Эффект заключается в способности ненагруженного материала под воздействием внешнего напряжения и изменения температуры накапливать деформацию (10–15%), обратимую либо при нагреве, либо в процессе снятия внешнего напряжения (сверхэластичность). Деформация может накапливаться при активном нагружении, а также при изменении температуры сплава, находящегося под воздействием одноосного или сдвигового напряжения. Типичный рабочий цикл для такого материала представлен на рисунке 1. Деформация на этапе б–в (рисунок 1) накапливается за счет переориентации кристаллов мартенсита (эффект мартенситной неупругости) и остается после снятия нагрузок. Эффект памяти формы проявляется на этапе в–г (рисунок 1), где материал самостоятельно восстанавливает свою форму и может развить значительные усилия.

Рисунок 1 – Схема деформирования стержня с эффектом памяти формы (а–г) и зависимость объемной доли мартенсита q от температуры Т (д) .

К сплавам с памятью формы, кроме никелида титана, относятся AuCd, Cu–Al–Zn, AgCd и др. В основе эффекта памяти формы лежат мартенситные превращения, для которых типичны слабая зависимость температур начала и окончания превращения от скорости изменения температуры, чаще всего обратимый характер превращения, заметное несовпадение (гистерезис) температур прямой и обратной реакции и другие признаки. Высокотемпературную модификацию принято называть аустенитом, а низкотемпературную – мартенситом (рисунок 1). Температуры мартенситных превращений сильно зависят от химического состава сплавов, их термической и механической обработки. Например, характеристические температуры никелида титана лежат в пределах 30–80°С, редко выходя за этот интервал, однако легирование железом снижает их примерно на 150–200°С, то есть до –170 … –70°С.

Кинетика мартенситных превращений имеет ярко выраженный гистерезис (рисунок 1 д). Если материал охлаждать из аустенитного состояния, то вначале каких-либо фазовых преобразований не происходит. Однако, начиная с некоторой характеристической температуры, которую принято обозначать M s , появляются первые кристаллы мартенсита, следовательно, увеличивается и доля мартенситной фазы в объеме материала. По мере дальнейшего охлаждения их размеры и количество увеличиваются, пока кристаллы не заполнят при температуре M f весь объем. Такое превращение называется прямым и при наличии внешней нагрузки сопровождается появлением большой деформации (эффект пластичности превращения). При последующем нагреве, начиная с температуры A s , мартенсит начинает переходить в аустенит. При этом накопленная деформация начинает медленно исчезать, до тех пор, пока температура не станет выше A f и произойдет восстановление формы.

Такие сплавы используются в качестве биомедицинских имплантатов: стентов, ортодонтических проволок, фильтров, фиксаторов, скобок для остеосинтеза, пластинок и т.д. .

При применении сплавов с ЭПФ в медицине необходимо, чтобы они обеспечивали не только надежность выполнения механических функций, но и химическую надежность (сопротивление ухудшению свойства в биологической среде, сопротивление разложению, растворению, коррозии), биологическую надежность (биологическую совместимость, отсутствие токсичности, канцерогенности, сопротивление образованию тромбов и антигенов). Простые металлические элементы имеют сильное токсичное действие, но в соединении с другими элементами обнаруживается эффект взаимного ослабления токсичности. Однако большее значение, чем образование ионов, имеет растворимость пассивирующих пленок, возникающих на поверхности металлов. Например, используемые в качестве биологических материалов хромоникелевые сплавы, кобальтхромовые сплавы, чистый Ti, сплав Ti–6Al–4V [% (ат.)] содержат элементы, имеющие сильное токсичное действие в виде простых элементов, но пассивирующие пленки, образующиеся в контакте с биологическими организмами, являются достаточно стабильными .

Эффект памяти или память формы – способность изделия при нагревании восстанавливатьпервоначальную форму, измененную вследствие пластической деформации. Наиболее известным сплавом с эффектом памяти является нитинол.

Восстановление формы обуславливается мартенситным превращением или обратимым двойникованием в структуре металлического материала.

В случае эффекта памяти, возникающего по механизму мартенситного превращения, при нагреве сплава возникают напряжения предварительно деформированной решетки стали. Восстановление прежней формы осуществляется только в случае когерентности деформированной кристаллической решетки материала и мартенситной фазы, образующейся при нагреве. У когерентных кристаллических решеток на границе раздела фаз количество ячеек основной и образующейся фаз сплава одинаково (только направления атомных плоскостей кристаллических решеток немного отличаются). В частично когерентных решетках нарушается регулярность чередования атомных плоскостей, на границе раздела фаз возникает так называемая краевая дислокация. В некогерентных кристаллических решетках направления атомных плоскостей сильно отличаются. Рост кристаллов мартенсита происходит только до некогерентных межфазных границ.

Мартенситная фаза в стали образуется, если свободная энергия системы А ≠ 0. В случае равенства энергии упругой деформации кристаллической решетки стали и энергии образования в ней мартенситной фазы, то А=0 и рост кристаллов мартенсита заканчивается. Такое равновесие зависит от температуры и называется термоупругим.

Восстановление формы по второму механизму связано с образованием двойников в кристаллической решетке металлических материалов при механической нагрузке и их исчезновении при нагреве. Когда стальной образец, находящийся в мартенситном состоянии, деформируют, то происходит передвойникование или переориентация кристаллов мартенсита. Это обуславливает изменение формы образца. При нагревании восстанавливается структура и ориентация кристаллов исходной фазы, что приводит к восстановлению формы изделия. Превышение критического уровня деформации приводит к образованию необратимых двойников, исчезновение которых возможно только при рекристаллизации.

Полное восстановление формы наблюдается для сплавов с термоупругим мартенситом: Cu - Al -(Fe , Ni , Co , Mn ), Ni - Al , Ti - Ni , Ti - Au , Ti - Pd , Ti - Pt , Au - Cd , Ag - Cd , Cu - Zn - Al .

Именно к таким сплавам относится нитинол Ti - Ni . Температурный диапазон эффекта памяти в нитиноле 550-600 0 С. Основные свойства нитинола:

Модуль упругости Е=66,7…72,6 МПа;

Предел прочности σ =735…970 МПа;

Относительное удлинение l =2…27%;

Удельное электрическое сопротивление ρ=65…76 мкОм × см;

Температура плавления Тпл=1250…1310 0 С;

Плотность d =6440 кг/м 3 .

Сплавы с эффектом памяти применяются для трубчатых неразъемных соединений, исключающих необходимость сварки и пайки, в шайбах для электрических контактных соединений , обеспечивающих постоянное давление и, соответственно, сопротивление контакта, самораскрывающихся антеннах космических кораблей и др.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.сайт/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физического металловедения

Реферат

на тему: « М еталлы с памятью формы»

Липецк 2010 г.

Эффект памяти формы (ЭПФ) в металлах, открытие которого по праву рассматривается как одно из самых значительных достижений материаловедения, в настоящее время интенсивно исследуется и ряде случаев успешно применяется в технике.

Научный интерес к этому явлению определяется стремлением познать физическую природу и механизм ЭПФ, что расширяет фундаментальные представления о неупругом поведении твердых тел. С практической точки зрения эти исследования стимулируются тем, что ЭПФ в металлах уже сейчас открывает широкие перспективы применения в технике, позволяя создавать элементы и устройства с принципиально новыми функциональными свойствами.

До недавнего времени неупругую деформацию рассматривали как пластическую и считали ее необратимой. Пластическая деформация кристаллов происходит за счет движения дефектов кристаллической решетки - элементарных носителей деформации, в качестве которых выступают точечные дефекты и (или) дислокации. Важно подчеркнуть, что в общем случае расположение дислокаций и (или) точечных дефектов в новые после деформационные позиции после снятия нагрузки могут оказаться стабильными, т.е. не предпочтительнее исходных. Следствием этого является практически полная необратимость неупругой деформации. Наблюдающееся на практике механическое последействие, связанное с некоторым обратным перемещением дефектов после разгрузки, не превышает 10-4-10-3 относительной деформации и им можно пренебречь.

Наряду с вышеуказанными механизмами пластическая деформация может быть вызвана механическим двойникованием кристалла.

Исследованиями последних десятилетий установлено, что существует обширный класс материалов (сплавы на основе никелида титана TiNi, латуни и бронзы сложного состава и др.), у которых элементарный акт пластичности осуществляется за счет обратимого мартенситного превращения, упругого двойникования и ряда других процессов, коренным образом изменяющих закономерности неупругого деформирования. У этих сплавов, в частности, может наблюдаться полная или частичная обратимость неупругой деформации, называемая эффектом памяти формы.

В основе ЭПФ большинства сплавов лежат так называемые термоупругие мартенситные превращения (ТУМП). Теория мартенситных превращений основывается на фундаментальных представлениях о закономерном характере перестройки кристаллической решетки и когерентности сосуществующих фаз аустенита (А) и мартенсита (М), сформулированных Г.В. Курдюмовым (высокотемпературную фазу принято называть аустенитом, а низкотемпературную - мартенситом).

Для сплавов с ТУМП характерна зависимость фазового состава от температуры, представленная на рис. 1.

При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться с некоторой температуры Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза. При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается с некоторой температуры Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак-Мн или Ан-Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рис. 1, а и б). При наличии механических напряжений температуры Мн, Мк, Ан и Ак могут смещаться в сторону более высоких температур, и в этом случае их обозначают как, и.

Рис. 1 - Зависимость фазового состава сплава от температуры: а) широкий гистерезис; б) узкий гистерезис

Важно отметить, что при ТУМП (в отличие от обычных мартенситных превращений, например в сталях) межфазные границы между А и М сохраняют когерентность и являются легко подвижными. При охлаждении (прямое превращение) в интервале температур (Мн-Мк) зарождаются и растут кристаллы мартенсита, а при нагреве (обратное превращение) в интервале температур (Ан-Ак) кристаллы мартенсита исчезают (превращаются в аустенит) в обратной последовательности (рис. 2).

Рис. 2 - Рост и исчезновение кристаллов мартенсита при охлаждении и нагреве (сплав Cu-Al-Mn)

Для изотропного материала при отсутствии внешних напряжений мартенситные пластины, образующиеся при прямом превращении, не имеют преимущественной ориентировки, и локальные сдвиговые деформации в среднем по объему компенсируются. В процессе обратного превращения (М ® А) перестройка решетки в исходную протекает строго в обратной последовательности. При этом не наблюдается макроскопического изменения формы материала, за исключением небольшого изменения объема (например, для сплава на основе TiNi изменение объема составляет около 0,34 %, что на порядок меньше, чем для сталей (» 4 %)).

В случае наличия в материале ориентированных напряжений (например, действие внешней нагрузки) мартенситные пластины приобретают преимущественную ориентировку, и локальные сдвиговые деформации приводят к макроскопическому изменению формы образца (принцип Ле Шателье-Брауна). В процессе обратного превращения (М ® А) перестройка решетки происходит по принципу «точно назад», при этом локальные сдвиговые деформации исчезают и, следовательно, устраняется макроскопическое изменение формы. Внешнее проявление такого поведения материала интерпретируется как ЭПФ.

Для полного восстановления формы необходимо, чтобы мартенситное превращение являлось кристаллографически обратимым. Кристаллографическая обратимость превращения предполагает не только восстановление кристаллической структуры, зависящей от обратного превращения, но и восстановление кристаллографической ориентировки исходной фазы перед превращением. Кроме того, необходимо, чтобы деформация осуществлялась без участия скольжения, так как скольжение является необратимым процессом, и при нагреве деформация не устраняется.

Мартенситное превращение может инициироваться не только изменением температуры, но и порождаться механическими усилиями. В соответствии со сказанным, различают термомартенсит и механомартенсит, и при анализе фазовых диаграмм (рис. 1) вводят обычно еще три характеристических температуры: Т0, Мд, Ад, где Т0 - температура термодинамического равновесия; Мд - температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад - температура, выше которой аустенит может появиться не только вследствие нагревания, но и под действием механических напряжений.

Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рис. 1, б) температура Мд может оказаться правее температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе - левее этой температуры (рис. 25.1, а).

В сплавах с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд (но выше Ак), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рис. 1 превращения аустенит-мартенсит условно обозначены вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается так называемый эффект псевдоупругости, очевидно связанный с этими явлениями.

При широком гистерезисе наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т.е. после завершения реакции М А.

Основные эффекты термомеханического поведения материалов с ЭПФ

Диаграмма деформирования материалов с ЭПФ, испытывающих обратимые фазовые превращения (рис. 3), существенно отличается от таковой для обычных материалов. После упругого деформирования (участок 0А) материал испытывает значительную пластическую деформацию с очень малым деформационным упрочнением (участок АВ), где пластичность обусловлена фазовым превращением. Дальнейшее деформирование материала протекает как обычно (участок BCD). Напряжение, соответствующее началу пластической деформации (точка А), связанной с фазовыми превращениями, принято называть фазовым пределом текучести в отличие от обычного предела текучести s t .

Фазовый предел текучести зависит от температуры испытания (рис. 3, б) и имеет минимальное значение при температуре, близкой к Мн.

Протекание обратимых фазовых превращений в сплавах с ЭПФ сопровождается рядом необычных термомеханических эффектов, основные из которых рассмотрены ниже.

Эффект пластичности превращения (ЭПП)

Этот эффект можно проиллюстрировать следующим образом. Образец из сплава с ЭПФ при температуре выше (в аустенитном состоянии) нагружается силой Р (рис. 4) и затем охлаждается. В интервале температур наблюдается интенсивное накопление деформации e пп в результате прямой мартенситной реакции. После снятия нагрузки деформация e пп сохраняется. При последующем нагревании деформированного образца в интервале температур деформация e пп устраняется, что является демонстрацией ЭПФ. Существует линейная зависимость между e пп и приложенными напряжениями до определенных значений, выше которых наблюдаются отклонения различного характера.

Рис. 3 - Схема диаграммы деформирования (а) и зависимость фазового предела текучести от температуры испытания (б) материала с ЭПФ

металл память форма сплав

Рис. 4 - Накопление деформации под нагрузкой при охлаждении (сплошная линия) и устранение ее при нагреве без нагрузки (пунктирные линии)

Эффект памяти формы

Феноменологию ЭПФ можно проиллюстрировать следующим образом. Образец деформируют (например, растяжением) при температуре ниже Мд (рис. 5, а). При достижении напряжения образец деформируется пластически (участок АВ), и эту деформацию называют фазовой (e ф), так как она вызвана фазовыми превращениями «аустенит-мартенсит», или «мартенсит-мартенсит», или их комбинациями. В некоторых случаях фазовая пластическая деформация может протекать в несколько стадий, что определяется многостадийностью фазовых превращений.

Рис. 5 - Схема реализации ЭПФ (а) и зависимость степени восстановления формы от предварительной деформации (б)

После разгрузки (участок ВС) фазовая деформация (e ф) сохраняется в образце. При нагреве образца в результате протекания обратного мартенситного превращения в интервале температур (Ан-Ак) фазовая деформация восстанавливается (участок СД). Это, собственно, и есть эффект памяти формы.

В случае, когда восстановленная деформация e вос < e ф, в образце сохраняется некоторая остаточная деформация e ост, накапливаемая в результате инициализации необратимых каналов пластичности, например, дислокационных.

Зависимость степени восстановления деформации h , определяемая как h = (e вос/ e ф), представлена на рис. 5, б. Максимальная фазовая деформация, которая восстанавливается полностью (h = 1) при реализации ЭПФ, зависит от материала, его термомеханической обработки и условий деформирования (например, для сплавов на основе TiNi = 6-12 %, для сплавов Cu-Al-Mn = 4-10 %).

Наиболее эффективным способом деформирования является деформирование в режиме эффекта пластичности превращения, когда наиболее полно реализуются деформационные возможности фазовых превращений. Однако технологически такой способ трудно осуществим. Реально на практике используется схема активного деформирования при температуре, близкой к Мн, при которой деформирующие нагрузки минимальны (рис. 3, б).

Размещено на сайт

Подобные документы

Закономерности и кинетика мартенситного превращения. Зарождение и рост кристаллов мартенсита. Термоупругое равновесие фаз. Структура порошков после азотирования. Исследование микроструктуры и фазового состава образцов после закалки от разных температур.

курсовая работа , добавлен 11.10.2015


Функциональные свойства в сплаве NiTi эквиатомного состава после квазистатического нагружения при разных температурах. Эффект однократной памяти формы. Исследование зависимости коэффициента теплового расширения сплава от процентного содержания никеля.

контрольная работа , добавлен 27.04.2015


Графическое изображение зависимости фазового состояния сплава от температуры и состава. Общий вид кривой охлаждения чистого металла. Равновесие в однокомпонентной системе. Главные экспериментальные и теоретические методы построения диаграмм состояния.

лекция , добавлен 29.09.2013


Пластическая деформация и механические свойства сплавов. Временные и внутренние остаточные напряжения. Два механизма пластической деформации, структурные изменения. Общее понятие о наклепе. Схема смещения атомов при скольжении. Отдых и полигонизация.

лекция , добавлен 29.09.2013


Исследование процесса кристаллизации расплавов металлов. Влияние температуры на свободную энергию жидкой и твердой фазы процесса кристаллизации. Охлаждение расплава и образование кристаллов. Регулирование размеров зерен кристаллов. Обзор строения слитка.

реферат , добавлен 16.12.2014


Влияние холодной пластической деформации и рекристаллизации на микроструктуру и механические свойства низкоуглеродистой стали. Пластическая деформация и ее влияние на свойства металлических материалов. Влияние температуры нагрева на микроструктуру.

контрольная работа , добавлен 12.06.2012


Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Упругой деформацией называют такую, при которой тело восстанавливает свою первоначальную форму, а при пластической деформации тело не восстанавливается.

реферат , добавлен 18.01.2009


Критические точки в стали, зависимость их положения от содержания углерода. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, фазы и структурные составляющие: линии, точки концентрации, температуры; анализ фазовых превращений при охлаждении стали и чугуна.

реферат , добавлен 30.03.2011


Изучение закономерностей изменения электрических свойств двухкомпонентных сплавов в зависимости от их состава. Внешний вид и схема установки. Величина, оценивающая рост сопротивления материала (проводника) при изменении температуры на один градус.

лабораторная работа , добавлен 11.04.2015


Влияние времени на деформацию. Упругое последействие, влияние температуры на свойства материалов. Механические свойства материалов. Особенности испытаний на сжатие. Зависимость предела прочности пластмасс от температуры, неоднородность материалов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Эффект памяти формы (ЭПФ) в металлах, открытие которого по праву рассматривается как одно из самых значительных достижений материаловедения, в настоящее время интенсивно исследуется и ряде случаев успешно применяется в технике.

Научный интерес к этому явлению определяется стремлением познать физическую природу и механизм ЭПФ, что расширяет фундаментальные представления о неупругом поведении твердых тел. С практической точки зрения эти исследования стимулируются тем, что ЭПФ в металлах уже сейчас открывает широкие перспективы применения в технике, позволяя создавать элементы и устройства с принципиально новыми функциональными свойствами.

До недавнего времени неупругую деформацию рассматривали как пластическую и считали ее необратимой. Пластическая деформация кристаллов происходит за счет движения дефектов кристаллической решетки - элементарных носителей деформации, в качестве которых выступают точечные дефекты и (или) дислокации. Важно подчеркнуть, что в общем случае расположение дислокаций и (или) точечных дефектов в новые последеформационные позиции после снятия нагрузки могут оказаться стабильными, т. е. не предпочтительнее исходных. Следствием этого является практически полная необратимость неупругой деформации. Наблюдающееся на практике механическое последействие, связанное с некоторым обратным перемещением дефектов после разгрузки, не превышает 10 –4 –10 –3 относительной деформации и им можно пренебречь.

Наряду с вышеуказанными механизмами пластическая деформация может быть вызвана механическим двойникованием кристалла.

Исследованиями последних десятилетий установлено, что существует обширный класс материалов (сплавы на основе никелида титана TiNi, латуни и бронзы сложного состава и др.), у которых элементарный акт пластичности осуществляется за счет обратимого мартенситного превращения, упругого двойникования и ряда других процессов, коренным образом изменяющих закономерности неупругого деформирования. У этих сплавов, в частности, может наблюдаться полная или частичная обратимость неупругой деформации, называемая эффектом памяти формы.

Эффект памяти формы

Феноменологию ЭПФ можно проиллюстрировать следующим образом. Образец деформируют (например, растяжением) при температуре ниже М д (рис. 25.5, а ). При достижении напряжения образец деформируется пластически (участок АВ ), и эту деформацию называют фазовой (e ф), так как она вызвана фазовыми превращениями «аустенит-мартенсит», или «мартенсит-мартенсит», или их комбинациями. В некоторых случаях фазовая пластическая деформация может протекать в несколько стадий, что определяется многостадийностью фазовых превращений (например, в Cu-Al-Ni).

Рис. 25.5. Схема реализации ЭПФ (а ) и зависимость степени восстановления формы от предварительной деформации (б )

После разгрузки (участок ВС ) фазовая деформация (e ф) сохраняется в образце. При нагреве образца в результате протекания обратного мартенситного превращения в интервале температур (А н -А к) фазовая деформация восстанавливается (участок СД ). Это, собственно, и есть эффект памяти формы .

В случае, когда восстановленная деформация e вос < e ф, в образце сохраняется некоторая остаточная деформация e ост, накапливаемая в результате инициализации необратимых каналов пластичности, например, дислокационных.

Каждый металл и сплав имеет свою кристаллическую решетку, архитектура и размеры ко-
торой строго заданы. У многих металлов с изменением температуры, давления решетка не
остается одной и той же и наступает момент, когда происходит ее перестройка. Такая смена
типа кристаллической решетки - полиморфное превращение - может осуществляется двумя
способами:
1) при высокой температуре за счет диффузии при высокой подвижности атомов;
2) при низкой температуре за счет коллективного, согласованного перемещения атомов, что
приводит к изменению формы объема сплава (бездиффузионное сдвиговое термоупругое мар-
тенситовое превращение с образованием новой кристаллической решетки - мартенсита).
При высокой температуре в аустенитном состоянии сплав имеет кубическую решетку.
При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой ячейки решетки становят-
ся скошенными параллепипедами. При нагреве аустенитная фаза восстановливается, а с ней
восстановливается и первоначальная форма изделия из сплава с «памятью» формы.
Мартенситное превращение - один из фундаментальных способов перестройки кристал-
лической решетки в отсутствии диффузии, характерный для сталей, чистых металлов, цветных
сплавов, полупроводников, полимеров.
Эффект «памяти» - восстановление первоначальной формы и размеров кристаллов после
их изменения при деформировании в результате термоупругого мартенситового превращения
при термообработке по определенному режиму.
Изменение формы - главная особенность мартенситного превращения, с которой связан эф-
фект «памяти» сплавов, условие необходимое, но недостаточное для проявления «памяти».
Свободная энергия кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы, что стимулирует
развитие мартенситного перехода. Переход тормозится из-за возникновения границы раздела
старой и новой фаз и повышения свободной энергии. Растущие кристаллы мартенситной фазы
деформируют окружающий объем, который сопротивляется этому. Возникает упругая энергия,
препятствующая дальнейшему росту кристаллов. Когда эта энергия превышает предел упру-
гости, происходит интенсивная деформация материала в окрестности границы раздела фаз и
рост кристаллов прекращается. В сталях процесс проходит практически мгновенно (отдельные
кристаллы мартенсита вырастают до конечных размеров).
Обратный переход мартенсита в аустенит (высокотемпературная фаза, бездиффузионная
сдвиговая перестройка решетки затруднена), идет при высоких температурах, когда в мартен-
сите растут кристаллы аустенита без перехода к исходной форме (атомы не попадают на свои
прежние места).
В сплавах с «памятью» при охлаждении мартенситные кристаллы растут медленно, при
нагреве исчезают постепенно, что обеспечивает динамическое равновесие границы раздела
между ними и исходной фазы. Граница между фазами ведет себя аналогично, если охлаж-
дение и нагрев заменить соответственно приложением и снятием нагрузки - термоупругое
равновесие фаз в твердом теле.
Термоупругое мартенситное превращение сопровождается обратимым изменением формы
кристаллов аустенита, что, в основном, обеспечивает «память» металлов.
56 Интеллектуальные полимерные материалы (ИПМ)
Прямым следствием термоупругого мартенситового превращения является обратимое
изменение формы твердого тела в результате периодического охлаждения и нагрева (тепловой
двигатель). Металлы с «памятью» (например, нитинол), «вспоминают» свою первоначальную
форму при нагреве после предварительного деформирования образца .
К концу 1960-х гг. сформировалась область физических исследований и технических
применений эффекта «памяти» формы в сплавах.
Существуют сотни сплавов с мартенситным превращением, но число сплавов, где эффект
«памяти» формы имеет практическое значение, незначительно. Коллективное перемещение
атомов в определенном направлении, сопровождающееся самопроизвольной (мартенсит-
ной) деформацией материала (перестройка решетки), при которой соседство и межатомные
связи атомов не нарушаются (сохраняется возможность вернуться на прежние позиции,
к исходной форме), проходит только при определенных условиях. «Память» отдельного
кристалла - это еще не память всего объема сплава, который обычно имеет поликристал-
лическое строение.
Отдельные кристаллиты (зерна) отличаются ориентацией кристаллических решеток.
Сдвиг атомов при мартенситном превращении происходит в решетке по определенным плос-
костям и направлениям. Из-за различной ориентации зерен сдвиги в каждом зерне проходят
в различных направлениях и, несмотря на значительную деформацию отдельных кристаллов,
образец в целом не испытывает заметного изменения формы. Оно происходит в том случае,
если кристаллы ориентированы в одном направлении. Управляющей силой, которая при мар-
тенситном превращении организует преимущественную организацию кристаллов, является
внешняя нагрузка.
При мартенситном превращении атомы перемещаются в направлении действия внешней
нагрузки (образец в целом испытывает деформацию). Процесс развивается до тех пор, пока
весь материал не продеформируется в направлении действия силы без разрыва межатомных
связей и нарушения соседства атомов. При нагреве они возвращаются на исходные позиции,
восстанавливая первоначальную форму всего объема материала.
Эффект «памяти» основан на термоупругом равновесии фаз и управляющем действии
нагрузки. Специальная термомеханическая обработка сплавов создает в материале микро-
напряжения, действия которых при мартенситных переходах аналогично действию внешней
нагрузки. При охлаждении сплав самопроизвольно принимает одну форму, при нагреве
возвращается к исходной (пластина сворачивается в кольцо при охлаждении, при нагреве -
разворачивается или наоборот).
Материалы с памятью формы могут проявлять сверхпластичность (значительные де-
формации, когда мартенситное превращение вызывается приложением внешней нагрузки, а
не охлаждением, что используется при создании пружинных амортизаторов, аккумуляторов
механической энергии), имеют высокую циклическую прочность (не происходит накопление
дефектов структуры) и высокую способность рассеивать механическую энергию (при мартен-
ситных превращениях перестройка кристаллической решетки сопровождается выделением
или поглощением тепла, если внешняя нагрузка вызывает мартенситное превращение, то
механическая энергия переходит в тепловую; при эффектах памяти наблюдается и процесс
превращения тепла в работу).
Изменение формы(при периодическом изменении температуры) металлов с памятью со-
провождается проявлением мощных межатомных сил. Давление при расширении материалов
такого типа достигает 7 т/см2. В зависимости от вида материала изделия различного размера
и конфигурации сгибаются, расширяются, извиваются (форму можно программировать).
К металлам с памятью формы относятся сплавы нитинол, нитинол-55 (с железом), никелид
титана ВТН-27, сплавы титана ВТ-16, ВТ23 (термообработка по специальному режиму, в 2–3
раза дешевле и в 1,5 раза легче никелида титана), сплав на основе титана с 28–34% марганца и
5–7% кремния, терфенол (магнитострикционный сплав, гасит колебания при низкочастотных
вибрациях).
Интеллектуальные полимерные материалы (ИПМ) 57
Сплавы на основе марганца имеют температурный интервал максимальной термочувс-
твительности при 20–40 °С и восстанавливают заданную форму в интервале температур от
–100 до 180 °С
Методом порошковой металлургии получены (Fukuda Metal Co.) сплавы системы Cu-Zn-
Al с эффектом памяти формы спеканием (700 МПа, 900 °С, 0,1 %масс. фторида алюминия
порошков сплавов Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) и меди (размер зерен 20–100 мкм). Сплав
восстанавливает форму после растяжения на 10%.
При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой благодаря изменившим-
ся геометрическим параметрам ячеек кристаллической решетки становится пластичным и при
механическом воздействии изделию из сплава с «памятью» (нитинола и др.) можно придать
практически любую конфигурацию, которая будет сохраняться до тех пор, пока температура не
превысит критическую, при которой мартенситная фаза становится энергетически невыгодной,
сплав переходит в аустенитную фазу с восстановлением исходной формы изделия. Однако,
деформации не должны превышать 7–8%, иначе форма не восстановливается полностью.
Разработаны нитиноловые сплавы, которые «помнят» одновременно форму изделий,
соответствующих высоким и низким температурам. Эффект памяти в нитиноловых сплавах
четко выражен, причем диапозон температур можно точно регулировать в интервале от не-
скольких градусов до десятков градусов, вводя в сплавы модифицирующие элементы, однако
запас цикличности, количество управляемых деформаций (итераций) не превышает 2000,
после чего сплавы утрачивают свои свойства.
Токопроводящие волокна, сформированные из филаментов диаметром 50 мкм сплавов
с наночастицами титана и никеля, изменяют длину на 12–13% в течение 5 млн итераций и
используются в искусственных мышцах. Наномускул (Nano Muscle Actuator, фирма Nano
Muscle, США, Johnson Electric, KHP, 2003 г.) развивает мощность в тысячу раз больше, чем
человеческие мышцы и в 4000 раз больше, чем электродвигатель, при скорости срабатывания
0,1 секунды с плавным переходом из одного состояния в другое с заданной скоростью (мик-
ропроцессорное управление).
Разработаны материалы с магнитомеханической памятью (магнитоупругий мартенситный
переход стимулируется магнитным полем непосредственно или в сочетании с температурой
и нагрузкой) и электромеханической памятью (мартенситное превращение сопровождается
качественным изменением свойств, переходы проводник–полупроводник, парамагнетик–фер-
ромагнетик), что перспективно для создания актюаторов ИМ радиотехнического назначения
для снижения радиолокационной заметности.