Металла с памятью формы

Металлы с памятью формы. Механизм эффекта памяти формы

Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы – эффект памяти формы (ЭПФ) – может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.

Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 – 1300 МПа.

Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях.

В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы.

Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рисунке 10.1

Рисунок 10.1 – Зависимость фазового состава сплава от температуры: а – широкий гистерезис; б – узкий гистерезис

При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре 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 при некоторой температуре 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 (рисунок 10.1, а и б).

Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: То – 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 под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рисунок 10.1, б) температура Мд может оказаться выше температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе – ниже этой температуры (рисунок 10.1, а).

Тогда для материала 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 рисунке 10.1 превращение аустенит — мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается эффект так называемой сверхупругости, очевидно связанный с этими явлениями.

В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения превращения мартенсита в аустенит.

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti – Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu – А1 – Ni и Сu – Al – Zn.

Читайте также:  Как отстирать краску по металлу с одежды

Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti – Ni с ЭПФ разного состава приведены в таблице 10.1 и на рисунке 10.2.

Рисунок 10.2 – Зависимость температур прямого и обратного мартенситного превращений от состава сплава Ti – Ni

Из таблицы 10.1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti – Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку.

Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К.

Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению Мн и Мк вплоть до –196 о С, а введение Zr, Та, Nb – к их повышению (до +100°С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений.

Источник

Металлы с памятью формы

Металлы с памятью формы.

Существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – т.н. металлы с памятью формы.

Описание:

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 металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – т.н. металлы с памятью формы.

Эффект памяти формы – явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых металлических материалов после предварительной деформации.

Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление:

1. Есть металлическая проволока;

2. Эту проволоку изгибают;

3. Начинаем нагревать проволоку;

4. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений. Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях и может проявляться несколько миллионов циклов.

Эффект памяти формы сплава можно усиливать предварительными термообработками. Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда металл с памятью формы при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.

Памятью формы в разной степени обладают следующие металлы и их сплавы : Ni – Ti, Ni – Al, Ni – Co; Ti – Nb; Au – Cd; Fe – Ni, Fe – Mn – Si; Cu – Al, Cu – Mn, Cu – Al – Ni, Cu – Zn – Al и др.

Fe – Mn – Si – наиболее дешевый сплав .

Механизм реализации эффекта памяти формы:

1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами).

2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В материалах с памятью формы мартенсит является термоупругим.

3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние.

4. 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.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют прямые и обратные мартенситные превращения. Мартенситное превращение ‐ полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием.

Под прямым мартенситным превращением понимают превращение из высокотемпературной гранецентрированной кубической фазы (аустенит) в низкотемпературную объемно‐центрированную кубическую фазу (α‐ мартенсит). Обратное превращение – из объемно‐центрированной кубической фазы в гранецентрированную кубическую.

Никелид титана:

Никелид титана – лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности.

Никелид титана — это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас. % Ni. Температура плавления 1240-1310˚C, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно‐центрированная кубическая решетка при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение.

превосходной коррозионной стойкостью,

высокой прочностью,

Читайте также:  Металл 24 нансена 1

хорошими характеристиками формозапоминания,

хорошей совместимостью с живыми организмами ,

высокой демпфирующей (поглощением шума и вибрации) способностью материала.

контроль методом магнитной памяти металла
магнитная память металла приборы
металл с памятью формы соединение видео купить на очки как называется
металл с эффектом памяти
металл имеющий память
металл обладающий памятью
дубов метод магнитной памяти металла и приборы контроля неразрушающий контроль
отчет по магнитной памяти металла
память металла видео опыт
физические основы метода магнитной памяти металла скачать
эффект памяти металлов в литейном производстве
эффект памяти формы металлов

Источник

Металл и память

Для большинства людей, в восприятии окружающего мира, одним из устойчивых понятий является – прочность, надежность и устойчивость формы металлических изделий и конструкций из него, которые стабильны в своей форме, если их не подвергают критическому воздействию.

Мифы и заблуждения

Долгие годы процесс неупругой деформации считалась абсолютно необратимым. В шестидесятых годах 20 века американские ученые Уильям Бюлер и Фредерик Ванг открыли целый класс металлических сплавов, процесс неупругой деформации в которых происходит по средствам структурных превращений.

В них при нагревании, после предварительной деформации, происходит процесс возврата к исходной форме.

Активизация такого материала происходит при t приблизительно 40 градусов. Смена температуры воздействует на кристаллическую решетку нитинола, которая изменяет свою конфигурацию, переходя из одной фазы в другую.

Материалы данного класса показали, что процесс неупругого деформирования – вполне обратим.

Произвольная смена форм осуществляется в изотермических условиях и при смене температуры. Явление запоминания формы невозможно подавить значительным силовым воздействием, а степень реактивных напряжений способна приближаться до 1000-1300Мпа.

Эффект памяти формы

Эффект памяти формы — возобновление изначальной формы под действием тепла, наблюдающееся у определенных материалов в следствии предварительной деформации.

ЭПФ проявляется в следующем- металл, обладающий заданои формой в аустенитном состоянии под воздействием повышенной t, деформируются в следствии снижнной t мартенситных превращений. В следствии перегревания, возобновляется первичный вид металла.

ЭПФ присущ материалам обладающим термоупругими мартенситными превращениями, когерентностью решеток первичной аустенитной и мартенситной фаз, низким значением гистерезиса структурного превращения, а также несущественными сменами объема при превращениях.

НИТИНОЛ

Одним из самых изученных и широко применяемых сплавов обладающих эффектом памяти формы, по праву считается никелид титана, он же нитинол.
Нитинол представляет собой интерметаллическое соединение эквиатомного состава с 55% никеля, 45% титана. t плавления сплава — 1240—1310 C, плотность — 6,45 г/см3.

Никелид титана может быть датчиком или находиться в роли исполнительного механизма.

Другими словами, в этом материале есть свои датчики, которые способны фиксировать внешнее воздействие, проводить обработку, и даже осуществлять контроль над ними в режиме реального времени. Перестройка структуры может осуществляться самостоятельно, или передаваться по ЭВМ, которые программируют, с учетом требований к конструкции, условиям эксплуатации, характеристик материала и т.д.

Свойства нитинола:

  • достаточно сильная коррозионностойкость;
  • высокая степень:
  • прочности;
  • запоминания и восстановления формы;
  • поглощения энергии вибрации, которая зависит от напряжений в материале.
  • уровень деформации в пределах 8 % — абсолютно восстановим;
  • степень напряжения восстановления достигает до 800 МПа;
  • хорошая биологическая совместимость;
  • помимо этого, нитинол в 10 раз эластичнее любого металла.

Существенным минусом никелида титана является плохая технологичность (сложность выдержки пропорций элементов, плавления, переработки, сварки и обработки металла) и большая стоимость.

Малая технологичность заключается в том, что титан, входящий в состав способствует легкому присоединению азота и кислорода и для предотвращения окисления требуется использование вакуумирования.

В следствии высокой степени прочности сплава, затрудняется его обработка для изготовления деталей, а тем более способом резания.
Учитывая особые свойства нитинола, даже при существенно высокой стоимости, масштабное его производство и изделий из него, также, как и сплавов системы Медь-Цинк- Алюминий, нашли широкое применение в различных видах промышленности и рыночный сбыт.

Немножко науки

Как мы уже говорили, нитинол на 55% состоит из никеля и на 45% из титана.
Однако, варьируя проценты их содержания, можно значительно корректировать температуры фазовых переходов и воздействовать на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В различных материалах с ЭПФ период t фазовых переходов находится в пределах от 4,2 до 1300 К.

Гистерезис — (греч.то, что отстает, поздний) некая зависимость изменения физической величины, которая характеризует определенное состояние или свойство тела, от изменения физической величины, характеризующей внешние условия. Гистерезис обусловлен необратимыми изменениями в теле, которые возникают от действия внешних факторов, в результате чего тело, из-за остановки влияния на него, характеризуется так называемыми остаточными характеристиками (остаточным намагничиванием, электризацией, деформацией и т.п).

Читайте также:  Как заживает рана после операции на предстательную железу
Рис. 1.3. Влияние t на фазовый состав сплава с обратимыми мартенситными превращениями.

t мартенситных превращений (ТМП) коррелируются с общим составом материала. Обогащение его ткимим элементами, как железо, марганец, хром, ванадий, кобальт способствуют уменьшению Мн и Мк до –1960С, а добавление в содержание цинка, ниобия, тантала– к росту этих значений (до +100С). Медь и кремний имеют несущественное воздействие на t превращений.

Применение металла с памятью

Есть мнение, что ионы никеля могут выходить из состава сплава.

Этот факт делает невозможным использование нитинола в каждой медицинской отрасли. Поскольку проведенные эксперименты, на счет токсичности и канцерогенности сплавов никеля, имеют неоднозначные результаты. А часть ученых вообще считают его опасным аллергеном, а другие придерживаются мнения ,что он совершенно безопасен для тканей человека.

Даже несмотря на то, что никелид титана наиболее изученный материал с памятью формы, на 100% утверждать о его полной совместимости с клетками и тканями человека мы не можем.

Это интересно
В Канадском Университете Ватерлоо создали сплав способный запомнить сразу более одной ранее заданной формы. Технология создания металла с памятью формы заключается в создании определенных переходных фаз, способных реагировать на различные температуры и могут плавно менять форму предмета. Каждое изменение формы привязано к определенной температуре, что позволяет создавать различные подвижные механизмы, такие как манипуляторы роботов, ловкие, но без сложной кинематики.

ЭПФ широко применяют в:

  • медицине,
  • стоматологии,
  • космическом строительстве,
  • изготовлении двигателей,
  • при производстве эксклюзивных ювелирных изделий и высокотехнологичной одежды.
  1. Украшения декорируют цветками, которые в результате касания тела, раскрывают бутоны, демонстрирую находящийся внутри драгоценный камень.
  2. А совсем недавно брэнд СогроNova (Италия) предложил элемент мужской одежды, в котором на пять нейлоновых волокон приходится одна проволока из нитинола.
    «Фишками» такой рубашки были рукава, которые при нагревании до t 35 C закатить, далее охладить и опустить, то при последующем достижении t 35 C рукава закатываются самостоятельно. Но главная ее особенность в том, что после глажки при t 50 C она запоминает форму, и после многократного комканья, при воздействии тепла, до нагревания до той же температуры вновь станет, словно свежевыглаженная.
  3. В строительстве космических объектов, при открытии ближнего и дальнего космического пространства, существует ряд сложностей с осуществлением доставки и монтажа различных громоздких конструкций в открытое пространство.

    Так вот, из нитинола создают антенны, конструкция которых состоит из листов и стержней, скрученных в спираль и помещенных в специальный люк в спутнике. Когда он выходит на орбиту, антенна нагревается солнечным излучением и отправляется наружу.
    Отдельной сложностью является соединение громоздких космических объектов в просторах космоса, доставка которых возможна исключительно отдельными частями, а к сожалению стандартные способы объединения элементов, по средствам сварки, пайки, склеивания, клепки и других, в космосе — невозможны, поскольку существуют специальные максимально повышенные требования по технике безопасности.
    Учитывая эту специфику, была разработана эксклюзивная технология по соединению деталей в космосе с задействованием муфт из металла ТН-1. Ее использовали в процессе соединения конструкции фермы из алюминиевых сплавов длинной в 14,5 м) с поперечным квадратным сечением со сторонами 0,5х0,5 метра. Ферма была выполнена из обособленных трубчатых элементов ф 28 мм, соединенных нитиноловой муфтой, обладающей ЭПФ.

Можно еще много рассказывать о сферах применения нитинола, в строительстве (высотное, сейсмостойкое, гидросторительство( мосты, дамбы, трубопроводы), в машино- и станкостроении, в медицине и стоматологии и т.д., важно то, что за последние 25 лет конструкционные материалы с памятью получили широкое применение именно в авиа-космическом строительсве.

Благодаря открытию материалов с ЭПФ открылись возможности сосдания перспективных самолетов, ракет, больших космических конструкций, обеспечивающих высокие пилотажные характеристики, низкие уровни шума и вибраций, а также гарантирующий полный мониторинг их состояния.

Создание подобных конструкций — шаг к внедрению новых структурных технологий, включающих разработку материалов, испытание, анализ, проектирование, производство и техническое обслуживание

В последенее время создание новых конструкционных (функциональных) материалов, а так же разработка технологий их создания, необходимы для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных секторов промышленности и экономики страны.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector