp činnosti zátky s tvarovou pamäťou umožňuje vytvárať nové účinné metódy liečby. Zliatiny používané v medicíne musia mať nielen vysoké mechanické vlastnosti. Nesmú podliehať korózii v biologickom prostredí, musia byť biologicky kompatibilné s tkanivami ľudského tela, musia zabezpečovať absenciu toxicity, karcinogenity, odolávať tvorbe krvných zrazenín, pričom si tieto vlastnosti dlhodobo zachovávajú. Ak je implantovaný orgán vyrobený z kovu aktívny vo vzťahu k biologickej štruktúre, dochádza k degenerácii (mutácii) biologických buniek periférnej štruktúry, k zápalovému návalu krvi, zhoršenému obehu a následne nekróze biologickej štruktúry. Ak je implantovaný orgán inertný, potom sa okolo neho objaví vláknitá štruktúra spôsobená kolagénovými vláknami vytvorenými z vláknitých zárodočných buniek. Implantovaný orgán je pokrytý tenkou vrstvou tejto vláknitej štruktúry a môže stabilne existovať v biologických organizmoch.

Špeciálne experimenty uskutočnené na zvieratách ukázali, že zliatiny na báze systému Ti-Ni majú biokompatibilitu na úrovni alebo aj vyššej ako bežne používané koróziivzdorné ocele a zliatiny kobalt-chróm a môžu byť použité ako funkčné materiály v biologických organizmoch. Použitie zliatin s SME na ošetrenie ukázalo ich dobrú kompatibilitu s tkanivami a absenciu odmietavých reakcií biologickými štruktúrami ľudského tela.

Korekcia chrbtice. Rôzne zakrivenia chrbtice, vrodené aj spôsobené zvykom alebo bolestivým stavom, vedú k ťažkej deformácii pri chôdzi. To spôsobuje nielen silnú bolesť, ale má aj škodlivý účinok na vnútorné orgány. V ortopedickej chirurgii sa korekcia chrbtice zvyčajne vykonáva pomocou Charintonovej tyče, vyrobenej z nehrdzavejúcej ocele. Nevýhodou tejto metódy je, že počiatočná korekčná sila časom klesá. 20 minút po inštalácii sa opravná sila zníži o 20% a po 10-15 dňoch - až o 30% originálu. Dodatočná úprava sily si vyžaduje opakované bolestivé operácie a nie vždy dosiahne cieľ. Ak sa pre palicu Kharinton použije zliatina s SME, potom je možné tyč nainštalovať raz a nie je potrebný opakovaný chirurgický zákrok. Ak sa po chirurgickom zákroku Charintonova tyč zahreje na teplotu mierne vyššiu ako je telesná teplota, potom je možné vytvoriť potrebnú korekčnú silu. Na tento účel sú účinné zliatiny na báze Ti-Ni s prídavkom Cu, Fe a Mo, ktoré po obnovení svojho tvaru vykazujú vysokú elasticitu v teplotnom rozsahu.

Korekčné zariadenia s takýmito zliatinami vytvárajú konštantný tlak na chrbticu počas celej doby liečby, bez ohľadu na posunutie podporných bodov zariadenia.

Doska na spojenie kostí. Metódy lekárskej starostlivosti v prípade zlomenín kostí spočívajú v použití dosiek z nehrdzavejúcej ocele alebo zliatin Co-Cr na fixáciu zóny zlomeniny v stave, keď na kosť pôsobí tlaková sila.

Ak sa pre spojovaciu platňu použije zliatina s efektom tvarovej pamäte, potom je možné pevne fixovať oblasť zlomeniny vonkajším zahriatím platne na teplotu mierne vyššiu ako je telesná teplota po operácii a nie je potrebné vykonávať pozdĺžnu kompresiu kosti počas operácie.

Vnútrokostné kolíky. Takéto kolíky sa používajú pri poskytovaní lekárskej starostlivosti pri zlomeninách holennej kosti. Okrem toho sa do kostnej drene vkladajú kolíky, vyrobené hlavne z nehrdzavejúcej ocele, čím sa kosť fixuje. Pri použití tejto metódy je kosť fixovaná vďaka elastickým vlastnostiam korózie odolnej ocele, preto je potrebné vložiť čap s väčším priemerom ako je priemer otvoru, aby sa vytvoril veľký stupeň deformácie. V tomto ohľade existuje riziko poškodenia tkaniva v oblasti, do ktorej je kolík zavedený.

Operácia je zjednodušená pri použití zliatin s tvarovou pamäťou na báze Ti-Ni pre kolíky. Predchladené kolíky obnovujú svoj pôvodný tvar pri telesnej teplote, čím sa zvyšuje stupeň fixácie.

Zariadenia na skeletovú trakciu. Vlastnosť materiálu pri obnove jeho tvaru sa využíva na vytváranie významných napätí v danom teplotnom rozsahu.

Zariadenia sa používajú na účinnú liečbu zlomenín kostí prostredníctvom kontinuálnej aj diskrétnej kostrovej trakcie.

Drôt na korekciu polohy zubov. Na korekciu polohy zubov, napríklad pri maloklúzii, sa používa drôt vyrobený z nehrdzavejúcej ocele, ktorý vytvára elastickú silu.

Nevýhodou korekčného drôtu je nízka elastická ťažnosť a v dôsledku toho plastická deformácia. Pri výrobe drôtu zo zliatiny Ti-Ni ani pri elastickej deformácii 10% nedochádza k plastickej deformácii a je zachovaná optimálna korekčná sila.

Technologický pokrok je spojený s neustálym zvyšovaním spotreby elektrickej energie. Obmedzené zásoby fosílnych palív, prekonanie energetickej krízy a prijateľné náklady na výrobu elektriny si vyžiadali využitie jadrovej energie a rozsiahlu výstavbu jadrových elektrární (JE) vo všetkých vyspelých krajinách sveta. Jadrová energia je energiou budúcnosti.

Podľa princípu činnosti sa jadrové elektrárne a tepelné elektrárne (TPP) navzájom málo líšia. V jadrových elektrárňach a tepelných elektrárňach sa voda privádza do varu a vznikajúca para sa privádza na lopatky vysokorýchlostnej turbíny, čím sa otáča. Hriadeľ turbíny je spojený s hriadeľom generátora, ktorý pri otáčaní vyrába elektrickú energiu. Rozdiel medzi jadrovými elektrárňami a tepelnými elektrárňami je spôsob ohrevu vody do varu. Ak sa v tepelných elektrárňach spaľuje uhlie alebo vykurovací olej na ohrev vody, tak v jadrových elektrárňach sa na tento účel využíva tepelná energia riadenej reťazovej reakcie štiepenia uránu.

Ľahké vodné reaktory (LWR) sa v súčasnosti používajú vo väčšine krajín na výrobu elektriny. Reaktory tohto typu majú dve modifikácie: tlakovodné reaktory (PWR) a varné reaktory (BWR), z ktorých najbežnejšie sú tlakovodné reaktory.

Na obr. Obrázok 1.5 znázorňuje schému jadrovej elektrárne vybavenej ľahkovodným reaktorom (s vodou pod tlakom). Nádoba 9 reaktora obsahuje jadro 10 a prvý okruh. V primárnom okruhu cirkuluje voda, ktorá je chladivom a spomaľuje sa


Ryža. 1.5. Schéma prevody teplo medzi Prvky stanice PWR:

1 - betónová škrupina; 2 - plášť vyrobený z nehrdzavejúcej ocele; 3 - turbína; 4 - generátor; 5 - chladiaca veža; 6 - kondenzátor; 7 - parný generátor; 8 - obehové čerpadlo; 9 - nádoba reaktora; 10 - aktívna zóna; 11 - kompenzátor tlaku; 12 - ľahký kontajner. Voda odvádza teplo z aktívnej zóny do teplovýmennej zóny (parogenerátor 7), kde sa teplo odovzdáva druhému okruhu, v ktorom vzniká para. V generátore dochádza k premene energie 4, kde sa para používa na výrobu elektriny. Primárny okruh so všetkými potrubiami a komponentmi je uzavretý v špeciálne navrhnutom kontajneri 12. Týmto spôsobom sú od okolitého prostredia izolované všetky rádioaktívne štiepne produkty, ktoré môžu uniknúť z paliva do primárnej vody.

V primárnom okruhu je voda pod tlakom 15,5 MPa a s maximálnou teplotou 315 °C. Tieto podmienky zabraňujú varu vody, pretože bod varu vody pri tlaku 15,5 MPa je výrazne vyšší ako 315 ° C.

V každom reaktore je 16-25 článkov (v závislosti od konštrukcie) ponechaných voľných pre riadiace tyče. Pohybujú sa pomocou riadiacej tyče prechádzajúcej cez kryt nádoby reaktora. Para vychádzajúca z turbíny 3, kondenzuje vo vodou chladenom kondenzátore 6, v ktorej sa odvádza zvyšná tepelná energia. Niektoré chladiace systémy využívajú chladiace veže.

Náklady na vybavenie stanice, ktoré vyrába a prenáša energiu (reaktorová nádoba, výmenníky tepla, čerpadlá, nádrže, potrubia) predstavujú približne 90 % nákladov stanice. Zariadenia musia byť správne navrhnuté a vyrobené z materiálov, ktoré sú ekonomické, ale zaručene spoľahlivé.

Jadrová energetika kladie zvýšené nároky na použité konštrukčné materiály, technológiu ich výroby a sledovanie výkonu. Pri vystavení žiareniu podliehajú konštrukčné materiály štrukturálnym premenám, ktoré majú negatívny vplyv predovšetkým na mechanické vlastnosti a odolnosť proti korózii. Zo všetkých druhov žiarenia (neutróny, A- a p-častice, y-žiarenie), ožarovanie neutrónmi má najsilnejší účinok.

Materiály odolné voči žiareniu Ide o materiály, ktoré si zachovávajú stabilitu štruktúry a vlastností v podmienkach neutrónového ožiarenia (tab. 1.11).

Rýchlosť korózie zliatin na báze hliníka vo vodnom prostredí v podmienkach ožiarenia sa zvyšuje 2-3 krát. Austenitické chrómniklové ocele sú náchylné na medzikryštalickú koróziu a korózne praskanie vo vlhkej pare.

Najnebezpečnejším dôsledkom žiarenia je radiačný opuch. Na obr. 1.6 uvádza charakteristiky radiačného napučiavania mnohých druhov ocelí a zliatin. Opuch možno potlačiť štrukturálne nútenou rekombinantnou tabuľkou 1.11

Vplyv neutrónového žiarenia na rôzne materiály

Integrálny tok rýchlych neutrónov, neutrón/cm2

Materiál

Vystavenie žiareniu

Polytetrafluóretylén, podlaha a metylmetakrylát a celulóza

Znížená elasticita

Organické

kvapaliny

Uvoľňovanie plynu

Zvýšenie medze klzu

Polystyrén

Zníženie pevnosti v ťahu

Keramické

materiálov

Znížená tepelná vodivosť, hustota, kryštalinita

Plasty

Nevhodné na použitie ako stavebný materiál

Uhlík

Výrazné zníženie ťažnosti, zdvojnásobenie medze klzu, zvýšený prechod z tvárneho lomu na krehký

Ocele odolné voči korózii

Trojnásobné zvýšenie medze klzu

hliník

Znížená ťažnosť bez úplného skrehnutia

kovom v dôsledku kontinuálneho rozkladu tuhého roztoku s určitou dilatáciou na rozhraní matrice so vzniknutou sekundárnou fázou. Silné štrukturálne napäťové polia vznikajúce počas rozpadu podporujú rekombináciu radiačných defektov a výrazne znižujú opuch. Vyvinuté disperzné vytvrdzovanie je spôsob, ako potlačiť radiačný opuch.

Radiačnú odolnosť materiálov reaktora možno dosiahnuť, ak je splnený súbor podmienok. Tie obsahujú


Ryža. 1.6.

V- objem; DR - zmena objemu

optimálne chemické zloženie a štruktúra materiálov, podmienky ich fungovania: úrovne prevádzkovej teploty, toku neutrónov a vlastnosti korózneho prostredia.

Každý kov a zliatina má svoju vlastnú kryštálovú mriežku, architektúru a rozmery.
ktoré sú prísne špecifikované. Pri mnohých kovoch pri zmenách teploty a tlaku mriežka nie
zostáva rovnaký a prichádza moment, kedy nastáva jeho reštrukturalizácia. Taká zmena
typ kryštálovej mriežky - polymorfná transformácia - môže byť vykonaná dvoma
spôsoby:
1) pri vysokých teplotách v dôsledku difúzie s vysokou atómovou mobilitou;
2) pri nízkej teplote v dôsledku kolektívneho, koordinovaného pohybu atómov, ktorý
vedie k zmene tvaru objemu zliatiny (bezdifúzne šmykové termoelastické mar-
tenzitická premena so vznikom novej kryštálovej mriežky – martenzitu).
Pri vysokých teplotách v austenitickom stave má zliatina kubickú mriežku.
Po ochladení zliatina prechádza do martenzitickej fázy, v ktorej sa stávajú mriežkové bunky
so skosenými rovnobežnostenami. Pri zahrievaní sa obnoví austenitová fáza a s ňou
Pôvodný tvar zliatinového produktu s tvarovou „pamäťou“ je tiež obnovený.
Martenzitická transformácia je jednou zo základných metód reštrukturalizácie kryštálov
mriežka v neprítomnosti difúzie, charakteristická pre ocele, čisté kovy, neželezné
zliatiny, polovodiče, polyméry.
„Pamäťový“ efekt – obnovenie pôvodného tvaru a veľkosti kryštálov po
ich zmeny počas deformácie v dôsledku termoelastickej martenzitickej premeny
pri tepelnom spracovaní podľa určitého režimu.
Zmena tvaru je hlavným znakom martenzitickej transformácie, ktorá je spojená s účinkom
účinok „pamäte“ zliatin, nevyhnutná podmienka, ktorá však nestačí na prejav „pamäte“.
Voľná ​​energia kryštálov martenzitu je menšia ako v počiatočnej fáze, ktorá stimuluje
rozvoj martenzitického prechodu. Prechod je spomalený kvôli vzhľadu rozhrania
staré a nové fázy a zvyšovanie voľnej energie. Rastúce kryštály martenzitickej fázy
deformovať okolitý objem, ktorý tomu odoláva. Objaví sa elastická energia
zabraňuje ďalšiemu rastu kryštálov. Keď táto energia prekročí medzu pružnosti
hostí, dochádza k intenzívnej deformácii materiálu v blízkosti fázového rozhrania a
rast kryštálov sa zastaví. V oceliach proces prebieha takmer okamžite (individuálne
kryštály martenzitu dorastajú do konečnej veľkosti).
Reverzný prechod martenzitu na austenit (vysokoteplotná fáza, bez difúzie
šmykové preskupenie mriežky je náročné), dochádza pri vysokých teplotách, keď je v otvorenom ohnisku
kryštály austenitu rastú na site bez toho, aby prešli do svojej pôvodnej formy (atómy nespadajú do svojej
predchádzajúce miesta).
V zliatinách s „pamäťou“ pri ochladzovaní rastú kryštály martenzitu pomaly, pri
pri zahrievaní postupne miznú, čo zabezpečuje dynamickú rovnováhu rozhrania
medzi nimi a počiatočnou fázou. Hranica medzi fázami sa správa podobne, ak chladenie
Nahraďte vykurovanie a vykurovanie aplikáciou a odstránením záťaže - termoelastické
rovnováha fáz v pevnej látke.
Termoelastická martenzitická premena je sprevádzaná reverzibilnou zmenou tvaru
austenitové kryštály, ktoré poskytujú hlavne „pamäť“ kovov.
56 Inteligentné polymérové ​​materiály (IPM)
Priamym dôsledkom termoelastickej martenzitickej premeny je reverzibilná
zmena tvaru tuhej látky v dôsledku periodického ochladzovania a zahrievania (tepelné
motor). Kovy s „pamäťou“ (napríklad nitinol) si „pamätajú“ svoj originál
tvar pri zahriatí po predbežnej deformácii vzorky.
Do konca 60. rokov 20. storočia. v oblasti fyzikálneho výskumu a techniky
aplikácie efektu tvarovej „pamäte“ v zliatinách.
Existujú stovky zliatin s martenzitickou premenou, ale počet zliatin, kde je vplyv
„Pamäť“ formulára má malý praktický význam. Kolektívne hnutie
atómy v určitom smere, sprevádzané spontánnymi (martenzitickými)
neu) deformácia materiálu (reorganizácia mriežky), pri ktorej je blízkosť a medziatom
väzby atómov nie sú prerušené (zostáva možnosť vrátiť sa na predchádzajúce pozície,
do pôvodnej podoby), prebieha len za určitých podmienok. „Pamäť“ jednotlivca
kryštál ešte nie je spomienkou na celý objem zliatiny, ktorý má zvyčajne polykryštalický
osobnú štruktúru.
Jednotlivé kryštality (zrná) sa líšia orientáciou svojich kryštálových mriežok.
K posunu atómov počas martenzitickej transformácie dochádza v mriežke pozdĺž určitých rovín.
kosti a smery. V dôsledku rozdielnej orientácie zŕn dochádza k šmyku v každom zrne
v rôznych smeroch a napriek značnej deformácii jednotlivých kryštálov,
vzorka ako celok nezaznamená výraznú zmenu tvaru. Toto sa stane, keď
ak sú kryštály orientované rovnakým smerom. Riadiaca sila, ktorá pri mar-
Tenzitová transformácia organizuje preferenčnú organizáciu kryštálov, je
vonkajšie zaťaženie.
Počas martenzitickej premeny sa atómy pohybujú smerom von
zaťaženie (vzorka ako celok podlieha deformácii). Proces pokračuje až do
celý materiál sa nedeformuje v smere sily bez porušenia medziatómovej
väzby a porušenie blízkosti atómov. Po zahriatí sa vrátia do svojej pôvodnej polohy,
obnovenie pôvodného tvaru celého objemu materiálu.
„Pamäťový“ efekt je založený na termoelastickej fázovej rovnováhe a ovládaní
zaťaženie. Špeciálnym termomechanickým spracovaním zliatin vzniká mikro-
napätí, ktorých pôsobenie pri martenzitických prechodoch je podobné pôsobeniu vonkajších
zaťaženie. Po ochladení získa zliatina po zahriatí spontánne jeden tvar
sa vráti do pôvodného stavu (platnička sa pri chladení, zahrievaní skrúti do krúžku -
otočí alebo naopak).
Materiály s tvarovou pamäťou môžu vykazovať superplasticitu (významná de-
útvary, kedy je martenzitická premena spôsobená pôsobením vonkajšieho zaťaženia, a
nie chladením, ktoré sa používa na vytvorenie pružinových tlmičov a batérií
mechanická energia), majú vysokú cyklickú pevnosť (nedochádza k akumulácii
štrukturálne chyby) a vysoká schopnosť rozptyľovať mechanickú energiu (pri otvorenom ohnisku
sitové transformácie, reštrukturalizácia kryštálovej mriežky je sprevádzaná uvoľnením
alebo absorpciu tepla, ak vonkajšie zaťaženie spôsobí martenzitickú premenu, potom
mechanická energia sa mení na tepelnú energiu; s pamäťovými efektmi sa pozoruje aj proces
premena tepla na prácu).
Zmena tvaru (s periodickými zmenami teploty) kovov s pamäťou
sprevádzaný prejavom mocných medziatómových síl. Expanzný tlak materiálov
tento typ dosahuje 7 t/cm2. V závislosti od typu materiálu výrobky rôznych veľkostí
a konfigurácie sa ohýbajú, rozťahujú, krútia (tvar je možné naprogramovať).
Medzi kovy s tvarovou pamäťou patria zliatiny nitinol, nitinol-55 (so železom), nikelid
titán VTN-27, zliatiny titánu VT-16, VT23 (tepelné spracovanie podľa osobitného režimu, v 2.–3.
krát lacnejšia a 1,5 krát ľahšia ako titánnikelid), zliatina na báze titánu s 28–34 % mangánu a
5–7 % kremík, terfenol (magnetostrikčná zliatina, tlmí vibrácie pri nízkych frekvenciách
vibrácie).
Inteligentné polymérové ​​materiály (IPM) 57
Zliatiny na báze mangánu majú teplotný rozsah maximálnej tepelnej citlivosti
mäkkosť pri 20–40 °C a obnovenie požadovaného tvaru v teplotnom rozsahu od
-100 až 180 °C
Zliatiny systému Cu-Zn- boli získané práškovou metalurgiou (Fukuda Metal Co.).
Al s efektom tvarovej pamäte spekaním (700 MPa, 900 °C, 0,1 hm. % fluoridu hlinitého
práškov Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) a zliatin medi (zrnitosť 20–100 µm). Zliatina
obnovuje svoj tvar po natiahnutí o 10%.
Pri ochladzovaní prechádza zliatina do martenzitickej fázy, v ktorej sa vďaka zmene
v závislosti od geometrických parametrov buniek kryštálovej mriežky sa stáva plastickou a kedy
mechanický náraz, môže byť daný výrobok vyrobený zo zliatiny s „pamäťou“ (nitinol atď.).
prakticky akúkoľvek konfiguráciu, ktorá sa bude udržiavať až do teploty
prekročí kritickú hodnotu, pri ktorej sa martenzitická fáza stáva energeticky nevýhodnou,
zliatina prechádza do austenitickej fázy s obnovením pôvodného tvaru výrobku. však
deformácie by nemali presiahnuť 7–8 %, inak sa tvar úplne neobnoví.
Boli vyvinuté zliatiny nitinolu, ktoré si súčasne „pamätajú“ tvar výrobkov,
zodpovedajúce vysokým a nízkym teplotám. Pamäťový efekt v zliatinách nitinolu
jasne definované a teplotný rozsah je možné presne nastaviť v rozsahu od
koľko stupňov až desiatok stupňov, zavádzanie modifikujúcich prvkov do zliatin však
rozpätie cyklickosti, počet riadených deformácií (iterácií) nepresahuje 2000,
po ktorých zliatiny strácajú svoje vlastnosti.
Vodivé vlákna tvorené z filamentov s priemerom 50 mikrónov zliatin
s nanočasticami titánu a niklu zmeniť dĺžku o 12–13 % počas 5 miliónov iterácií a
používa sa v umelých svaloch. Nano svalový aktivátor, Nano
Muscle, USA, Johnson Electric, KHP, 2003) vyvíja tisíckrát väčšiu silu ako
ľudské svaly a 4000-krát rýchlejšie ako elektromotor pri rýchlosti aktivácie
0,1 sekundy s plynulým prechodom z jedného stavu do druhého pri danej rýchlosti (mik
roprocesorové riadenie).
Boli vyvinuté materiály s magnetomechanickou pamäťou (magnetoelastické martenzitické
prechod je stimulovaný magnetickým poľom priamo alebo v kombinácii s teplotou
a záťažou) a elektromechanickou pamäťou (martenzitická premena je sprevádzaná
kvalitatívna zmena vlastností, vodič-polovodič, paramagneticko-železné prechody
romagnet), ktorý je perspektívny pre vytváranie MI akčných členov pre rádiotechnické účely
znížiť radarový podpis.

Moskovská štátna univerzita

ich. M. V. Lomonosová

Materiálová fakulta

Téma: "Materiály s tvarovou pamäťou."

Študent V-ročníka FNM

Kareeva I.E.

Moskva 2000

Úvod ………………………………………………………… 2

Mechanizmus implementácie efektu tvarovej pamäte.......3

Oblasti použitia………………………………………………………………..7

Príprava zliatin s tvarovou pamäťou………………………..9

Degradácia…………………………………………………………………..10

Záver……………………………………………………………………….. 11

Referencie………………………………………………………………..12

Úvod.

Materiály s tvarovou pamäťou (MSM) boli objavené koncom 60. rokov tohto storočia. Za 10 rokov (koniec 70. - začiatok 80. rokov) sa vo vedeckých časopisoch objavilo množstvo správ popisujúcich rôzne možnosti ich využitia. V súčasnosti sú pre MPF definované funkčné vlastnosti: jedno- a obojsmerný pamäťový efekt, pseudo- alebo superelasticita, vysoká schopnosť tlmenia.

MPF už našli široké uplatnenie v medicíne ako dlhodobo fungujúce materiály implantované do tela. Vykazujú vysoké elastické vlastnosti, sú schopné meniť svoj tvar pri zmenách teploty a nedeformujú sa pri striedavom zaťažení. Komplexná povaha fázových premien martenzitického typu vyskytujúcich sa v zliatinách na báze niklidu titánu sa jasne prejavuje v poréznych štruktúrach. Fázové prechody v takýchto zliatinách sú charakterizované širokou hysterézou a dlhým teplotným rozsahom, v ktorom materiál vykazuje tvarovú pamäť a superelasticitu. Okrem zliatin na báze Ni-Ti existujú martenzitické premeny napríklad v systémoch ako Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

V závislosti od teploty martenzitickej transformácie a mechanických vlastností majú zliatiny s tvarovou pamäťou širokú škálu aplikácií.


Mechanizmus implementácie efektu tvarovej pamäte.

Martenzit.

Martenzit je štruktúra kryštalických pevných látok, ktorá vzniká v dôsledku šmykovej, bezdifúznej polymorfnej premeny pri ochladzovaní. Pomenovaný po nemeckom metalurgovi Martensovi (1850 - 1914). V dôsledku deformácie mriežky počas tejto transformácie sa na povrchu kovu objaví reliéf; v objeme vznikajú vnútorné napätia a dochádza k plastickej deformácii, ktorá obmedzuje rast kryštálu. Rýchlosť rastu dosahuje 10 3 m/s a nezávisí od teploty, takže rýchlosť tvorby martenzitu zvyčajne obmedzuje nukleáciu kryštálov. Protipôsobenie vnútorných napätí posúva nukleáciu kryštálov hlboko pod bod termodynamickej rovnováhy fáz a môže zastaviť transformácie pri konštantnej teplote; preto sa množstvo vytvoreného martenzitu zvyčajne zvyšuje so zvyšujúcim sa podchladením. Keďže elastická energia musí byť minimálna, kryštály martenzitu majú formu dosiek. Vnútorné napätia sa tiež uvoľňujú plastickou deformáciou, takže kryštál obsahuje veľa dislokácií (až 10 12 cm -2), prípadne sa rozpadá na dvojčatá s hrúbkou 100 - 1000 Å. Vnútrozrnné hranice a dislokácie posilňujú martenzit. Martenzit je typickým produktom nízkoteplotných polymorfných premien v čistých kovoch (Fe, Co, Ti, Zr, Li a iné), v tuhých roztokoch na ich báze, v intermetalických zlúčeninách (CuZn, Cu 3 Al, NiTi, V 3 Si , AuCd).

Martenzitické premeny.

Intermetalické zlúčeniny Ni-Ti so zložením blízkym eutektiku sa vyznačujú prechodom z kubickej (austenitická fáza) do monoklinickej (martenzitickej) fázy pri izbovej teplote. Takéto transformácie sa zvyčajne vyskytujú v zliatinách pri vysokých napätiach, ale v dôsledku pamäťového efektu alebo superelasticity môže dôjsť k transformáciám aj pri nízkych napätiach. Austenitické zliatiny Ni-Ti vykazujú superelastické správanie pri mechanickom zaťažení a ťahu (8 %) spôsobených martenzitickou transformáciou. Po odľahčení sa martenzit stáva nestabilným a mení sa na austenit s kompenzáciou všetkých makroskopických napätí.

Martenzitická transformácia je polymorfná transformácia, pri ktorej dochádza k zmene vzájomného usporiadania atómov, ktoré tvoria kryštál, prostredníctvom ich usporiadaného pohybu a relatívne posuny susedných atómov sú malé v porovnaní s medziatómovou vzdialenosťou. Reštrukturalizácia kryštálovej mriežky v mikroregiónoch zvyčajne vedie k deformácii jej bunky a konečná fáza martenzitickej transformácie je rovnomerne deformovaná počiatočná fáza. Veľkosť deformácie je malá (~ 1-10 %), a preto je energetická bariéra, ktorá bráni rovnomernému prechodu počiatočnej fázy do konečnej fázy, malá v porovnaní s väzbovou energiou v kryštáli. Nevyhnutnou podmienkou martenzitickej premeny, ktorá sa vyvíja tvorbou a rastom oblastí stabilnejšej fázy v metastabilnej fáze, je zachovanie usporiadaného kontaktu medzi fázami. Usporiadaná štruktúra medzifázových hraníc s malou bariérou pre rovnomerný fázový prechod zabezpečuje ich nízku energiu a vysokú mobilitu. V dôsledku toho je prebytočná energia potrebná na nukleáciu kryštálov novej fázy (martenzitické kryštály) malá a pri určitej odchýlke od fázovej rovnováhy sa stáva porovnateľnou s energiou defektov prítomných v počiatočnej fáze. Nukleácia martenzitických kryštálov preto nastáva vyššou rýchlosťou a nemusí vyžadovať tepelné výkyvy. Významnú úlohu pri martenzitickej transformácii zohrávajú vnútorné napätia vznikajúce v dôsledku elastickej adaptácie kryštálových mriežok spájajúcich sa pozdĺž fázových rozhraní. Elastické napäťové polia vedú k posunutiu bodu rovnováhy interagujúcich fáz vzhľadom na polohu skutočnej termodynamickej rovnováhy pre izolované, neskreslené fázy; V súlade s tým sa teplota, pri ktorej začína martenzitická transformácia, môže výrazne líšiť od skutočnej rovnovážnej teploty. Túžba minimalizovať energiu elastického napätia určuje morfológiu, vnútornú štruktúru a relatívnu polohu kryštálov martenzitu. Nová fáza je vytvorená vo forme tenkých dosiek, orientovaných určitým spôsobom vzhľadom na kryštalografické osi. Platne spravidla nie sú jednotlivé kryštály, ale sú to balíky planparalelných domén - oblastí novej fázy, ktoré sa líšia orientáciou kryštálovej mriežky (dvojičky). Interferencia napäťových polí z rôznych domén vedie k ich čiastočnému zničeniu. Ďalšie zníženie elastických polí sa dosiahne vytvorením súborov pravidelne usporiadaných dosiek. To znamená, že v dôsledku martenzitickej transformácie vzniká polykryštalická fáza so zvláštnym hierarchickým usporiadaním (zostavy - dosky - domény) v usporiadaní štruktúrnych komponentov. Zvýšenie vnútorných napätí pri martenzitickej premene za určitých podmienok vedie k nastoleniu dvojfázovej termoelastickej rovnováhy, ktorá sa pri zmene vonkajších podmienok reverzibilne posúva: vplyvom mechanického zaťaženia alebo pri zmene teploty sa veľkosť jednotlivých kryštálov a ich zmena čísla. Martenzitické premeny sa nachádzajú v mnohých kryštalických materiáloch: čisté kovy, početné zliatiny, iónové, kovalentné a molekulárne kryštály.

Veľké vyhliadky sú reverzibilné tvarové zmeny pri martenzitickej premene (vytvorenie superelastických zliatin, ktoré po plastickej deformácii po zahriatí obnovia svoj pôvodný tvar – pamäťový efekt), ako aj súvislosť medzi martenzitickou premenou a objavením sa supravodivých vlastností v niektorých kovoch. . Martenzitické premeny tvoria základ mnohých štruktúrnych premien, vďaka ktorým sa pomocou tepelného a mechanického spracovania uskutočňuje riadená zmena vlastností kryštalických materiálov.

Vlastnosti poréznych zliatin niklu titánu.

Prítomnosť širokého teplotného rozsahu martenzitickej transformácie v poréznom niklide titánu v porovnaní s odlievaným titánom sa odráža v teplotných krivkách elektrického odporu. Ukázalo sa, že martenzitický prechod je v poréznych zliatinách neúplný a vyskytuje sa v širšom teplotnom rozsahu ako v odlievaných zliatinách. Dôležitým znakom porézneho niklidu titánu v porovnaní s neporéznou (liatou) zliatinou rovnakého zloženia je teda široký teplotný rozsah fázových premien. Je približne 250 0 C, teda výrazne presahuje rozsah (30-40 0 C) premien odlievanej zliatiny. Nárast teplotného rozsahu fázových premien je spôsobený štruktúrou porézneho niklidu titánu. Faktor veľkosti je tiež významný, pretože martenzitická transformácia v tenkých mostíkoch a masívnych oblastiach sa prejavuje odlišne. Pôsobenie týchto faktorov vedie k tomu, že fázové transformácie v poréznych materiáloch na báze niklu titánu začínajú v rôznych oblastiach pri rôznych teplotách, čím sa hysterézia rozširuje pozdĺž teplotnej osi, zodpovedajúcim spôsobom sa rozširujú teplotné rozsahy transformácií a intervaly prejavu tvarovej pamäte. efekty a superelasticita v poréznych zliatinách na báze niklidového titánu.


Obr. 1 Teplotné závislosti reverzibilného pamäťového efektu a medze klzu v poréznych (1) a liatych (2) zliatinách na báze niklidu titánu.

Obrázok 1 ukazuje efekt tvarovej pamäte v poréznych a liatych zliatinách. V poréznej zliatine sa efekt tvarovej pamäte prejavuje v širšom teplotnom rozsahu ako pri liatej zliatine a zvyšková plastická deformácia v poréznom materiáli je výraznejšia (na obr. 1) ako v odliatkovom. V odliatom niklide titánu nastáva takmer úplná (až 100 %) obnova tvaru po deformácii o 6 - 8 % a následnom zahriatí nad rozsah teplôt MT (obr. 1). So zvyšujúcim sa stupňom deformácie liateho niklu titánu vznikajú dislokačné defekty, ktoré sú na rozdiel od martenzitických premien ireverzibilné. Štádium vratnej deformácie podľa martenzitického mechanizmu je nahradené štádiom nevratnej plastickej deformácie. Už pri malom zaťažení vznikajú oblasti, v ktorých veľkosť elastickej deformácie prekračuje limit. Naproti tomu v poréznych zliatinách aj pri minimálnych deformáciách nepresahuje stupeň obnovy tvaru 85 %. Stupeň obnovy tvaru závisí od pórovitosti, distribúcie veľkosti pórov a od úrovne martenzitického šmykového napätia, t.j. spojené so zvláštnosťami deformácie poréznych telies. Analýza deformačných závislostí niklu titánu s rôznou pórovitosťou ukazuje, že medza klzu zliatiny klesá so zvyšujúcou sa pórovitosťou.

Oblasti použitia.

Nelekárske použitie.

Prvá zliatina s tvarovou pamäťou bola použitá v lietadle F-14 v roku 1971, bol to Ni-Ti-Fe. Použitie zliatiny Ni-Ti-Nb bolo veľkým pokrokom, ale aj zliatinám Fe-Mn-Si sa venovala veľká pozornosť, napriek ich nižšiemu regeneračnému napätiu.

Existujú potenciálne aplikácie nitinolu pri výrobe spotrebného tovaru. Napríklad zaujímavý vynález: zariadenie - držiak na popolník, ktorý spúšťa horiacu cigaretu do popolníka a bráni jej pádu, povedzme, na obrus.

Spoľahlivosť zariadení s tvarovou pamäťou závisí od ich životnosti. Dôležitými externými parametrami pre riadenie prevádzkových cyklov systému sú čas a teplota. Dôležité vnútorné parametre, ktoré určujú fyzikálne a mechanické vlastnosti, sú: zliatinový systém, zloženie zliatiny, typ transformácie a chyby mriežky. Tieto parametre riadia termomechanickú históriu zliatiny. V dôsledku toho bude maximálny pamäťový efekt obmedzený v závislosti od počtu požadovaných cyklov.

Vesmírne užitočné zaťaženie, ako sú solárne panely alebo satelitné antény, v súčasnosti využívajú najmä pyrotechnické metódy nasadenia, ktoré spôsobujú mnohé problémy. Použitie materiálov s tvarovou pamäťou odstráni všetky tieto problémy a tiež poskytne možnosť opakovane testovať výkon systému na zemi.

Nedávny výskum zliatin Ni-Ti ukázal, že super elastické správanie má za následok zlepšenú odolnosť proti opotrebovaniu. Pseudoelastické správanie znižuje oblasť elastického kontaktu počas kĺzania. Zníženie oblasti elastického kontaktu medzi dvoma posuvnými časťami zvyšuje odolnosť materiálu proti opotrebovaniu. Špeciálnym typom opotrebovania je kavitačná erózia, ktorá spôsobuje špecifické problémy v hydraulických strojoch, lodných vrtuliach a vodných turbínach. Porovnávacie štúdie rôznych materiálov ukázali, že zliatiny Ni-Ti majú vyššiu odolnosť proti kavitačnej erózii ako bežné zliatiny. V martenzitickom stave má zliatina Ni-Ti veľmi dobrú odolnosť proti kavitačnej erózii. Ale výroba pracovných častí podliehajúcich korózii výlučne zo zliatiny Ni-Ti je príliš drahá, takže najlepším spôsobom je použiť zliatinu Ni-Ti kombinovanú s oceľou.

Lekárske použitie.

V medicíne sa používa nová trieda kompozitných materiálov „biokeramika-nikelid titánu“. V takýchto kompozitoch má jedna zložka (nikelid titánu) superelasticitu a tvarovú pamäť, zatiaľ čo druhá si zachováva vlastnosti biokeramiky.

Keramickou zložkou môže byť porcelán, ktorý je široko používaný v ortopedickej stomatológii a je krehkým materiálom. Vysoká krehkosť porcelánu je spôsobená tým, že na hraniciach rôznych fáz a zŕn vznikajú kontaktné napätia, ktoré výrazne prevyšujú úroveň priemerných aplikovaných napätí. Uvoľnenie kontaktných napätí v keramickom materiáli je možné, ak v zóne týchto napätí dôjde k rozptýleniu energie v dôsledku fázovej transformácie v niklide titánu. Zmena teploty alebo aplikácia zaťaženia spôsobuje martenzitickú transformáciu v niklide titánu, čo vedie k účinnej relaxácii napätia v matrici pri zaťažení kompozitného materiálu, čo umožňuje pevnému komponentu znášať aplikované zaťaženie. Je známe, že elastická obnova objemu poréznych výliskov vyrobených zo superelastického prášku niklu titánu je spojená s prasknutím medzičasticových kontaktov a je určená pevnosťou brikety, ktorá závisí od pórovitosti a veľkosti kontaktných adhéznych síl. Oslabenie týchto síl pridaním ďalších zložiek k prášku niklu titánu, ako je jemne rozptýlený volfrám alebo karbid kremíka, výrazne zvyšuje elastický efekt, pretože silné titán-niklové kontakty rovnakého mena sú nahradené opačnými. Pretože veľkosť elastického efektu klesá s klesajúcim obsahom niklidu titánu vo výlisku, koncentračná závislosť obnovy elastického objemu je zvyčajne extrémna. V kompozitnom materiáli porcelán-niklid titán interagujú komponenty slabo a po spekaní sú kontakty medzi keramickými a kovovými komponentmi oslabené. Pri zaťažení najskôr prasknú a zvýši sa elastická obnova objemu. Vďaka tomu je deformácia reverzibilná a kompozit vykazuje vlastnosti podobné superelasticite. Biologická kompatibilita kompozitného materiálu „dentálny porcelán-nikelid titánu“ bola študovaná histologicky, pričom sa hodnotila odpoveď tkaniva u potkanov na implantáciu vzoriek kompozitného materiálu a porcelánu pod kožu prednej brušnej steny. Povaha tkanivových reakcií, ich prevalencia a znaky bunkových zmien sa v oboch prípadoch ukázali ako jednoznačné. Kompozitné materiály biokeramika-niklid titánu sú teda biokompatibilné.

Príprava zliatin s tvarovou pamäťou.

Zliatiny s tvarovou pamäťou sa vyrábajú spájaním jednotlivých komponentov. Tavenina sa rýchlo ochladí a vykoná sa vysokoteplotné spracovanie.

Bola navrhnutá celá trieda kompozitných materiálov „biokeramika – titánnikelid“ pre medicínu. V takýchto materiáloch má jedna zložka (nikelid titánu) tvarovú pamäť a superelasticitu, zatiaľ čo druhá si zachováva vlastnosti biokeramiky. Najčastejšie používaným keramickým komponentom je porcelán, ktorý má široké využitie v ortopedickej stomatológii a je to krehký materiál. Na výrobu takýchto vzoriek sa používajú prášky niklidu titánu a porcelánová hmota, ktoré sa po zmiešaní a vysušení spekajú vo vákuu.

Degradácia

Martenzitická transformácia v zliatinách na báze NiTi je atermálny proces, ktorého rýchlosť je úplne určená rýchlosťou zmeny teploty v blízkosti termodynamickej rovnováhy fáz. Preto všetky špecifické mechanické efekty v NiTi, ktoré sprevádzajú martenzitickú transformáciu, ako je tvarová pamäť a transformačná plasticita, môžu byť realizované vo veľmi krátkom čase za vhodných podmienok zahrievania a chladenia. Vo vysokorýchlostných zariadeniach sa na urýchlenie výmeny tepla s tepelným činidlom (kvapalným alebo plynným) používa tenká páska, drôt a rúrky s mikrónovými lineárnymi rozmermi v priereze. V tomto prípade má veľký význam stav voľného povrchu zliatiny. Keďže aj malé odchýlky v zložení vedú k zmenám v kinetike teploty a úplnosti premeny, segregácia prvkov a oxidácia povrchu výrazne menia špeciálne vlastnosti materiálu. Táto okolnosť nadobúda osobitný význam v dôsledku potreby predbežného tepelného alebo termomechanického spracovania materiálu.

Štúdie ukázali tendenciu niklu titánu na voľnom povrchu pri tepelných vplyvoch. V atmosfére obsahujúcej kyslík zliatina oxiduje za vzniku oxidovej vrstvy obsahujúcej hlavne oxid Ti02. Dá sa predpokladať, že keďže je titán chemicky veľmi aktívny, v prostredí bez kyslíka budú atómy titánu tvoriť zlúčeniny s akýmkoľvek neinertným plynom, napríklad v dusíkovej atmosfére – nitridy. Tvorbe oxidov pozdĺž hraníc zŕn a na povrchu sa dá zabrániť iba tepelným spracovaním vzoriek vo vákuu alebo v inertnom prostredí.

Záver

Pamäťový efekt alebo tvarová pamäť je schopnosť výrobku po zahriatí obnoviť svoj pôvodný tvar, zmenený v dôsledku plastickej deformácie. Najznámejšou pamäťovou zliatinou je nitinol.

Obnova tvaru je spôsobená martenzitickou transformáciou alebo reverzibilným zdvojením v štruktúre kovového materiálu.

V prípade pamäťového efektu, ktorý vzniká mechanizmom martenzitickej premeny, pri zahrievaní zliatiny vznikajú napätia v preddeformovanej oceľovej mriežke. Obnova predchádzajúceho tvaru sa vykonáva iba v prípade koherencie medzi deformovanou kryštálovou mriežkou materiálu a martenzitickou fázou vytvorenou počas ohrevu. V koherentných kryštálových mriežkach na fázovom rozhraní je počet buniek hlavnej a výslednej fázy zliatiny rovnaký (len smery atómových rovín kryštálových mriežok sú mierne odlišné). V čiastočne koherentných mriežkach sa narúša pravidelnosť striedania atómových rovín a na fázovom rozhraní vzniká takzvaná hranová dislokácia. V nekoherentných kryštálových mriežkach sú smery atómových rovín veľmi odlišné. Rast kryštálov martenzitu prebieha len po nesúdržné medzifázové hranice.

Martenzitická fáza v oceli vzniká, ak voľná energia systému A≠ 0. Ak sa energia pružnej deformácie oceľovej mriežky rovná energii tvorby martenzitovej fázy v nej, potom A = 0 a rast kryštálov martenzitu končí. Táto rovnováha závisí od teploty a nazýva sa termoelastická.

Obnova tvaru podľa druhého mechanizmu je spojená s tvorbou dvojčiat v kryštálovej mriežke kovových materiálov pri mechanickom zaťažení a ich vymiznutím pri zahrievaní. Keď sa vzorka ocele v martenzitickom stave deformuje, dochádza k opätovnému zvinutiu alebo zmene orientácie kryštálov martenzitu. To spôsobí zmenu tvaru vzorky. Pri zahrievaní sa obnoví štruktúra a orientácia kryštálov počiatočnej fázy, čo vedie k obnoveniu tvaru produktu. Prekročenie kritickej úrovne deformácie vedie k vzniku ireverzibilných dvojčiat, ktorých vymiznutie je možné len pri rekryštalizácii.

Úplná obnova tvaru sa pozoruje pri zliatinách s termoelastickým martenzitom: Cu - Al - (Fe, Ni, Co, Mn), Ni - Al, Ti - Ni, Ti - Au, Ti - Pd, Ti - Pt, Au - Cd, Ag - Cd, Cu - Zn - Al.

Jednou z týchto zliatin je nitinol. Ti - Ni . Teplotný rozsah pamäťového efektu v nitinole je 550-600 0 C. Hlavné vlastnosti nitinolu:

modul pružnosti E=66,7…72,6 MPa;

Pevnosť v ťahuσ = 735...970 MPa;

Relatívne predĺženie l=2…27%;

Merný elektrický odpor ρ=65…76 μOhm× cm;

Teplota topenia Tmelt = 1250…1310 0 C;

Hustota d = 6440 kg/m 3.

Pamäťové zliatiny sa používajú na rúrkové trvalé spojenia, ktoré eliminujú potrebu zvárania a spájkovania, v podložkách pre elektrické kontaktné spojenia, ktoré poskytujú konštantný tlak a podľa toho aj prechodový odpor, samorozpínacie antény kozmických lodí atď.