Eno od osnovnih pojmov ljudi o pojavih zunanjega sveta je trajnost in zanesljivost kovinskih izdelkov in konstrukcij, ki dolgo časa stabilno ohranjajo svojo funkcionalno obliko, razen če so seveda izpostavljene superkritičnim vplivom.

Vendar pa v nasprotju z zdravo pametjo obstaja vrsta materialov, kovinskih zlitin, ki pri segrevanju po predhodni deformaciji pokažejo pojav vračanja v prvotno obliko. To pomeni, da imajo te kovine, ki niso živa bitja, posebno lastnost, ki jim omogoča, da izkazujejo neke vrste spomin.

Fenomen

Da bi razumeli učinek spomina oblike, je dovolj, da enkrat vidite njegovo manifestacijo. Kaj se dogaja?

Prikaz učinka spomina oblike
Obstaja kovinska žica. Ta žica je upognjena.
Začnemo segrevati žico. Pri segrevanju se žica zravna in povrne prvotno obliko.

Bistvo pojava

Zakaj se to dogaja?

Bistvo pojava

V začetnem stanju ima material določeno strukturo. Na sliki je označen z navadnimi kvadratki.

Pri deformaciji (v tem primeru upogibanju) se zunanje plasti materiala raztegnejo, notranje pa stisnejo (srednje ostanejo nespremenjene). Te podolgovate strukture so martenzitne plošče. Kar ni nenavadno za kovinske zlitine. Nenavadno je, da je v materialih s spominom oblike martenzit termoelastičen.

Pri segrevanju se začne pojavljati termoelastičnost martenzitnih plošč, to je, da se v njih pojavijo notranje napetosti, ki težijo k vrnitvi strukture v prvotno stanje, to je, da stisnejo podolgovate plošče in raztegnejo sploščene.

Ker so zunanje podolgovate plošče stisnjene, notranje sploščene pa raztegnjene, se material kot celota samodeformira v nasprotni smeri in obnovi prvotno strukturo, s tem pa tudi obliko.

Značilnosti učinka spomina oblike

Učinek spomina oblike označen z dvema količinama.

  • Blagovna znamka zlitine s strogo vzdrževano kemično sestavo. (Glejte še »Materiali za spomin oblike«)
  • Temperature martenzitne transformacije.

V procesu manifestacije učinek spomina oblike sodelovati martenzitne transformacije dve vrsti - neposredno in vzvratno. V skladu s tem se vsak od njih manifestira v svojem temperaturnem območju: MN in MK - začetek in konec direktna martenzitna transformacija med deformacijo, AN in AK - začetek in konec med segrevanjem.

Temperature martenzitne transformacije so odvisni od stopnje zlitine (sistema zlitine) in njene kemične sestave. Majhne spremembe v kemični sestavi zlitine (namerno ali zaradi napak) povzročijo premik teh temperatur.

To pomeni potrebo po strogem vzdrževanju kemične sestave zlitine za nedvoumno funkcionalno manifestacijo učinek spomina oblike. Kar metalurško proizvodnjo postavlja v sfero visoke tehnologije.

Učinek spomina oblike pojavi se več milijonov ciklov.

Predhodni toplotne obdelave se lahko okrepi učinek spomina oblike.

Možno reverzibilno učinki spomina oblike, ko si material »zapomni« eno obliko pri eni temperaturi in drugo pri drugi temperaturi.

Višja kot je temperatura reverzna martenzitna transformacija, manj izrazita učinek spomina oblike. Na primer, šibka učinek spomina oblike opazili pri zlitinah sistema Fe-Ni (5 - 20%Ni), pri katerih temperaturah reverzna martenzitna transformacija 200 - 400˚C.

Superelastičnost

Še en pojav, ki je tesno povezan z učinek spomina oblike je superelastičnost.

Superelastičnost- lastnost materiala, obremenjenega z napetostjo, ki znatno presega mejo tečenja, da po odstranitvi obremenitve popolnoma obnovi prvotno obliko.

Superelastično obnašanje je za red velikosti višje od elastičnega obnašanja.

Superelastičnost opazujemo v temperaturnem območju med začetkom direktne martenzitne transformacije in koncem reverzne.

Materiali za spomin oblike

Titanov nikelid

Vodja med materiali z spomin oblike v smislu uporabe in znanja je titanov nikelid .

Titanov nikelid je intermetalna spojina ekviatomske sestave s 55 mas.% Ni. Tališče 1240 - 1310˚C, gostota 6,45 g/cm3. Začetna struktura titanovega nikelida je stabilna kubična mreža s središčem telesa tipa CsCl in je ob deformaciji podvržena termoelastičnemu obnašanju. martenzitna transformacija s tvorbo faze nizke simetrije.

Drugo ime za to zlitino, sprejeto v tujini, je nitinol izhaja iz okrajšave NiTiNOL, kjer je NOL okrajšava za US Naval Ordnance Laboratory, kjer je bil material razvit leta 1962.

Element iz titanov nikelid lahko opravlja funkcije senzorja in aktuatorja.

Titanov nikelid ima:

  • Odlična odpornost proti koroziji.
  • Visoka moč.
  • Dobre lastnosti spomina oblike. Visok koeficient obnovitve oblike in visoka obnovitvena sila. Deformacije do 8% je mogoče popolnoma obnoviti. Obnovitvena napetost lahko doseže 800 MPa.
  • Dobra združljivost z živimi organizmi.
  • Visoka dušilna sposobnost materiala.

Napake:

  • Zaradi prisotnosti titana zlitina zlahka veže dušik in kisik. Za preprečitev reakcij s temi elementi med proizvodnjo je treba uporabiti vakuumsko opremo.
  • Obdelava pri izdelavi delov je težavna, zlasti rezanje. (hrbtna stran visoke trdnosti).
  • Visoka cena. Ob koncu 20. stoletja je bil vreden nekoliko manj kot srebro.

Na trenutni ravni industrijske proizvodnje izdelki iz titanov nikelid (skupaj z zlitinami sistema Cu-Zn-Al) so našli široko praktično uporabo in tržno prodajo. (Glej nadalje "Uporaba materialov s spominom oblike").

Druge zlitine

Ob koncu 20. stol učinek spomina oblike najdemo v več kot 20 zlitinah. Razen titanov nikelid Učinek spomin oblike zaznano v sistemih:

  • Au-Cd. Razvit leta 1951 na Univerzi v Illinoisu v ZDA. Eden od pionirjev materialov s spominom oblike.
  • Cu-Zn-Al. Skupaj z titanov nikelid ima praktično uporabo. Temperature martenzitnih transformacij v območju od -170 do 100˚C.
    • Prednosti (v primerjavi z titanov nikelid):
      • Lahko se tali v normalni atmosferi.
      • Enostaven za rezanje.
      • Cena je petkrat nižja.
    • Napake:
      • Slabše glede lastnosti spomina oblike.
      • Slabše mehanske in korozijske lastnosti.
      • Med toplotno obdelavo zlahka pride do grobljenja zrn, kar povzroči zmanjšanje mehanskih lastnosti.
      • Problemi stabilizacije zrn v metalurgiji prahu.
  • Cu-Al-Ni. Razvito na Univerzi v Osaki na Japonskem. Temperature martenzitna transformacija v območju od 100 do 200˚C.
  • Fe-Mn-Si. Zlitine tega sistema so najcenejše.
  • Fe-Ni
  • Cu-Al
  • Cu-Mn
  • Co-Ni
  • Ni-Al

Nekateri raziskovalci menijo, da učinek spomina oblike je načeloma mogoče za vse materiale, ki so podvrženi martenzitne transformacije, vključno s čistimi kovinami, kot so titan, cirkonij in kobalt.

Proizvodnja titanovega nikelida

Taljenje poteka v vakuumski lobanjski peči ali v elektroobločni peči s potrošno elektrodo v zaščitni atmosferi (helij ali argon). Polnjenje je v obeh primerih titanov jodid ali titanova goba, stisnjena v brikete, in nikelj razreda N-0 ali N-1.

Za enakomerno kemično sestavo po prerezu in višini ingota je priporočljivo dvojno ali trojno pretaljenje.

Optimalen način hlajenja ingotov, da preprečimo razpoke, je hlajenje s pečjo (ne več kot 10˚ na sekundo).

Odstranjevanje površinskih napak - grobo brušenje s smirkovim kolutom.

Za bolj popolno izenačitev kemične sestave po vsej prostornini ingota se homogenizacija izvede pri temperaturi 950 - 1000˚C v inertni atmosferi.

Uporaba materialov z učinkom spomina oblike

Spojni tulci iz titanovega nikelida

Puša, ki jo je najprej razvila in predstavila Raychem Corporation, ZDA, za povezovanje cevi hidravličnega sistema vojaških letal. V lovcu je več kot 300 tisoč takih povezav, vendar nikoli ni bilo poročil o njihovih okvarah.

Uporaba takšnih puš je naslednja:

Uporaba povezovalnih tulcev
Puša je v prvotnem stanju pri temperaturi 20˚C.
Tulec se postavi v kriostat, kjer se pri temperaturi -196˚C notranje izbokline z batom razširijo.
Hladna puša postane gladka od znotraj.

S pomočjo posebnih klešč se tulec odstrani iz kriostata in se namesti na konce cevi, ki jih povezujemo.

Sobna temperatura je temperatura ogrevanja za določeno sestavo zlitine. Nato se vse zgodi "samodejno". Notranje izbokline si »zapomnijo« prvotno obliko, se poravnajo in zarežejo v zunanjo površino povezanih cevi.

Rezultat je močna vakuumsko tesna povezava, ki lahko prenese pritiske do 800 atm.

V bistvu ta vrsta povezave nadomešča varjenje. In preprečuje takšne pomanjkljivosti zvara, kot je neizogibno mehčanje kovine in kopičenje napak v prehodnem območju med kovino in zvarom.

Poleg tega je ta način spajanja dober za končno povezavo pri sestavljanju konstrukcije, ko postane varjenje zaradi prepletanja komponent in cevovodov težko dostopno.

Te puše se uporabljajo v letalstvu, vesolju in avtomobilski industriji.

Ta metoda se uporablja tudi za spajanje in popravilo cevi za podmorske kable.

V medicini

  • Rokavice, ki se uporabljajo v procesu rehabilitacije in so namenjene reaktivaciji aktivnih mišičnih skupin s funkcionalno insuficienco. Lahko se uporablja v interkarpalnem, komolčnem, ramenskem, gleženjskem in kolenskem sklepu.
  • Kontracepcijske spirale, ki po vstavitvi dobijo funkcionalno obliko pod vplivom telesne temperature.
  • Filtri za vnos v žile cirkulacijskega sistema. Vnesejo se v obliki ravne žice z rezalnikom, nato pa dobijo obliko filtrov z določeno lokacijo.
  • Objemke za stiskanje šibkih žil.
  • Umetne mišice, ki jih poganja električni tok.
  • Pritrdilni zatiči za pritrditev protez na kosti.
  • Umetni podaljšek za tako imenovane rastne proteze pri otrocih.
  • Zamenjava hrustanca glave stegnenice. Nadomestni material pod vplivom sferične oblike (glavica stegnenice) postane samovpenjalen.
  • Palice za korekcijo hrbtenice pri skoliozi.
  • Začasni vpenjalni pritrdilni elementi za implantacijo umetne leče.
  • Okvir za očala. V spodnjem delu, kjer je steklo pritrjeno z žico. Plastične leče ne zdrsnejo, ko se ohladijo. Okvir se pri brisanju leč in dolgotrajni uporabi ne razteza. Uporabljen učinek superelastičnost.
  • Ortopedski vsadki.
  • Žica za popravljanje zobovja.

Alarm za vročino

  • Požarni alarm.
  • Požarne lopute.
  • Alarmne naprave za kopalne kadi.
  • Omrežna varovalka (zaščita električnih tokokrogov).
  • Naprava za avtomatsko odpiranje in zapiranje oken v rastlinjakih.
  • Rezervoarji rekuperacijskih kotlov.
  • Pepelnik z avtomatskim odstranjevanjem pepela.
  • Elektronski kontaktor.
  • Sistem za preprečevanje izpušnih plinov, ki vsebujejo hlape goriva (v avtomobilih).
  • Naprava za odvzem toplote iz radiatorja.
  • Naprava za vklop meglenk.
  • Regulator temperature v inkubatorju.
  • Posoda za umivanje s toplo vodo.
  • Regulacijski ventili za hladilne in grelne naprave, toplotne stroje.

Druge aplikacije

  • Focus Boro, Japonska, uporablja titanov nikelid v pogonskih napravah za zapisovalnike. Vhodni signal snemalnika se pretvori v električni tok, ki segreva žico iz titanovega nikelida. S podaljševanjem in krčenjem žice se pero snemalnika požene. Od leta 1972 je bilo izdelanih več milijonov takih enot (podatek za konec 20. stoletja). Ker je pogonski mehanizem zelo preprost, so okvare izjemno redke.
  • Elektronski kuhinjski štedilnik konvekcijskega tipa. Senzor iz titanovega nikelida se uporablja za preklop prezračevanja med ogrevanjem z mikrovalovi in ​​ogrevanjem s kroženjem vročega zraka.
  • Senzibilni ventil za sobno klimatsko napravo. Prilagodi smer vetra v odprtini klimatske naprave za hlajenje in ogrevanje.
  • Aparat za kavo. Določanje vrelišča, kot tudi za vklop in izklop ventilov in stikal.
  • Elektromagnetni predelovalec hrane. Ogrevanje povzročajo vrtinčni tokovi, ki nastanejo na dnu posode pod vplivom magnetnih polj. Da bi se izognili opeklinam, se prikaže signal, ki ga poganja element v obliki tuljave iz titanovega nikelida.
  • Elektronski sušilnik za shranjevanje. Poganja lopute med regeneracijo dehidracijskega sredstva.
  • V začetku leta 1985 so zlitine s spominom oblike, ki se uporabljajo za izdelavo okvirjev nedrčkov, začele uspešno osvajati trg. Kovinski okvir na dnu skodelic je sestavljen iz žice iz titanovega nikelida. Tu se uporablja lastnost superelastičnosti. Hkrati ni občutka prisotnosti žice, vtis je mehkobe in prožnosti. Ko se deformira (pri pranju), zlahka obnovi svojo obliko. Prodaja - 1 milijon enot na leto. To je ena prvih praktičnih aplikacij materialov z spomin oblike.
  • Izdelava različnih vpenjalnih orodij.
  • Tesnjenje ohišij mikrovezja.
  • Visoka učinkovitost pretvorbe dela v toploto med martenzitnimi transformacijami (v titanovem nikelidu) nakazuje uporabo takšnih materialov ne le kot močno dušenje, temveč tudi kot delovno tekočino hladilnikov in toplotnih črpalk.
  • Lastnina superelastičnost uporablja se za ustvarjanje visoko učinkovitih vzmeti in mehanskih akumulatorjev energije.

Literatura

  • V. A. Likhachev in drugi "Učinek spomina oblike", Leningrad, 1987
  • A. S. Tihonov in drugi "Uporaba učinka spomina oblike v sodobnem strojništvu", M., 1981.
  • V. N. Khachin "Spomin oblike", M., 1984

Dolgo časa je neelastična deformacija veljala za popolnoma nepopravljivo. V zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Odkrit je bil obsežen razred kovinskih materialov, pri katerih se elementarni akt neelastične deformacije izvede zaradi strukturne transformacije. Takšni materiali imajo reverzibilnost neelastične deformacije. Pojav spontane obnove oblike - učinek spomina oblike(SME) - lahko opazimo tako v izotermičnih pogojih kot med temperaturnimi spremembami. Med toplotnimi spremembami se lahko takšni kovinski materiali večkrat reverzibilno deformirajo.

Sposobnosti obnovitve deformacije ni mogoče zatreti niti pod visoko silo. Raven reaktivnih napetosti nekaterih materialov z SME je lahko 1000... 1300 MPa.

Kovine s SME so med najvidnejšimi predstavniki materialov s posebnimi lastnostmi. Povečano zanimanje za ta metalurški pojav je posledica edinstvene kombinacije visokih konvencionalnih mehanskih lastnosti, odpornosti proti utrujenosti, odpornosti proti koroziji in nenavadnih lastnosti, kot so termomehanski spomin, reaktivna napetost, ki temelji na termoelastičnem martenzitnem preoblikovanju. Značilnost zlitin z MSP je izrazita odvisnost večine lastnosti od strukture. Vrednosti fizikalnih in mehanskih lastnosti se med reverzibilnim faznim prehodom avstenit-martenzit za različne zlitine večkrat spremenijo, običajno v temperaturnem območju -150...+ 150 °C.

Od velikega števila zlitin z MSP so za praktično uporabo najbolj obetavne zlitine Ti-Ni z ekviatomsko sestavo (enako število atomov), običajno imenovane titanov nikelid ali nitinol. Manj pogosto se uporabljajo cenejše zlitine na osnovi bakra Cu-AI-Ni in Cu-Al-Zn.

Učinek spomina oblike je, da se vzorec, ki ima določeno obliko v avstenitnem stanju pri povišani temperaturi, deformira pri nižji temperaturi martenzitne transformacije. Po pregrevanju, ki ga spremlja obratna transformacija, se obnovi prvotna značilna oblika. Učinek spomina oblike se kaže v zlitinah, za katere je značilna termoelastična martenzitna transformacija, mrežna koherenca začetne avstenitne in martenzitne faze, relativno majhna transformacijska histereza, pa tudi majhne spremembe prostornine med transformacijami. V titanovem nikelidu so volumetrične spremembe približno 0,34%, kar je red velikosti manj kot v jeklih (približno 4%).

Zlitine z MSP pogosto uvrščamo med tako imenovane pametne materiale, ki omogočajo ustvarjanje popolnoma novih modelov in tehnologij v različnih vejah strojništva, vesoljske in raketne tehnologije, izdelave instrumentov, energetike, medicine itd. Oglejmo si nekaj aplikacij zlitin s SME.

Raziskovanje bližnjega in daljnega vesolja je povezano z ustvarjanjem orbitalnih postaj in obsežno vesoljsko gradnjo. Treba je zgraditi tako velike objekte, kot so sončne celice in vesoljske antene. Na sl. Slika 1.1 prikazuje diagram vesoljskega plovila s samorazporejnimi elementi. Antene so sestavljene iz pločevine in palice iz zlitine Ti-Ni, ki sta zvita in nameščena v vdolbino v umetnem satelitu. Po izstrelitvi satelita in postavitvi v orbito se antena segreje s posebnim grelcem ali toploto sončnega sevanja, zaradi česar gre v vesolje.

Za namestitev različnih tehničnih objektov, stanovanjskih in proizvodnih modulov je treba zgraditi velike ploščadi v pogojih odprtega prostora. Dostava obsežnih enot v vesolje je tehnično možna le po delih z naknadno montažo. Metode spajanja delov, ki se uporabljajo v množični proizvodnji, kot so varjenje, spajkanje, lepljenje, kovičenje in drugi, niso

riž. 1.1.

/ - antena; 2 - sončna baterija; 3 - oddajnik energije; 4 - mehanski stabilizator

riž. 1.2. Povezovanje cevnih delov (/) s spojko (2) iz kovine s spominom oblike:O - pred montažo;b - po segrevanju

primeren za prostorske razmere. Posebne zahteve so pri zagotavljanju izjemno visoke varnosti.

Ob upoštevanju teh značilnosti je naša država ustvarila edinstveno tehnologijo povezovanja elementov v vesolju s pomočjo spojke iz zlitine TN-1. Ta tehnologija je bila uspešno uporabljena za sestavljanje nosilne konstrukcije iz aluminijevih zlitin s skupno dolžino 14,5 m in prečnim prerezom v obliki kvadrata s stranico 0,5 m.

Nosilec je bil sestavljen iz posameznih cevastih delov / premera 28 mm, ki so bili med seboj povezani s spojko 2 iz kovine s spominom oblike (slika 1.2). S pomočjo trna smo spojko pri nizki temperaturi deformirali tako, da je bil njen notranji premer večji od zunanjega premera elementov, ki jih povezujemo. Po segrevanju nad temperaturo reverzne martenzitne transformacije je bil notranji premer sklopke obnovljen na premer, ki ga je imela sklopka pred ekspanzijo. Pri tem so nastale znatne tlačne reaktivne sile, povezani elementi so bili plastično deformirani, kar je zagotovilo njihovo močno povezavo. Montaža nosilca in njegova namestitev na astrofizični modul Kvant orbitalnega kompleksa Mir je bila izvedena leta 1991 v samo štirih vesoljskih sprehodih in je skupaj trajala približno en dan.

Ista konstrukcijska načela se lahko uporabljajo za namestitev velikih podvodnih struktur na morju na velikih globinah.

Spojke za termomehansko povezavo cevi se uporabljajo v številnih izvedbah (slika 1.3). Uporabljajo se za povezavo hidravličnih sistemov bojnega letala F-14 in niso poročali o nobenih nesrečah, povezanih s puščanjem olja. Prednost sklopk iz zlitin s spominom oblike je poleg visoke zanesljivosti tudi odsotnost visokotemperaturnega segrevanja (za razliko od varjenja). Zato se lastnosti materialov v bližini spoja ne poslabšajo. Takšne spojke

riž. 1.3. Spajanje cevi z učinkom spomina oblike:

A - vstavljanje cevi po razširitvi spojke; b- ogrevanje

tipa se uporabljajo za cevovode jedrskih podmornic in površinskih ladij, za popravilo cevovodov za črpanje nafte z dna morja, za te namene pa se uporabljajo spojke velikega premera - približno 150 mm. V nekaterih primerih se za izdelavo spojk uporablja tudi zlitina Cu-Zn-A1.

Kovice in vijaki se običajno uporabljajo za trajno povezavo delov. Če pa ni mogoče izvesti nobenih dejanj na nasprotni strani delov, ki se pritrjujejo (na primer v zaprti votli strukturi), postane izvajanje pritrjevanja oteženo.

Zamaški iz zlitine z učinkom spomina oblike v teh primerih omogočajo pritrditev s prostorsko obnovitvijo oblike. Zamaški so izdelani iz zlitine z učinkom spomina oblike, v začetnem stanju pa ima zamašek odprt konec (slika 1.4, A). Pred postopkom pritrjevanja se zamašek potopi v suh led ali tekoči zrak in dovolj ohladi, nato pa se konci zamaška poravnajo (slika 1.4, b). Zamašek se vstavi v fiksno luknjo za pritrditev (slika 1.4, V), ko se temperatura dvigne na sobno temperaturo, se oblika obnovi, konci zatiča se razhajajo (slika 1.4, d) in postopek pritrjevanja je končan.

Posebej zanimiva je uporaba zlitin s spominom oblike v medicini. Njihova uporaba odpira široke možnosti


riž. 1.4. Načelo delovanja zamaška s spominom oblike omogoča ustvarjanje novih učinkovitih metod zdravljenja. Zlitine, ki se uporabljajo v medicini, morajo imeti ne le visoke mehanske lastnosti. Ne smejo biti izpostavljeni koroziji v biološkem okolju, morajo biti biološko združljivi s tkivi človeškega telesa, zagotavljati odsotnost toksičnosti, rakotvornosti in se upreti nastajanju krvnih strdkov, pri čemer te lastnosti ohranjajo dolgo časa. Če je implantiran organ iz kovine aktiven glede na biološko strukturo, pride do degeneracije (mutacije) bioloških celic periferne strukture, vnetnega navala krvi, motene cirkulacije in nato nekroze biološke strukture. Če je implantirani organ inerten, se okoli njega pojavi vlaknasta struktura, ki jo povzročajo kolagenska vlakna, ki nastanejo iz vlaknatih zarodnih celic. Implantirani organ je prekrit s tanko plastjo te vlaknaste strukture in lahko stabilno obstaja v bioloških organizmih.

Posebni poskusi na živalih so pokazali, da imajo zlitine, ki temeljijo na sistemu Ti-Ni, biokompatibilnost na ravni ali celo višjo od običajno uporabljenih korozijsko odpornih jekel in zlitin kobalt-krom in se lahko uporabljajo kot funkcionalni materiali v bioloških organizmih. Uporaba zlitin z MSP za zdravljenje je pokazala njihovo dobro združljivost s tkivi in ​​odsotnost zavrnitvenih reakcij bioloških struktur človeškega telesa.

Korekcija hrbtenice. Različne ukrivljenosti hrbtenice, tako prirojene kot zaradi navade ali bolečega stanja, vodijo do hude deformacije pri hoji. To ne povzroča samo hude bolečine, ampak tudi škodljivo vpliva na notranje organe. V ortopedski kirurgiji se korekcija hrbtenice običajno izvaja s palico Charinton, izdelano iz jekla, odpornega proti koroziji. Pomanjkljivost te metode je, da se začetna korekcijska sila sčasoma zmanjšuje. 20 minut po namestitvi se korektivna sila zmanjša za 20%, po 10-15 dneh pa do 30% prvotne. Dodatna prilagoditev sile zahteva ponavljajoče se boleče operacije in ne doseže vedno cilja. Če se za palico Kharinton uporablja zlitina s SME, se palica lahko namesti enkrat in ni potrebe po ponovni operaciji. Če po operaciji Charintonovo palico segrejemo na temperaturo, ki je nekoliko višja od telesne temperature, lahko ustvarimo potrebno korektivno silo. Za ta namen so učinkovite zlitine na osnovi Ti-Ni z dodatki Cu, Fe in Mo, ki po ponovni vzpostavitvi oblike kažejo visoko elastičnost v temperaturnem območju.

Korektivni pripomočki s takšnimi zlitinami ustvarjajo stalno obremenitev hrbtenice skozi celotno obdobje zdravljenja, ne glede na premik opornih točk pripomočka.

Plošča za povezavo kosti. Metode medicinske oskrbe pri zlomih kosti so uporaba plošč iz korozijsko odpornega jekla ali Co-Cr zlitin za fiksiranje območja zloma v stanju, ko na kost deluje tlačna sila.

Če je za povezovalno ploščo uporabljena zlitina z učinkom spomina oblike, potem je možno trdno fiksirati območje zloma z zunanjim segrevanjem plošče na temperaturo, ki je nekoliko višja od telesne temperature po operaciji, in ni potrebe po izvajanju vzdolžne kompresije. kosti med operacijo.

Intraosalni zatiči. Takšni zatiči se uporabljajo pri zagotavljanju medicinske oskrbe pri zlomih golenice. Poleg tega se zatiči, večinoma iz nerjavečega jekla, vstavijo v kostni mozeg in s tem fiksirajo kost. Pri tej metodi je kost fiksirana zaradi elastičnih lastnosti jekla, odpornega proti koroziji, zato je treba vstaviti zatič z večjim premerom od premera luknje, da se ustvari velika stopnja deformacije. Pri tem obstaja nevarnost poškodbe tkiva v predelu, v katerega je vstavljen zatič.

Operacija je poenostavljena, če za čepe uporabimo zlitine s spominom oblike na osnovi Ti-Ni. Predhodno ohlajene žebljičke obnovijo prvotno obliko pri telesni temperaturi, kar poveča stopnjo fiksacije.

Naprave za skeletno vleko. Lastnost materiala pri obnavljanju oblike se uporablja za ustvarjanje znatnih napetosti v določenem temperaturnem območju.

Naprave se uporabljajo za učinkovito zdravljenje zlomov kosti z neprekinjenim in diskretnim skeletnim vlekom.

Žica za korekcijo položaja zob. Za popravek položaja zob, na primer malokluzije, se uporablja žica iz korozijsko odpornega jekla, ki ustvarja elastično silo.

Pomanjkljivost korekturne žice je majhen elastični raztezek in posledično plastična deformacija. Pri izdelavi žice iz zlitine Ti-Ni tudi z elastično deformacijo 10% ne pride do plastične deformacije in ohrani se optimalna korektivna sila.

Tehnološki napredek je povezan z nenehnim povečevanjem porabe električne energije. Omejene zaloge fosilnih goriv, ​​premagovanje energetske krize in sprejemljivi stroški proizvodnje električne energije so povzročili nujnost uporabe jedrske energije in obsežne gradnje jedrskih elektrarn (JE) v vseh razvitih državah sveta. Jedrska energija je energija prihodnosti.

Po principu delovanja se jedrske elektrarne in termoelektrarne (TE) med seboj malo razlikujejo. V jedrskih elektrarnah in termoelektrarnah vodo segrejejo do vrenja in nastala para se dovaja na lopatice visokohitrostne turbine, ki povzroči njeno vrtenje. Turbinska gred je povezana z gredjo generatorja, ki ob vrtenju proizvaja električno energijo. Razlika med jedrskimi elektrarnami in termoelektrarnami je v načinu segrevanja vode do vrenja. Če termoelektrarna za ogrevanje vode uporablja premog ali kurilno olje, jedrska elektrarna za ta namen uporablja toplotno energijo nadzorovane verižne reakcije cepitve urana.

Lahkovodni reaktorji (LWR) se trenutno uporabljajo v večini držav za proizvodnjo električne energije. Reaktorji te vrste imajo dve modifikaciji: reaktorji s tlačno vodo (PWR) in reaktorji z vrelo vodo (BWR), med katerimi so najpogostejši reaktorji s tlačno vodo.

Na sl. Slika 1.5 prikazuje diagram jedrske elektrarne, opremljene z lahkovodnim reaktorjem (z vodo pod pritiskom). Reaktorska posoda 9 vsebuje sredico 10 in prvo vezje. Voda kroži v primarnem krogu, ki je hladilno sredstvo in se upočasni


riž. 1.5. Shema prenosi toplina med Elementi PWR postaje:

1 - betonska lupina; 2 - lupina iz jekla, odpornega proti koroziji; 3 - turbina; 4 - generator; 5 - hladilni stolp; 6 - kondenzator; 7 - generator pare; 8 - obtočna črpalka; 9 - reaktorska posoda; 10 - aktivno območje; 11 - kompenzator tlaka; 12 - litel posoda. Voda odvaja toploto iz jedra v cono toplotne izmenjave (parni generator 7), kjer se toplota prenese v drugi krog, v katerem nastaja para. Pretvorba energije poteka v generatorju 4, kjer se za proizvodnjo električne energije uporablja para. Primarni krog z vsemi cevmi in komponentami je zaprt v posebej oblikovanem vsebniku 12. Na ta način so vsi radioaktivni cepitveni produkti, ki lahko uidejo iz goriva v primarno vodo, izolirani od okolja.

V primarnem krogu je voda pod tlakom 15,5 MPa in ima maksimalno temperaturo 315 °C. Ti pogoji preprečujejo vrenje vode, saj je vrelišče vode pri tlaku 15,5 MPa bistveno višje od 315 ° C.

V vsakem reaktorju je 16-25 celic (odvisno od izvedbe) prostih za krmilne palice. Premika jih krmilna palica, ki poteka skozi pokrov reaktorske posode. Para zapušča turbino 3, kondenzira v vodno hlajenem kondenzatorju 6, v katerem se odvaja preostala toplotna energija. Nekateri hladilni sistemi uporabljajo hladilne stolpe.

Stroški opreme postaje, ki proizvaja in prenaša energijo (reaktorska posoda, toplotni izmenjevalniki, črpalke, rezervoarji, cevovodi), znašajo približno 90% stroškov postaje. Oprema mora biti pravilno zasnovana in izdelana iz materialov, ki so ekonomični, a zajamčeno zanesljivi.

Jedrska energija postavlja povečane zahteve glede uporabljenih konstrukcijskih materialov, njihove proizvodne tehnologije in spremljanja delovanja. Ko so konstrukcijski materiali izpostavljeni obsevanju, se strukturno spremenijo, kar negativno vpliva predvsem na mehanske lastnosti in odpornost proti koroziji. Od vseh vrst sevanja (nevtroni, A- in p-delci, y-sevanje), najmočnejši učinek ima nevtronsko obsevanje.

Materiali, odporni na sevanje To so materiali, ki ohranjajo stabilnost strukture in lastnosti v pogojih nevtronskega obsevanja (tabela 1.11).

Hitrost korozije zlitin na osnovi aluminija v vodnem okolju v pogojih obsevanja se poveča 2-3 krat. Avstenitna krom-nikljeva jekla so dovzetna za medkristalno korozijo in korozijsko razpokanje v mokri pari.

Najnevarnejša posledica obsevanja je radiacijska oteklina. Na sl. 1.6 prikazuje značilnosti radiacijskega nabrekanja številnih razredov jekel in zlitin. Nabrekanje je mogoče zavirati s strukturno prisilno rekombinantno tabelo 1.11

Vpliv nevtronskega sevanja na različne materiale

Integralni tok hitrih nevtronov, nevtron/cm 2

Material

Izpostavljenost sevanju

Politetrafluoretilen, pod in metil metakrilat ter celuloza

Zmanjšana elastičnost

Organsko

tekočine

Sprostitev plina

Povečanje meje tečenja

Polistiren

Zmanjšanje natezne trdnosti

Keramika

materialov

Zmanjšana toplotna prevodnost, gostota, kristaliničnost

Umetne mase

Ni primeren za uporabo kot gradbeni material

Ogljik

Znatno zmanjšanje duktilnosti, podvojitev meje tečenja, povečan prehod iz duktilnega v krhki lom

Jekla, odporna proti koroziji

Trikratno povečanje meje tečenja

Aluminij

Zmanjšana duktilnost brez popolne krhkosti

cija kovin zaradi neprekinjenega razpada trdne raztopine z določeno dilatacijo na meji matriksa z nastalo sekundarno fazo. Močna strukturna napetostna polja, ki nastanejo med razpadom, spodbujajo rekombinacijo radiacijskih napak in znatno zmanjšajo otekanje. Razvito disperzijsko utrjevanje je način za zatiranje radiacijskega otekanja.

Odpornost reaktorskih materialov proti sevanju je mogoče doseči, če je izpolnjen niz pogojev. Tej vključujejo


riž. 1.6.

V- obseg; DR - sprememba glasnosti

optimalna kemična sestava in struktura materialov, pogoji njihovega delovanja: nivoji delovne temperature, nevtronski tok in lastnosti korozivnega okolja.

Vsaka kovina in zlitina ima svojo kristalno mrežo, arhitekturo in dimenzije.
ki so strogo določeni. Za mnoge kovine, s spremembami temperature in tlaka, rešetka ne
ostaja enak in pride trenutek, ko nastopi njegovo prestrukturiranje. Takšna sprememba
vrsta kristalne mreže - polimorfna transformacija - lahko izvedeta dva
načine:
1) pri visokih temperaturah zaradi difuzije z visoko mobilnostjo atomov;
2) pri nizki temperaturi zaradi skupnega, usklajenega gibanja atomov, ki
vodi do spremembe oblike volumna zlitine (brezdifuzijski strižni termoelastični mar-
tenzitna transformacija s tvorbo nove kristalne mreže – martenzita).
Pri visokih temperaturah v avstenitnem stanju ima zlitina kubično mrežo.
Ko se zlitina ohladi, preide v martenzitno fazo, v kateri postanejo mrežne celice
s poševnimi paralelopipedi. Pri segrevanju se obnovi avstenitna faza in z njo
Obnovljena je tudi prvotna oblika izdelka iz zlitine s »spominom« oblike.
Martenzitna transformacija je ena temeljnih metod prestrukturiranja kristalov
mreža v odsotnosti difuzije, značilna za jekla, čiste kovine, neželezne kovine
zlitine, polprevodniki, polimeri.
Učinek spomina - obnovitev prvotne oblike in velikosti kristalov po
njihove spremembe med deformacijo kot posledica termoelastične martenzitne transformacije
med toplotno obdelavo po določenem režimu.
Sprememba oblike je glavna značilnost martenzitne transformacije, ki je povezana z učinkom
učinek "spomina" zlitin, nujen pogoj, vendar ne zadosten za manifestacijo "spomina".
Prosta energija martenzitnih kristalov je manjša kot v začetni fazi, ki stimulira
razvoj martenzitnega prehoda. Prehod je upočasnjen zaradi videza vmesnika
stare in nove faze ter povečanje proste energije. Gojenje kristalov martenzitne faze
deformirajo okoliški volumen, ki se temu upira. Pojavi se elastična energija
prepreči nadaljnjo rast kristalov. Ko ta energija preseže mejo elastičnosti
gosti, pride do intenzivne deformacije materiala v bližini fazne meje in
rast kristalov se ustavi. Pri jeklih se proces zgodi skoraj takoj (individualno
kristali martenzita zrastejo do končne velikosti).
Povratni prehod martenzita v avstenit (visokotemperaturna faza, brez difuzije
strižna preureditev rešetke je težavna), se pojavi pri visokih temperaturah, ko je v odprtem ognjišču
Kristali avstenita rastejo na situ, ne da bi prešli v prvotno obliko (atomi ne padejo v svoje
prejšnja mesta).
V zlitinah s "spominom" ob ohlajanju kristali martenzita rastejo počasi, pri
pri segrevanju postopoma izginejo, kar zagotavlja dinamično ravnotežje mejne površine
med njimi in začetno fazo. Podobno se obnaša meja med fazama pri ohlajanju
Zamenjajte ogrevanje in ogrevanje z nanašanjem in odstranjevanjem obremenitve oziroma - termoelastičnega
ravnovesje faz v trdni snovi.
Termoelastično martenzitno transformacijo spremlja reverzibilna sprememba oblike
kristali avstenita, ki zagotavlja predvsem "spomin" kovin.
56 Inteligentni polimerni materiali (IPM)
Neposredna posledica termoelastične martenzitne transformacije je reverzibilna
sprememba oblike trdne snovi zaradi periodičnega ohlajanja in segrevanja (toplotni
motor). Kovine s "spominom" (na primer nitinol) si "zapomnijo" svoj izvirnik
oblika pri segrevanju po predhodni deformaciji vzorca.
Do konca šestdesetih let prejšnjega stoletja. področju fizikalnih raziskav in tehničnih
uporabe učinka "spomina" oblike v zlitinah.
Obstaja na stotine zlitin z martenzitno transformacijo, vendar je število zlitin tam, kjer je učinek
»Spomin« obrazca nima praktičnega pomena. Kolektivno gibanje
atomov v določeni smeri, ki jih spremlja spontano (martenzitno)
neu) deformacija materiala (preureditev rešetke), pri kateri sta bližina in medatomska
vezi atomov niso pretrgane (ostaja možnost vrnitve v prejšnje položaje,
v prvotno obliko), poteka le pod določenimi pogoji. »Spomin« posameznika
kristal še ni spomin na celotno prostornino zlitine, ki ima običajno polikristalno
osebna struktura.
Posamezni kristaliti (zrna) se razlikujejo po orientaciji svojih kristalnih mrež.
Premik atomov med martenzitno transformacijo se pojavi v rešetki vzdolž določenih ravnin.
kosti in smeri. Zaradi različne orientacije zrn pride do striženja v posameznem zrnu
v različnih smereh in kljub znatni deformaciji posameznih kristalov
vzorec kot celota ne doživi opazne spremembe oblike. To se zgodi, ko
če so kristali usmerjeni v isto smer. Nadzorna sila, ki, ko pokvari
Tenzitna transformacija organizira prednostno organizacijo kristalov, je
zunanja obremenitev.
Pri martenzitni transformaciji se atomi premikajo v smeri zunanjega
obremenitev (vzorec kot celota se deformira). Postopek se nadaljuje, dokler
celoten material se ne bo deformiral v smeri sile brez zloma medatomskih
vezi in kršitev bližine atomov. Ko se segrejejo, se vrnejo v prvotne položaje,
povrnitev prvotne oblike celotne prostornine materiala.
Učinek »spomina« temelji na termoelastičnem faznem ravnovesju in krmilnem delovanju
obremenitve. Posebna termomehanska obdelava zlitin ustvarja mikro-
napetosti, katerih delovanje pri martenzitnih prehodih je podobno delovanju zunanjih
obremenitve. Pri ohlajanju zlitina pri segrevanju spontano prevzame eno obliko
se vrne v prvotno (plošča se pri ohlajanju zvije v obroč, pri segrevanju -
obrne ali obratno).
Materiali s spominom oblike lahko kažejo superplastičnost (pomembna de-
formacije, ko je martenzitna transformacija povzročena z uporabo zunanje obremenitve, in
ne s hlajenjem, ki se uporablja za izdelavo vzmetnih amortizerjev in baterij
mehanska energija), imajo visoko ciklično moč (ni akumulacije
strukturne napake) in visoko sposobnost odvajanja mehanske energije (z odprtim ognjiščem
sitaste transformacije, prestrukturiranje kristalne mreže spremlja sproščanje
ali absorpcija toplote, če zunanja obremenitev povzroči martenzitno transformacijo, potem
mehanska energija se spremeni v toplotno energijo; pri spominskih učinkih se opazi tudi proces
pretvarjanje toplote v delo).
Sprememba oblike (s periodičnimi temperaturnimi spremembami) kovin s spominom
spremlja manifestacija močnih medatomskih sil. Ekspanzijski tlak materialov
ta tip doseže 7 t/cm2. Glede na vrsto materiala izdelki različnih velikosti
in konfiguracije upognejo, razširijo, zvijejo (obliko je mogoče programirati).
Kovine za spomin oblike vključujejo zlitine nitinol, nitinol-55 (z železom), nikelid
titan VTN-27, titanove zlitine VT-16, VT23 (toplotna obdelava po posebnem režimu, v 2–3
krat cenejši in 1,5-krat lažji od titanovega nikelida), zlitina na osnovi titana z 28–34 % mangana in
5–7 % silicija, terfenol (magnetostrikcijska zlitina, duši vibracije pri nizkih frekvencah
vibracije).
Pametni polimerni materiali (IPM) 57
Zlitine na osnovi mangana imajo temperaturno območje največje toplotne občutljivosti
mehkobo pri 20–40 °C in obnovi želeno obliko v temperaturnem območju od
–100 do 180 °C
Zlitine sistema Cu-Zn- so bile pridobljene s prašno metalurgijo (Fukuda Metal Co.).
Al z učinkom spomina oblike s sintranjem (700 MPa, 900 °C, 0,1 mas. % aluminijev fluorid
prah Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) in bakrovih zlitin (velikost zrn 20–100 µm). Zlitina
obnovi svojo obliko po raztezanju za 10%.
Ohlajena zlitina preide v martenzitno fazo, v kateri se zaradi spremenjene
odvisno od geometrijskih parametrov celic kristalne mreže postane plastična in kdaj
mehanski vpliv, je mogoče dati izdelek iz zlitine s "spominom" (nitinol itd.)
skoraj vsako konfiguracijo, ki se bo ohranila do temperature
bo presegla kritično vrednost, pri kateri postane martenzitna faza energijsko neugodna,
zlitina preide v avstenitno fazo z obnovitvijo prvotne oblike izdelka. vendar
deformacije ne smejo presegati 7–8%, sicer oblika ni popolnoma obnovljena.
Razvite so bile zlitine nitinola, ki si hkrati »zapomnijo« obliko izdelkov,
ki ustreza visokim in nizkim temperaturam. Spominski učinek v zlitinah nitinola
jasno definirana, temperaturno območje pa je mogoče natančno nastaviti v območju od
koliko stopinj do deset stopinj, pri čemer v zlitine uvajamo modifikacijske elemente
meja cikličnosti, število nadzorovanih deformacij (iteracij) ne presega 2000,
po katerem zlitine izgubijo svoje lastnosti.
Prevodna vlakna, oblikovana iz filamentov zlitin s premerom 50 mikronov
z nanodelci titana in niklja spremenite dolžino za 12–13 % v 5 milijonih ponovitev in
ki se uporablja v umetnih mišicah. Nano mišični aktuator, Nano
Muscle, ZDA, Johnson Electric, KHP, 2003) razvije tisočkrat več moči kot
človeške mišice in 4000-krat hitrejši od električnega motorja pri hitrosti aktiviranja
0,1 sekunde z gladkim prehodom iz enega stanja v drugo pri določeni hitrosti (mik
krmiljenje roprocesorja).
Razviti so bili materiali z magnetomehanskim spominom (magnetoelastični martenzitni
prehod stimulira magnetno polje neposredno ali v kombinaciji s temperaturo
in obremenitev) in elektromehanski spomin (martenzitno transformacijo spremlja
kvalitativna sprememba lastnosti, prehodi prevodnik-polprevodnik, paramagnetno-železo
romagnet), ki je obetaven za ustvarjanje aktuatorjev MI za namene radijske tehnike
za zmanjšanje radarskega podpisa.

Moskovska državna univerza

njim. M. V. Lomonosova

Fakulteta za materiale

Tema: "Materiali s spominom oblike."

Študent V. letnika FNM

Kareeva I.E.

Moskva 2000

Uvod………………………………………………………2

Mehanizem za izvajanje učinka spomina oblike…………3

Področja uporabe………………………………………………………..7

Priprava zlitin s spominom oblike…………………….9

Razgradnja………………………………………………………………..10

Zaključek………………………………………………………………..11

Reference…………………………………………………………..12

Uvod.

Materiali s spominom oblike (MSM) so bili odkriti v poznih 60. letih tega stoletja. V 10 letih (poznih 70-ih - zgodnjih 80-ih) se je v znanstvenih revijah pojavilo veliko poročil, ki opisujejo različne možnosti njihove uporabe. Trenutno so definirane funkcionalne lastnosti MPF: eno- in dvosmerni spominski učinek, psevdo- ali superelastičnost, visoka sposobnost dušenja.

MPF so že našli široko uporabo v medicini kot dolgotrajno delujoči materiali, vstavljeni v telo. Imajo visoke elastične lastnosti, lahko spreminjajo svojo obliko s temperaturnimi spremembami in se ne zrušijo pri izmeničnih obremenitvah. Kompleksna narava faznih transformacij martenzitnega tipa, ki se pojavljajo v zlitinah na osnovi titanovega nikelida, se jasno kaže v poroznih strukturah. Za fazne prehode v takšnih zlitinah je značilna široka histereza in dolgo temperaturno območje, v katerem material kaže spomin oblike in učinke superelastičnosti. Poleg zlitin na osnovi Ni-Ti obstajajo martenzitne transformacije na primer v sistemih, kot so Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

Glede na temperaturo martenzitne transformacije in mehanske lastnosti imajo zlitine s spominom oblike širok spekter uporabe.


Mehanizem za izvajanje učinka spomina oblike.

martenzit.

Martenzit je struktura kristaliničnih trdnih snovi, ki nastane kot posledica strižne polimorfne transformacije brez difuzije pri ohlajanju. Ime je dobil po nemškem metalurgu Martensu (1850 - 1914). Zaradi deformacije mreže med to transformacijo se na kovinski površini pojavi relief; v prostornini nastanejo notranje napetosti in pride do plastične deformacije, ki omejuje rast kristala. Hitrost rasti doseže 10 3 m/s in ni odvisna od temperature, zato hitrost tvorbe martenzita običajno omejuje nukleacijo kristalov. Protidelovanje notranjih napetosti premakne nukleacijo kristalov precej pod točko termodinamičnega ravnovesja faz in lahko ustavi transformacije pri konstantni temperaturi; zato se količina nastalega martenzita običajno poveča z naraščajočo podhlajitvijo. Ker mora biti elastična energija minimalna, dobijo kristali martenzita obliko plošč. Notranje napetosti se razbremenijo tudi s plastično deformacijo, zato je v kristalu veliko dislokacij (do 10 12 cm -2) ali pa je razbit na dvojčke z debelino 100 - 1000 Å. Znotrajzrnate meje in dislokacije krepijo martenzit. Martenzit je tipičen produkt nizkotemperaturnih polimorfnih transformacij v čistih kovinah (Fe, Co, Ti, Zr, Li in drugi), v trdnih raztopinah na njihovi osnovi, v intermetalnih spojinah (CuZn, Cu 3 Al, NiTi, V 3 Si , AuCd).

Martenzitne transformacije.

Za intermetalne spojine Ni-Ti s sestavo, ki je blizu evtektiku, je značilen prehod iz kubične (avstenitne faze) v monoklinično (martenzitno) fazo pri sobni temperaturi. Takšne transformacije običajno nastanejo v zlitinah pri visokih napetostih, vendar se zaradi spominskega učinka ali superelastičnosti lahko transformacije pojavijo tudi pri nizkih napetostih. Avstenitne Ni-Ti zlitine kažejo superelastično obnašanje pri mehanskih obremenitvah in napetosti (8 %), ki jih povzroča martenzitna transformacija. Pri razbremenitvi postane martenzit nestabilen in preide v avstenit s kompenzacijo vseh makroskopskih napetosti.

Martenzitna transformacija je polimorfna transformacija, pri kateri pride do spremembe relativne razporeditve atomov, ki tvorijo kristal, z njihovim urejenim gibanjem, relativni premiki sosednjih atomov pa so majhni v primerjavi z medatomsko razdaljo. Prestrukturiranje kristalne mreže v mikroregijah se običajno zmanjša na deformacijo njene celice, končna faza martenzitne transformacije pa je enakomerno deformirana začetna faza. Velikost deformacije je majhna (~1-10%) in temu primerno je energetska pregrada, ki preprečuje enakomeren prehod začetne faze v končno fazo, majhna, v primerjavi z vezavno energijo v kristalu. Nujen pogoj za martenzitno transformacijo, ki se razvije s tvorbo in rastjo območij stabilnejše faze v metastabilni, je ohranitev urejenega stika med fazama. Urejena struktura medfaznih meja z majhno pregrado za enoten fazni prehod zagotavlja njihovo nizko energijo in visoko mobilnost. Posledično je presežek energije, potreben za nukleacijo kristalov nove faze (martenzitnih kristalov), majhen in z določenim odstopanjem od faznega ravnovesja postane primerljiv z energijo defektov, ki so prisotni v začetni fazi. Zato se nukleacija martenzitnih kristalov pojavi z večjo hitrostjo in morda ne zahteva toplotnih nihanj. Pomembno vlogo pri martenzitni transformaciji igrajo notranje napetosti, ki nastanejo zaradi elastične prilagoditve kristalnih mrež, ki se spajajo vzdolž faznih meja. Elastična napetostna polja vodijo do premika ravnotežne točke medsebojno delujočih faz glede na položaj pravega termodinamičnega ravnotežja za izolirane, neizkrivljene faze; V skladu s tem se lahko temperatura, pri kateri se začne martenzitna transformacija, bistveno razlikuje od prave ravnotežne temperature. Želja po zmanjšanju energije elastične napetosti določa morfologijo, notranjo strukturo in relativno lego martenzitnih kristalov. Nova faza je oblikovana v obliki tankih plošč, usmerjenih na določen način glede na kristalografske osi. Plošče praviloma niso posamezni kristali, ampak paketi ravninsko vzporednih domen - območij nove faze, ki se razlikujejo po orientaciji kristalne mreže (dvojčki). Interferenca napetostnih polj iz različnih domen vodi v njihovo delno uničenje. Nadaljnje zmanjšanje elastičnih polj se doseže z oblikovanjem sklopov pravilno razporejenih plošč. To pomeni, da kot posledica martenzitne transformacije nastane polikristalna faza s posebnim hierarhičnim vrstnim redom (sestavi - plošče - domene) v razporeditvi strukturnih komponent. Povečanje notranjih napetosti med martenzitno transformacijo pod določenimi pogoji vodi do vzpostavitve dvofaznega termoelastičnega ravnovesja, ki se reverzibilno premakne, ko se spremenijo zunanji pogoji: pod vplivom mehanskih obremenitev ali ko se spremeni temperatura, velikost posameznih kristalov in njihova sprememba številke. Martenzitne transformacije najdemo v številnih kristalnih materialih: čistih kovinah, številnih zlitinah, ionskih, kovalentnih in molekularnih kristalih.

Obstajajo velike možnosti za reverzibilne spremembe oblike med martenzitno transformacijo (ustvarjanje superelastičnih zlitin, ki obnovijo prvotno obliko pri segrevanju po plastični deformaciji - spominski učinek), kot tudi povezava med martenzitno transformacijo in pojavom superprevodnih lastnosti v nekaterih kovinah. . Martenzitne transformacije so osnova številnih strukturnih transformacij, zaradi katerih se s pomočjo toplotne in mehanske obdelave izvaja usmerjena sprememba lastnosti kristalnih materialov.

Značilnosti poroznih zlitin titanovega niklja.

Prisotnost širokega temperaturnega območja martenzitne transformacije v poroznem titanovem nikelidu v primerjavi z litim titanom se odraža v temperaturnih krivuljah električnega upora. Pokazalo se je, da je martenzitni prehod v poroznih zlitinah nepopoln in se pojavi v širšem temperaturnem območju kot v litih zlitinah. Tako je pomembna značilnost poroznega titanovega nikelida v primerjavi z neporozno (lito) zlitino enake sestave široko temperaturno območje faznih transformacij. Je približno 250 0 C, tj. znatno presega območje (30-40 0 C) transformacij litine zlitine. Povečanje temperaturnega območja faznih transformacij je posledica strukture poroznega titanovega nikelida. Faktor velikosti je prav tako pomemben, saj se martenzitna transformacija v tankih mostovih in masivnih regijah kaže drugače. Delovanje teh dejavnikov vodi do dejstva, da se fazne transformacije v poroznih materialih na osnovi titanovega nikelida začnejo v različnih regijah pri različnih temperaturah, razširjajo histerezo vzdolž temperaturne osi, ustrezno širijo temperaturna območja transformacij in intervale manifestacije spomina oblike. učinki in superelastičnost v poroznih zlitinah na osnovi nikelida titana.


Sl. 1 Temperaturne odvisnosti reverzibilnega spominskega učinka in meje tečenja v poroznih (1) in litih (2) zlitinah na osnovi titanovega nikelida.

Slika 1 prikazuje učinek spomina oblike v poroznih in litih zlitinah. V porozni zlitini se učinek spomina oblike kaže v širšem temperaturnem območju kot v liti zlitini, preostala plastična deformacija v poroznem materialu pa je pomembnejša (na sliki 1) kot v litini. V litem titanovem nikelidu se skoraj popolna (do 100%) obnovitev oblike pojavi po deformaciji za 6 - 8% in naknadnem segrevanju nad temperaturnim območjem MT (slika 1). S povečanjem stopnje deformacije litega titanovega nikelida nastanejo dislokacijske napake, ki so za razliko od martenzitnih transformacij ireverzibilne. Stopnjo reverzibilne deformacije po martenzitnem mehanizmu zamenja stopnja ireverzibilne plastične deformacije. Tudi pri majhnih obremenitvah se pojavijo območja, kjer velikost elastične deformacije presega mejo. Nasprotno pa pri poroznih zlitinah tudi z minimalnimi deformacijami stopnja obnove oblike ne presega 85%. Stopnja obnovitve oblike je odvisna od poroznosti, porazdelitve velikosti por in stopnje martenzitne strižne napetosti, tj. povezana s posebnostmi deformacije poroznih teles. Analiza deformacijskih odvisnosti titanovega nikelida z različnimi poroznostmi kaže, da se meja tečenja zlitine z naraščajočo poroznostjo zmanjšuje.

Področja uporabe.

Nemedicinska uporaba.

Prva zlitina s spominom oblike je bila uporabljena v letalu F-14 leta 1971, to je bil Ni-Ti-Fe. Uporaba zlitine Ni-Ti-Nb je bila velik napredek, a tudi zlitine Fe-Mn-Si so bile deležne veliko pozornosti kljub nižji obnovitveni napetosti.

Obstajajo potencialne aplikacije za nitinol v proizvodnji potrošniškega blaga. Na primer, zanimiv izum: naprava - držalo za pepelnik, ki gorečo cigareto spusti v pepelnik in prepreči, da bi padla, recimo, na prt.

Zanesljivost naprav za spomin oblike je odvisna od njihove življenjske dobe. Pomembna zunanja parametra za krmiljenje ciklov delovanja sistema sta čas in temperatura. Pomembni notranji parametri, ki določajo fizikalne in mehanske lastnosti, so: sistem zlitine, sestava zlitine, vrsta transformacije in napake v mreži. Ti parametri nadzirajo termomehansko zgodovino zlitine. Posledično bo največji spominski učinek omejen glede na število zahtevanih ciklov.

Vesoljski tovori, kot so sončni kolektorji ali satelitske antene, trenutno uporabljajo predvsem pirotehnične metode uporabe, ki povzročajo številne težave. Uporaba materialov s spominom oblike bo odpravila vse te težave in bo zagotovila tudi možnost večkratnega testiranja delovanja sistema na terenu.

Nedavne raziskave zlitin Ni-Ti so pokazale, da super elastično obnašanje povzroči izboljšano odpornost proti obrabi. Psevdoelastično obnašanje zmanjša površino elastičnega stika med drsenjem. Zmanjšanje površine elastičnega stika med dvema drsnima deloma poveča odpornost materiala proti obrabi. Posebna vrsta obrabe je kavitacijska erozija, ki povzroča specifične težave pri hidravličnih strojih, ladijskih propelerjih in vodnih turbinah. Primerjalne študije različnih materialov so pokazale, da imajo zlitine Ni-Ti večjo odpornost proti kavitacijski eroziji kot običajne zlitine. V martenzitnem stanju ima zlitina Ni-Ti zelo dobro odpornost proti kavitacijski eroziji. Toda izdelava delovnih delov, ki so podvrženi koroziji, v celoti iz zlitine Ni-Ti je predraga, zato je najboljši način uporaba zlitine Ni-Ti v kombinaciji z jeklom.

Medicinska uporaba.

V medicini se uporablja nov razred kompozitnih materialov "biokeramika-titanov nikelid". V takih kompozitih ima ena komponenta (titanov nikelid) superelastičnost in spomin oblike, druga pa ohranja lastnosti biokeramike.

Keramična komponenta je lahko porcelan, ki se pogosto uporablja v ortopedskem zobozdravstvu in je krhek material. Visoka krhkost porcelana je posledica dejstva, da na mejah različnih faz in zrn nastanejo kontaktne napetosti, ki bistveno presegajo raven povprečnih uporabljenih napetosti. Relaksacija kontaktnih napetosti v keramičnem materialu je mogoča, če pride do disipacije energije v območju teh napetosti zaradi fazne transformacije v titanovem nikelidu. Sprememba temperature ali uporaba obremenitve povzroči martenzitno transformacijo v titanovem nikelidu, kar vodi do učinkovite sprostitve napetosti v matrici, ko je kompozitni material obremenjen, kar omogoča, da trdna komponenta prenese uporabljeno obremenitev. Znano je, da je elastična obnova volumna poroznih kompaktov iz superelastičnega prahu titanovega nikelida povezana s pretrganjem meddelčnih stikov in je določena s trdnostjo briketa, ki je odvisna od poroznosti in velikosti kontaktnih adhezijskih sil. Oslabitev teh sil z dodajanjem drugih komponent prahu titanovega nikelida, kot je fino dispergiran volframov ali silicijev karbid, bistveno poveča elastični učinek, saj so močni istoimenski stiki titan-nikelj nadomeščeni z nasprotnimi. Ker se obseg elastičnega učinka zmanjšuje z zmanjševanjem vsebnosti titanovega nikelida v kompaktu, je odvisnost obnovitve elastičnega volumna od koncentracije običajno ekstremna. V kompozitnem materialu porcelan-titanov nikelid komponente medsebojno delujejo šibko in po sintranju so stiki med keramično in kovinsko komponento oslabljeni. Ko so obremenjeni, najprej počijo in poveča se elastična obnova volumna. Posledično je deformacija reverzibilna in kompozit kaže lastnosti, podobne superelastičnosti. Biokompatibilnost kompozitnega materiala "zobni porcelan–titanov nikelid" so preučevali histološko, pri čemer so ocenili odziv tkiva pri podganah na implantacijo vzorcev kompozitnega materiala in porcelana pod kožo sprednje trebušne stene. Narava tkivnih reakcij, njihova razširjenost in značilnosti celičnih sprememb so se v obeh primerih izkazali za nedvoumne. Tako so kompozitni materiali biokeramika-titanov nikelid biokompatibilni.

Priprava zlitin s spominom oblike.

Zlitine s spominom oblike se proizvajajo s taljenjem posameznih komponent. Talino hitro ohladimo in izvedemo visokotemperaturno obdelavo.

Predlagan je bil cel razred kompozitnih materialov "biokeramika - titanov nikelid" za medicino. V takih materialih ima ena komponenta (titanov nikelid) spomin oblike in superelastičnost, druga pa ohranja lastnosti biokeramike. Najpogosteje uporabljena keramična komponenta je porcelan, ki se pogosto uporablja v ortopedskem zobozdravstvu in je krhek material. Za izdelavo takšnih vzorcev se uporabljata prah titanovega nikelida in porcelanske mase, ki ju po mešanju in sušenju sintramo v vakuumu.

Degradacija

Martenzitna transformacija v zlitinah na osnovi NiTi je atermični proces, katerega hitrost je v celoti določena s hitrostjo spremembe temperature blizu termodinamičnega ravnovesja faz. Zato se lahko vsi specifični mehanski učinki v NiTi, ki spremljajo martenzitno transformacijo, kot sta spomin oblike in transformacijska plastičnost, realizirajo v zelo kratkih časih pod ustreznimi pogoji ogrevanja in hlajenja. V napravah za visoke hitrosti se za pospešitev izmenjave toplote s toplotnim sredstvom (tekočim ali plinastim) uporabljajo tanki trakovi, žice in cevi z mikronskimi linearnimi dimenzijami v prerezu. V tem primeru postane stanje proste površine zlitine zelo pomembno. Ker že majhne spremembe v sestavi povzročijo spremembe v temperaturni kinetiki in popolnosti transformacije, segregacija elementov in oksidacija površine bistveno spremenita posebne lastnosti materiala. Ta okoliščina je še posebej pomembna zaradi potrebe po predhodni toplotni ali termomehanski obdelavi materiala.

Študije so pokazale težnjo titanovega nikelida na prosti površini pod toplotnimi vplivi. V atmosferi, ki vsebuje kisik, zlitina oksidira in tvori oksidno plast, ki vsebuje predvsem TiO 2 oksid. Lahko se domneva, da ker je titan kemično zelo aktiven, bodo atomi titana v okolju brez kisika tvorili spojine s katerim koli neinertnim plinom, na primer v atmosferi dušika - nitridi. Tvorbi oksidov ob mejah zrn in na površini se lahko izognemo le s toplotno obdelavo vzorcev v vakuumu ali v inertnem okolju.

Zaključek

Spominski učinek ali spomin oblike je sposobnost izdelka, da pri segrevanju povrne prvotno obliko, spremenjeno zaradi plastične deformacije. Najbolj znana spominska zlitina je nitinol.

Obnovitev oblike je posledica martenzitne transformacije ali reverzibilnega dvojčkanja v strukturi kovinskega materiala.

Pri spominskem učinku, ki nastane preko mehanizma martenzitne transformacije, pri segrevanju zlitine nastanejo napetosti v preddeformirani jekleni rešetki. Obnova prejšnje oblike se izvede le v primeru koherence med deformirano kristalno mrežo materiala in martenzitno fazo, ki nastane med segrevanjem. V koherentnih kristalnih mrežah na fazni meji je število celic glavne in nastale faze zlitine enako (le smeri atomskih ravnin kristalnih mrež se nekoliko razlikujejo). V delno koherentnih mrežah se poruši pravilnost menjave atomskih ravnin in na fazni meji se pojavi tako imenovana robna dislokacija. V nekoherentnih kristalnih mrežah so smeri atomskih ravnin zelo različne. Rast kristalov martenzita se pojavi le do nekoherentnih medfaznih meja.

Martenzitna faza v jeklu nastane, če prosta energija sistema A≠ 0. Če je energija elastične deformacije jeklene rešetke enaka energiji tvorbe martenzitne faze v njej, potem je A = 0 in rast martenzitnih kristalov se konča. To ravnovesje je odvisno od temperature in se imenuje termoelastično.

Obnova oblike po drugem mehanizmu je povezana z nastankom dvojčkov v kristalni mreži kovinskih materialov pod mehansko obremenitvijo in njihovim izginotjem pri segrevanju. Ko je vzorec jekla v martenzitnem stanju deformiran, pride do ponovnega zvijanja ali preusmeritve martenzitnih kristalov. To povzroči spremembo oblike vzorca. Pri segrevanju se struktura in orientacija kristalov začetne faze obnovita, kar vodi do ponovne vzpostavitve oblike izdelka. Preseganje kritične stopnje deformacije vodi do nastanka ireverzibilnih dvojčkov, katerih izginotje je možno le med rekristalizacijo.

Popolna obnova oblike je opažena pri zlitinah s termoelastičnim martenzitom: Cu - Al - (Fe, Ni, Co, Mn), Ni - Al, Ti - Ni, Ti - Au, Ti - Pd, Ti - Pt, Au - Cd, Ag - Cd, Cu - Zn - Al.

Nitinol je ena od teh zlitin. Ti - Ni . Temperaturno območje spominskega učinka v nitinolu je 550-600 0 C. Glavne lastnosti nitinola:

Modul elastičnosti E=66,7...72,6 MPa;

Natezno trdnostσ =735...970 MPa;

Relativni raztezek l=2…27%;

Specifični električni upor ρ=65…76 μOhm× cm;

Temperatura taljenja Tmelt=1250…1310 0 C;

Gostota d = 6440 kg/m 3.

Spominske zlitine se uporabljajo za cevaste trajne povezave, ki odpravljajo potrebo po varjenju in spajkanju, v podložkah za električne kontaktne povezave, ki zagotavljajo stalen tlak in s tem kontaktni upor, samorazširljive antene vesoljskih plovil itd.