Материалы с эффектом памяти формы

Материалы с памятью формы

 

Одно из ба­зо­вых вос­при­я­тий лю­дь­ми яв­ле­ний внеш­не­го мира — это стой­кость и на­деж­ность ме­тал­ли­че­ских из­де­лий и кон­струк­ций, ста­биль­но со­хра­ня­ю­щих свою функ­ци­о­наль­ную форму про­дол­жи­тель­ное время, если, ко­неч­но, они не под­вер­га­ют­ся за­кри­ти­че­ским воз­дей­стви­ям.

Од­на­ко су­ще­ству­ет ряд ма­те­ри­а­лов, ме­тал­ли­че­ских спла­вов, ко­то­рые при на­гре­ве, после пред­ва­ри­тель­ной де­фор­ма­ции, де­мон­стри­ру­ют яв­ле­ние воз­вра­та к пер­во­на­чаль­ной форме.

Феномен

Чтобы по­нять эф­фект па­мя­ти формы, до­ста­точ­но один раз уви­деть его про­яв­ле­ние (см. рис 1). Что про­ис­хо­дит?

Есть металлическая проволока.

Эту проволоку изгибают.

Начинаем нагревать проволоку.

При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Суть явления

 

По­че­му так про­ис­хо­дит? (См. рис. 2)

В исходном состоянии в материале существует определенная структура. На рисунке она обозначена правильными квадратами.

При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры — мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.

При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.

Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.

Характеристики эффекта памяти формы

Эф­фект па­мя­ти формы ха­рак­те­ри­зу­ет­ся двумя ве­ли­чи­на­ми.

Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом.

Температурами мартенситных превращений.

 

В про­цес­се про­яв­ле­ния эф­фек­та па­мя­ти формы участ­ву­ют мар­тен­сит­ные пре­вра­ще­ния двух видов — пря­мое и об­рат­ное. Со­от­вет­ствен­но, каж­дое из них про­яв­ля­ет­ся в своем тем­пе­ра­тур­ном ин­тер­ва­ле: М_Н и М_К — на­ча­ло и конец пря­мо­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния при охла­жде­нии, А_Н и А_К — на­ча­ло и конец об­рат­но­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния при на­гре­ве.

Тем­пе­ра­ту­ры мар­тен­сит­ных пре­вра­ще­ний яв­ля­ют­ся функ­ци­ей как марки спла­ва (си­сте­мы спла­ва), так и его хи­ми­че­ско­го со­ста­ва. Неболь­шие из­ме­не­ния хи­ми­че­ско­го со­ста­ва спла­ва (на­ме­рен­ные или как ре­зуль­тат брака) ведут к сдви­гу этих тем­пе­ра­тур

От­сю­да сле­ду­ет необ­хо­ди­мость стро­гой вы­держ­ки хи­ми­че­ско­го со­ста­ва спла­ва для од­но­знач­но­го функ­ци­о­наль­но­го про­яв­ле­ния эф­фек­та па­мя­ти формы, что пе­ре­во­дит ме­тал­лур­ги­че­ское про­из­вод­ство в сферу вы­со­ких тех­но­ло­гий.

Эф­фект па­мя­ти формы про­яв­ля­ет­ся несколь­ко мил­ли­о­нов цик­лов; его можно уси­ли­вать пред­ва­ри­тель­ны­ми тер­мо­об­ра­бот­ка­ми.

Воз­мож­ны ре­вер­сив­ные эф­фек­ты па­мя­ти формы, когда ма­те­ри­ал при одной тем­пе­ра­ту­ре «вспо­ми­на­ет» одну форму, а при дру­гой тем­пе­ра­ту­ре — дру­гую.

Чем выше тем­пе­ра­ту­ры об­рат­но­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния, тем в мень­шей сте­пе­ни вы­ра­жен эф­фект па­мя­ти формы. На­при­мер, сла­бый эф­фект па­мя­ти формы на­блю­да­ет­ся в спла­вах си­сте­мы Fe—Ni (5—20 % Ni), у ко­то­рых тем­пе­ра­ту­ры об­рат­но­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния 200—400 ˚C.

В ряду функ­ци­о­наль­ных свойств па­мя­ти формы важ­ное тео­ре­ти­че­ское и прак­ти­че­ское зна­че­ние при­над­ле­жит яв­ле­нию так на­зы­ва­е­мой де­фор­ма­ции ори­ен­ти­ро­ван­но­го пре­вра­ще­ния. Смысл этого на­след­ствен­но­го фе­но­ме­на за­клю­ча­ет­ся в сле­ду­ю­щем. Если охла­жда­е­мое под на­пря­же­ни­ем тело раз­гру­зить в об­ла­сти тем­пе­ра­тур ре­а­ли­за­ции пла­стич­но­сти пря­мо­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния и не пре­кра­тить по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры, да­ле­ко не все­гда про­дол­жа­ю­ще­е­ся охла­жде­ние не будет вы­зы­вать мак­ро­ско­пи­че­ско­го де­фор­ми­ро­ва­ния. На­о­бо­рот, чаще всего де­фор­ма­ция про­дол­жа­ет на­кап­ли­вать­ся, как если бы ма­те­ри­ал почти не раз­гру­жа­ли. В дру­гих слу­ча­ях имеет место ин­тен­сив­ный воз­врат при охла­жде­нии. Такие свой­ства, пер­вое из ко­то­рых при­ня­то на­зы­вать де­фор­ма­ци­ей ори­ен­ти­ро­ван­но­го пре­вра­ще­ния, вто­рое — ано­маль­ным воз­вра­том де­фор­ма­ции, свя­зы­ва­ют с под­рас­та­ни­ем воз­ник­ших под на­груз­кой кри­стал­лов мар­тен­си­та — в слу­чае де­фор­ма­ции ори­ен­ти­ро­ван­но­го пре­вра­ще­ния кри­стал­лов по­ло­жи­тель­ной ори­ен­та­ции, а в слу­чае ано­маль­но­го воз­вра­та — от­ри­ца­тель­ной ори­ен­та­ции. На­зван­ные яв­ле­ния могут быть ини­ци­и­ро­ва­ны, в част­но­сти, ори­ен­ти­ро­ван­ны­ми мик­ро­на­пря­же­ни­я­ми.

Сверхупругость

Дру­гим яв­ле­ни­ем, тесно свя­зан­ным с эф­фек­том па­мя­ти формы, яв­ля­ет­ся сверху­пру­гость — свой­ство ма­те­ри­а­ла, под­верг­ну­то­го на­гру­же­нию до на­пря­же­ния, зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ю­ще­го пре­дел те­ку­че­сти, пол­но­стью вос­ста­нав­ли­вать пер­во­на­чаль­ную форму после сня­тия нагрузки[1]. Сверху­пру­гость на­блю­да­ет­ся в об­ла­сти тем­пе­ра­тур между на­ча­лом пря­мо­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния и кон­цом об­рат­но­го.

Материалы с эффектом памяти формы

Никелид титана

Ли­де­ром среди ма­те­ри­а­лов с па­мя­тью формы по при­ме­не­нию и по изу­чен­но­сти яв­ля­ет­ся ни­ке­лид ти­та­на (ни­ти­нол) — ин­тер­ме­тал­лид эк­ви­атом­но­го со­ста­ва с 55 % Ni (по массе). Тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния — 1240—1310 ˚C, плот­ность — 6,45 г/см³. Ис­ход­ная струк­ту­ра ни­ке­ли­да ти­та­на ста­биль­ная объ­ем­но-цен­три­ро­ван­ная ку­би­че­ская ре­шет­ка типа CsCl при де­фор­ма­ции пре­тер­пе­ва­ет тер­мо­упру­гое мар­тен­сит­ное пре­вра­ще­ние с об­ра­зо­ва­ни­ем фазы низ­кой сим­мет­рии.

Эле­мент из ни­ке­ли­да ти­та­на может ис­пол­нять функ­ции как дат­чи­ка, так и ис­пол­ни­тель­но­го ме­ха­низ­ма.

Ни­ке­лид ти­та­на об­ла­да­ет сле­ду­ю­щи­ми свой­ства­ми:

очень высокой коррозионной стойкостью;

высокой прочностью;

хорошими характеристиками формозапоминания; высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила; деформация до 8 % может полностью восстанавливаться; напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа;

хорошей биологической совместимостью;

высокой демпфирующей способностью.

К недо­стат­кам ма­те­ри­а­ла от­но­сят плохую тех­но­ло­гич­ность и вы­со­кую цену:

из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород, для предотвращения окисления при производстве необходимо использовать вакуумирование;

оборотной стороной высокой прочности является затрудненность обработки при изготовлении деталей, особенно резанием;

в конце XX века никелид титана стоил чуть дешевле серебра.

При со­вре­мен­ном уровне про­мыш­лен­но­го про­из­вод­ства из­де­лия из ни­ке­ли­да ти­та­на (на­ря­ду со спла­ва­ми си­сте­мы Cu-Zn-Al) нашли ши­ро­кое прак­ти­че­ское при­ме­не­ние и ры­ноч­ный сбыт.

Другие сплавы

На конец XX века эф­фект па­мя­ти формы был об­на­ру­жен более чем у 20 спла­вов. Кроме ни­ке­ли­да ти­та­на эф­фект па­мя­ти формы об­на­ру­жен в сле­ду­ю­щих си­сте­мах:

Au—Cd — разработан в 1951 году в Иллинойском университете (США); один из пионеров материалов с памятью формы;

Cu —Zn—Al — наряду с никелидом титана имеет практическое применение; температуры мартенситных превращений в интервале от −170 до 100 ˚C; по сравнению с никелидом титана не подвержен быстрому окислению на воздухе, легко обрабатывается и в пять раз дешевле, но хуже по механическим (вследствие укрупнения зерна при термообработке), противокорозионным и технологическим свойствам (проблемы стабилизации зерна в порошковой металлургии), характеристикам формозапоминания;

Cu—Al—Ni — разработан в Осакском университете (Япония); температуры мартенситных превращения в интервале от 100 до 200 ˚C;

Fe—Mn—Si — сплавы этой системы наиболее дешевые;

Fe—Ni;

Cu—Al;

Cu—Mn;

Co—Ni;

Ni—Al.

 

С учетом этих особенностей в нашей стране была создана уникальная технология соединения элементов в открытом космосе с использованием муф­ты из сплава ТН-1. Эта технология была успешно применена при сборке кон­струкции фермы из алюминиевых сплавов общей длиной 14,5 м и поперечным сечением в виде квадрата со стороной 0,5 м. Ферма состояла из отдельных трубчатых деталей диаметром 28 мм, которые соединялись между собой с помощью муфты из металла с памятью формы (рис. 1.2.2). Муфту с помо­щью дорна деформировали при низкой температуре таким образом, чтобы ее внутренний диаметр был больше наружного диаметра соединяемых элемен­тов. После нагрева выше температуры обратного мартенситного превраще­ния внутренний диаметр муфты восстанавливался до того диаметра, который муфта имела перед расширением. При этом генерировались значительные обжимающие реактивные усилия, соединяемые элементы пластически де­формировались, что обеспечивало их прочное соединение. Сборка фермы иустановка ее на астрофизическом модуле "Квант" орбитального комплекса "Мир" была произведена в 1991 г. всего за четыре выхода в открытый космос и заняла в общей сложности около суток.

а б

Для неподвижного соединения деталей обычно применяются заклепки и болты. Однако, если невозможно осуществлять какие-либо действия на про­тивоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметичной пусто­телой конструкции), выполнение операций крепления вызывает трудности.

 

Рис. 1.2.4. Принцип действия стопора с эффектом памяти формы

Стопоры из сплава с эффектом памяти формы позволяют в этих случаях осуществить крепление с использованием пространственного вос­становления формы. Стопоры изготавливаются из сплава с эффектом памяти формы, причем в исходном состоянии стопор имеет раскрытый торец (рис. 1.2.4, а). Перед осуществлением операции крепления стопор погружа­ется в сухой лед или жидкий воздух и в достаточной степени охлаждается, после чего выпрямляются торцы (рис. 1.2.4, б). Стопор вводится в непод­вижное отверстие для крепления (рис. 1.2.4, в), при повышении температу­ры до комнатной происходит восстановление формы, торцы штифта расхо­дятся (рис. 1.2.4, г), и операция крепления завершается.

Использование сплавов с памятью формы в медицине представля­ет особый интерес. Их применение открывает широкие возможности создания новых эффективных методов лечения. Сплавы, используемые в медицине, должны обладать не только высокими механическими харак­теристиками. Они не должны подвергаться коррозии в биологической среде, должны обладать биологической совместимостью с тканями че­ловеческого организма, обеспечивать отсутствие токсичности, канцеро- генности, оказывать сопротивление образованию тромбов, сохраняя эти свойства в течение длительного времени. Если имплантируемый ор­ган, изготовленный из металла, является активным относительно биоло­гической структуры, то происходит вырождение (мутация) биологиче­ских клеток периферийной структуры, воспалительный прилив крови, нарушение кровообращения, затем омертвление биологической структу­ры. Если имплантируемый орган инертен, то вокруг него возникает во­локнистая структура, обусловленная коллагенными волокнами, обра­зующимися из волокнистых зародышевых клеток. Имплантируемый ор­ган покрывается тонким слоем этой волокнистой структуры и может ста­бильно существовать в биологических организмах.

Специальные эксперименты, проведенные на животных, показа­ли, что сплавы на основе Ti-Ni имеют биологическую совместимость на уровне и даже выше обычно применяемых нержавеющих сталей и ко- бальтхромовых сплавов и могут быть использованы в качестве функцио­нальных материалов в биологических организмах. Использование спла­вов с ЭПФ для лечения показало их хорошую совместимость с тканями и отсутствие реакций отторжения биологическими структурами человече­ского организма.

Коррекция позвоночника. Различные искривления позвоночника, как врожденные, так и обусловленные привычкой или болезненным со­стоянием, приводят к сильной деформации при ходьбе. Это не только вы­зывает сильную боль, но и оказывает вредное влияние на внутренние ор­ганы. При ортопедической хирургической операции коррекцию позво­ночника обычно осуществляют с помощью стержня Харинтона, изготав­ливаемого из нержавеющей стали. Недостатком этого метода является уменьшение во времени первоначального корректирующего усилия. Че­рез 20 мин после установки корректирующая сила уменьшается на 20%, а через 10-15 дней — до 30% от первоначальной. Дополнительная корректи­ровка силы требует повторных болезненных операций и не всегда дости­гает цели. Если для стержня Харинтона применить сплав с ЭПФ, то уста­новить стержень можно один раз, необходимость в повторной операции отпадает. Если после операции стержень Харинтона нагреть до темпера­туры, несколько превышающей температуру тела, то можно создать не­обходимую корректирующую силу. Эффективны для этой цели сплавы на основе Ti—Ni с добавками Си, Fe и Мо, проявляющие после восстановле­ния формы высокую эластичность в интервале температур от 35 до 41 °С. Корректирующие устройства с такими сплавами создают постоянное по величине напряжение воздействия на позвоночник в течение всего перио­да лечения независимо от смещения точек опоры устройства.

Пластинка для соединения кости. Методы медицинской по­мощи в случае костных переломов заключаются в том, чтобы с помощью пластинок из нержавеющей стали или сплавов Со—Сг зафиксировать зо­ну перелома в таком состоянии, когда на кость действует сила сжатия. Если для соединительных пластин применять сплав с эффектом памяти формы, то становится возможной прочная фиксация зоны перелома пу­тем внешнего нагрева пластинки до температуры несколько выше тем­пературы тела после операции, при этом отпадает необходимость осуществ­лять продольное сжатие кости во время операции.

Внутрикостные шпильки. Такие шпильки применяются при оказа­нии медицинской помощи при переломах большой берцовой кости. Причем шпильки, главным образом из нержавеющей стали, вводят до костного мозга, тем самым фиксируя кость. При применении этого метода кость фиксируется за счет упругих свойств нержавеющей стали, поэтому необходимо ввести шпильку большего диаметра, чем диаметр отверстия, для создания большой степени деформации. В этой связи существует риск повредить ткани в зоне, в которую вводится шпилька.

Хирургическая операция упрощается при использовании для шпилек сплавов с эффектом памяти формы на основе Ti-Ni. Предварительно охлаж­денные шпильки восстанавливают исходную форму при температуре тела, что увеличивает степень фиксации.

Устройства для скелетного вытяжения. Используется свойство материала при восстановлении формы создавать в заданном температурном интервале значительные напряжения. Устройства применяют для эффектив­ного лечения переломов костей путем как постоянного, так и дискретного скелетного вытяжения.

Проволока для исправления положения зубов. Для исправления по­ложения зубов, например неправильного прикуса, применяют проволоку из нержавеющей стали, создающую упругое усилие. Ее недостаток состоит в малой величине упругого удлинения и, как следствие, в возможной пласти­ческой деформации корректирующей проволоки. При изготовлении прово­локи из Ti-Ni сплава даже при 10% упругой деформации пластическая де­формация не возникает и оптимальная корректирующая сила сохраняется.

 

---

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 111; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!