Згідно загальноприйнятій думці, метали – найбільш міцні і стійкі матеріали. Однак існують такі сплави, які можуть після деформації відновлювати свою форму без прикладання зовнішнього навантаження. Для них характерні й інші унікальні фізико-механічні властивості, що виділяють їх серед конструкційних матеріалів.
Сутність явища
Ефект пам’яті форми в сплавів полягає в тому, що попередньо деформований метал мимовільно відновлюється в результаті нагрівання чи просто після зняття навантаження. Ці незвичайні властивості були помічені вченими ще в 50-х роках XX ст. Вже тоді дане явище було пов’язане з мартенситными перетвореннями в кристалічній решітці, при яких відбувається впорядковане переміщення атомів.
Мартенсит в матеріалах з ефектом пам’яті форми є термоупругим. Ця структура складається з кристалів у вигляді тонких пластин, які витягуються в зовнішніх шарах, а у внутрішніх – стискаються. «Носіями» деформації є міжфазні, двойниковые і межкристаллитные кордону. Після нагріву деформованого сплаву з’являються внутрішні напруги, які намагаються повернути метал в початкову форму.
Характер самовільного відновлення залежить від механізму попереднього впливу і температурних умов, при яких воно розвивалося. Найбільший інтерес являє собою багаторазова циклічність, яка може становити кілька мільйонів деформацій.
Метали і сплави з ефектом пам’яті форми мають і іншою унікальною властивістю – нелінійною залежністю фізичних і механічних характеристик матеріалу від температури.
Різновиди
Вищеописаний процес може проявлятися в декількох формах:
- надпластичність (сверхупругость), при якій кристалічна структура металу витримує деформації, що значно перевищують межу текучості в звичайному стані;
- одноразова і оборотна пам’ять форми (в останньому випадку ефект неодноразово відтворюється при термоциклюванні);
- пластичність прямого і зворотного перетворення (накопичення деформації під час охолодження і нагріву, відповідно, при проходженні через мартенситное перетворення);
- реверсивна пам’ять: при нагріванні спочатку відбувається відновлення однієї деформації, а потім, при подальшому збільшенні температури – іншої;
- орієнтоване перетворення (накопичення деформацій після усунення навантаження);
- псевдоупругость – відновлення непружних деформацій від значень пружних в діапазоні 1-30 %.
Повернення до вихідного стану у металів з ефектом пам’яті форми може відбуватися настільки інтенсивно, що його не вдається придушити зусиллям, близьким до межі міцності.
Матеріали
Серед сплавів, що володіють такими властивостями, що найбільш поширені титано-нікелеві (49– 57 % Ni і 38-50 % Ti). Вони володіють хорошими експлуатаційними характеристиками:
- висока міцність і опірність до руйнування корозією;
- значний коефіцієнт відновлення форми;
- велике значення внутрішнього напруження при поверненні в початковий стан (до 800 МПа);
- хороша сумісність з біологічними структурами;
- ефективне поглинання вібрацій.
Крім нікеліда титану (або нітінола) застосовуються і інші сплави:
- двокомпонентні – Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- трикомпонентні – Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn-Si та інші.
Легуючі добавки можуть сильно змінювати температуру мартенситних перетворень, впливаючи на властивості відновлення.
Використання в промисловості
Застосування ефекту пам’яті форми дозволяє вирішувати багато технічні завдання:
- створення герметичних трубних вузлів аналогічно методу розвальцьовування (фланцеві з’єднання, самозатягивающиеся обойми і муфти);
- виготовлення затискних інструментів, захоплень, штовхачів;
- проектування «суперпружин» і акумуляторів механічної енергії, крокових двигунів;
- створення з’єднань з різнорідних матеріалів (метал-металоїд) або у важкодоступних місцях, коли застосування зварювання або пайки стає неможливим;
- виготовлення силових елементів багаторазового дії;
- корпусні герметизація мікросхем, гнізда для їх приєднання;
- виробництво регуляторів і датчиків температури в різних приладах (пожежна сигналізація, запобіжники, клапани теплових машин та інші).
Великі перспективи має створення подібних апаратів для космічної промисловості (саморазворачивающиеся антени і сонячні батареї, телескопічні пристрої, інструмент для монтажних робіт у відкритому космосі, приводи поворотних механізмів – рулів, заслінок, люків, маніпуляторів). Їх перевагою є відсутність імпульсних навантажень, які вносять порушення в просторове положення в космосі.
Застосування сплавів з ефектом пам’яті форми в медицині
У медичному матеріалознавстві метали з даними властивостями використовуються для виготовлення таких технологічних пристроїв, як:
- крокові двигуни для витягування кісток, випрямлення хребта;
- фільтри для кровозамінників;
- пристосування для фіксації переломів;
- ортопедичні апарати;
- затискачі для вен і артерій;
- деталі насосів для штучного серця або нирок;
- стенти і ендопротези для імплантації у кровоносних судинах;
- ортодонтичні дуги для корекції зубного ряду.
Недоліки та перспективи
Незважаючи на широкі можливості, сплави з ефектом пам’яті форми мають недоліки, які обмежують їх широке впровадження:
- дорогі компоненти хімічного складу;
- складна технологія виготовлення, необхідність використання вакуумного обладнання (щоб уникнути включення домішок азоту і кисню);
- фазова нестабільність;
- низька оброблюваність металів різанням;
- труднощі у точному моделюванні поведінки конструкцій та виготовлення сплавів з заданими характеристиками;
- старіння, втома і деградація сплавів.
Перспективним напрямком в розвитку цієї галузі технологій є створення покриттів з металів, що володіють ефектом пам’яті форми, а також виготовлення таких сплавів на основі заліза. Композитні структури дозволять об’єднати в одному технічному рішенні властивості двох і більше матеріалів.
