Zgodnie z obiegową wiedzą, metale są najtrwalszymi i najbardziej odpornymi materiałami. Istnieją jednak stopy, które mogą odzyskać swój kształt po odkształceniu bez przykładania obciążenia zewnętrznego. Charakteryzują się również innymi unikalnymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi, które odróżniają je od materiałów konstrukcyjnych.
Istota zjawiska
Efekt pamięci kształtu w stopach polega na tym, że wstępnie zdeformowany metal samoistnie powraca do formy w wyniku nagrzewania lub po prostu po rozładowaniu. Te niezwykłe właściwości zostały zauważone przez naukowców już w latach 50. XX wieku. XX wiek Już wtedy zjawisko to było związane z przemianami martenzytycznymi w sieci krystalicznej, podczas których zachodzi uporządkowany ruch atomów.
Martenzyt w materiałach z pamięcią kształtu jest termoelastyczny. Struktura ta składa się z kryształów w postaci cienkich płytek, które są rozciągane w warstwach zewnętrznych, a ściskane w warstwach wewnętrznych. Nośnikami deformacji są granice międzyfazowe, bliźniacze i międzykrystaliczne. Po podgrzaniu zdeformowanychstop, pojawiają się naprężenia wewnętrzne, próbujące przywrócić metalowi jego pierwotny kształt.
Charakter samoistnego powrotu do zdrowia zależy od mechanizmu poprzedniej ekspozycji i warunków temperaturowych, w jakich nastąpiła. Najbardziej interesująca jest cykliczność wielokrotna, która może sprowadzać się do kilku milionów deformacji.
Metale i stopy z efektem pamięci kształtu mają jeszcze jedną unikalną właściwość - nieliniową zależność właściwości fizycznych i mechanicznych materiału od temperatury.
Odmiany
Powyższy proces może przybrać kilka form:
- superplastyczność (superelastyczność), w której struktura krystaliczna metalu może wytrzymać odkształcenia znacznie przekraczające granicę plastyczności w stanie normalnym;
- pojedyncza i odwracalna pamięć kształtu (w tym drugim przypadku efekt jest wielokrotnie odtwarzany podczas cykli termicznych);
- ciągliwość przy transformacji do przodu i do tyłu (akumulacja naprężeń odpowiednio podczas chłodzenia i ogrzewania podczas przechodzenia przez transformację martenzytyczną);
- pamięć odwracalna: po podgrzaniu najpierw przywracane jest jedno odkształcenie, a następnie, wraz z dalszym wzrostem temperatury, drugie;
- transformacja zorientowana (nagromadzenie odkształceń po usunięciu obciążenia);
- pseudosprężystość - odzyskiwanie odkształceń niesprężystych z wartości sprężystych w zakresie 1-30%.
Powrót do pierwotnego stanu dla metali z efektempamięć kształtu może być tak intensywna, że nie można jej stłumić siłą zbliżoną do siły rozciągania.
Materiały
Wśród stopów o takich właściwościach najbardziej rozpowszechnione są tytan-nikiel (49-57% Ni i 38-50% Ti). Mają dobrą wydajność:
- wysoka wytrzymałość i odporność na korozję;
- znaczący współczynnik regeneracji;
- duża wartość naprężeń wewnętrznych przy powrocie do stanu początkowego (do 800 MPa);
- dobra kompatybilność ze strukturami biologicznymi;
- skuteczne pochłanianie drgań.
Oprócz niklu tytanu (lub nitinolu) stosuje się również inne stopy:
- dwuskładnikowy - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- trójskładnikowy - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si i inni.
Dodatki stopowe mogą znacznie zmienić temperaturę przemiany martenzytycznej, wpływając na właściwości redukcyjne.
Zastosowanie przemysłowe
Zastosowanie efektu pamięci kształtu pozwala rozwiązać wiele problemów technicznych:
- tworzenie szczelnych połączeń rurowych podobnych do metody kielichowania (połączenia kołnierzowe, obejmy samozaciskowe i złączki);
- produkcja narzędzi zaciskowych, chwytaków, popychaczy;
- projekt"supersprężyny" i akumulatory energii mechanicznej, silniki krokowe;
- tworzenie połączeń z różnych materiałów (metal-niemetal) lub w trudno dostępnych miejscach, gdy spawanie lub lutowanie staje się niemożliwe;
- produkcja elementów zasilających wielokrotnego użytku;
- uszczelnienie obudowy mikroukładów, gniazda do ich podłączenia;
- produkcja regulatorów temperatury i czujników w różnych urządzeniach (alarmy pożarowe, bezpieczniki, zawory silników cieplnych i inne).
Stworzenie takich urządzeń dla przemysłu kosmicznego (samorozkładane anteny i panele słoneczne, urządzenia teleskopowe, narzędzia do prac instalacyjnych w kosmosie, napędy mechanizmów obrotowych - stery, żaluzje, włazy, manipulatory) ma wielkie perspektywy. Ich zaletą jest brak obciążeń impulsowych, które zaburzają położenie przestrzenne w przestrzeni.
Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie
W materiałoznawstwie medycznym metale o tych właściwościach są wykorzystywane do wytwarzania urządzeń technologicznych, takich jak:
- silniki krokowe do rozciągania kości, prostowania kręgosłupa;
- filtry do substytutów krwi;
- urządzenia do naprawy złamań;
- przyrządy ortopedyczne;
- zaciski do żył i tętnic;
- części pompy do sztucznego serca lub nerek;
- stenty i endoprotezy do implantacji w naczyniach krwionośnych;
- druty ortodontyczne do korekcji uzębienia.
Wady i perspektywy
Pomimo ogromnego potencjału, stopy z pamięcią kształtu mają wady, które ograniczają ich szerokie zastosowanie:
- drogie składniki chemiczne;
- skomplikowana technologia produkcji, konieczność użycia sprzętu próżniowego (aby uniknąć włączenia zanieczyszczeń azotu i tlenu);
- niestabilność faz;
- niska skrawalność metali;
- trudności w dokładnym modelowaniu zachowania konstrukcji i produkcji stopów o pożądanych właściwościach;
- starzenie, zmęczenie i degradacja stopów.
Obiecującym kierunkiem w rozwoju tej dziedziny technologii jest tworzenie powłok z metali z efektem pamięci kształtu, a także produkcja takich stopów na bazie żelaza. Struktury kompozytowe pozwolą na połączenie właściwości dwóch lub więcej materiałów w jednym rozwiązaniu technicznym.
