Сплавы с эффектом памяти форм

СОДЕРЖАНИЕ: 

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                          3

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ                                                                4
2. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ                                                           4
3. СТРУКТРА И СВОЙСТВА СПЛАВОВ                                                      6
4. ОБЛАСТЬ ПРИМИНЕНИЯ                                                                          9

ВЫВОДЫ                                                                                                          14

ЛИТЕРАТУРА                                                                                                  15

ВВЕДЕНИЕ 

      Эффект памяти формы (ЭПФ) были открыты в конце 60-х годов этого века. Уже через 10 лет (конец 70-х - начало 80-х) появляется множество сообщений в научных журналах, описывающих различные возможности его применения. В настоящее время для сплавов ЭПФ  определенны функциональные свойства: одно - и двухсторонний эффект памяти, псевдо- или суперэластичность, высокая заглушающая способность [1].

      Сплавы  с ЭПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности. Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные превращения существуют например в таких  системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

      В зависимости от температуры мартенситного  превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы  имеют широкий диапазон применения. [2]

1. ХАРАКТЕРИСТИКА  СПЛАВОВ 

     Механизмом,  определяющим  свойства  “ памяти  формы ”,  является  кристаллографическое  обратимое  термоупругое  мартенситное  превращение – эффект  Курдюмова.  Это  превращение  сопровождается  изменением  объема,  которое  носит  обратный  характер,  обеспечивая  память.

     В  сплавах  с  эффектом  “ памяти  формы ”  при  охлаждении  происходит  рост  термоупругих  кристаллов  мартенсита,  а  при  нагреве – их  уменьшение  или  исчезновение.  Эффект  “ памяти  формы ”  наиболее  хорошо  проявляется  при  низких  температурах  и  в  узком  интервале  температур,  иногда  порядка  нескольких  градусов ( кельвин ).

     В  настоящее  время  известно  большое  число  двойных  и  более  сложных  сплавов  с  обратным  мартенситным  превращением,  обладающих  в  разной  степени  свойствами  “  памяти  формы ”: Ni – Al, Ni – Co, Ni – Ti;   Ti – Nb;   Fe – Ni;      Cu – Al, Cu – Al – Ni   и  др. [3] 

     2. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ 

      Сплавы  с памятью формы получаются путем  сплавления  индивидуальных компонентов. Расплав быстро охлаждают и проводят высокотемпературную обработку.

      Предложен целый класс композиционных материалов «биокерамика - никелид титана» для  медицины. В таких материалах одна составляющая (никелид титана) обладает памятью формы и сверхэластичностью, а другая – сохраняет свойства биокерамики. В качестве керамической составляющей наиболее часто используется фарфор, который широко используется в ортопедической стоматологии и является хрупким материалом. Для изготовления таких образцов используют порошки никелида титана и фарфоровой массы, которые после смешивания и просушивания спекают в вакууме [3].

      Мартенситное  превращение в сплавах на основе NiTi является атермическим процессом, скорость которого целиком определяется скоростью изменения температуры вблизи термодинамического равновесия фаз. Поэтому все специфические механические эффекты в NiTi, сопровождающие мартенситное превращение, такие как память формы, пластичность превращения, могут быть реализованы за очень малые времена при соответствующих режимах нагрева и охлаждения. В быстродействующих устройствах для ускорения обменом теплом с теплоагентом (жидким или газообразным) используют тонкомерную ленту, проволоку и трубы с микронными линейными размерами в сечении. В этом случае большое значение приобретает состояние свободной поверхности сплава. Поскольку даже небольшие вариации состава приводят к изменению температурной кинетики и полноты превращения, то сегрегация элементов и окисление поверхности существенно изменяют и специальные свойства материала. Особую важность указанное обстоятельство приобретает вследствие необходимости предварительной термической или термомеханической обработки материала.

      Исследования  показали склонность никелида титана на свободной поверхности при  термических воздействиях. В атмосфере, содержащей кислород, сплав окисляется с образованием оксидного слоя, содержащего в основном оксид TiO₂. Можно полагать, что поскольку титан химически весьма активен то в бескислородной среде атомы титана будут образовывать соединения с любым неинертным газом, например в атмосфере азота – нитриды. Избежать образования оксидов по границам зерен и на поверхности можно лишь при термообработках образцов в вакууме либо в инертной среде [1]. 
 

3. СТРУКТРА  И СВОЙСТВА СПЛАВОВ 

     На  сегодняшний день известно уже более  десятка сплавов с памятью формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых остается самым распространенным. В них четко выражен эффект памяти формы, причем диапазон температур можно с хорошей точностью регулировать, вводя в сплав различные примеси.

     Экспериментальные исследования показали, что сплавы на основе никелида титана радикальным образом отличаются от других материалов, физические свойства которых максимально приближают их к тканям организма, благодаря чему конструкции из сплавов на основе никелида титана (TiNiMo) способны длительно функционировать без каких-либо изменений. Исследования, проведенные к настоящему времени, показали, что эти сплавы не токсичны, не вызывают канцерогенного действия на окружающие ткани, имеют высокую коррозийную стойкость в тканях живого организма и высокую степень биологической совместимости.

     Наиболее  широко  применяют  сплавы  на  основе  мононикелида  титана  NiTi,  получившие  название  нитинол.  Эффект   “ памяти  формы  ”  в  соединении  NiTi  может  повторяться  в  течение  многих  циклов.

     Свойства  мононикелида  титана: 

     ·         высокая  прочность:  sт=300¸500 МПа;  sв=770¸1100 МПа;

     ·         пластичность:  d=10¸15%;

     ·       коррозионная  и  кавитационная  стойкость  и  демпфирующая  способность (хорошо  поглощает  шум  и  вибрацию).

     Кристаллическая решетка нитинола может находиться в одной из двух форм: либо в виде объемно-центрированного куба (ОЦК), такое состояние решетки называется аустенитной формой; либо в виде ромбовидной структуры с центрированными  гранями (РГЦ) — мартенситная форма. Переход объемно-центрированного куба в гранецентрированный ромб называется прямым мартенситным превращением, а переход структуры РГЦ в структуру ОЦК — обратным мартенситным превращением. На превращениях этих двух различных кристаллических структур и основано явление эффекта запоминания формы. Его называют также термоупругим мартенситным превращением, или переходом мартенсит—аустенит и обратно. [1]

     Псевдоупругость — это способность материала  с ЭПФ пластически деформироваться  при определенных условиях и восстанавливать деформацию при снятии внешней деформирующей нагрузки, как показано на рис. 1 

     Рис. 1 Псевдоупругое механическое поведение на основе сплава TiNi 

     На  участке АВ пластическая деформация обусловлена протеканием реакции «аустенит мартенсит», инициируемой механическим нагружением. Наведенный в данных условиях мартенсит термодинамически неустойчив и при снятии нагрузки превращается в аустенит, что сопровождается исчезновением пластической деформации (участок ВС).

     Значение  псевдоупругой деформации может составлять для разных сплавов от 2 до 8 %, что позволяет изготавливать из сплавов с ЭПФ упругие элементы с существенно более высокими деформационными способностями (например, суперпружины).

     Эффект  псевдоупругости может реализовываться  и при других условиях деформирования, например при Т < Мк, с задействованием других механизмов обратимой деформации. Однако внешнее его проявление аналогично рассмотренному.

     Обратимая деформация. У многих материалов в процессе термоциклирования в ненагруженном состоянии через интервалы прямого и обратного мартенситных превращений при охлаждении деформация накапливается (1), а при нагреве (2) восстанавливается (рис. 2). 

     Рис. 2. Накопление (1) деформации при охлаждении и ее восстановление (2) при нагреве в сплаве с ЭПФ в ненагруженном состоянии после предварительного термоциклирования под нагрузкой через интервал Мк–Ак 

     Это свойство называют обратимой (двусторонней) памятью формы (ОПФ), которое имеет  способность не исчезать практически  после любого числа теплосмен. Данный эффект может быть инициирован только за счет деформационного воздействия  на металл: во-первых, активным пластическим деформированием мартенсита или аустенита в изотермических условиях; во-вторых, термоциклированием материала под нагрузкой через интервал фазовых превращений. 

     Рис. 3 Деформация решетки при обратимом превращении В2-аустенита ↔ В19-мартенсита в никелиде титана 

     Эффект  обратимой памяти формы резко  расширяет возможности применения сплавов с ЭПФ в приборах и  конструкциях многократного циклического действия. [4] 

     4. ОБЛАСТЬ ПРИМИНЕНИЯ 

      Впервые сплав с памятью формы был  применен в самолете F-14 в 1971 году, это был Ni-Ti-Fe. Использование Ni-Ti-Nb сплава стало большим достижением, но также и Fe-Mn-Si сплавы получили много внимания, несмотря на их более низкое восстанавливаемое напряжение.

      Имеются потенциальные возможности применения нитинола при производстве товаров широкого потребления. Например, интересное изобретение: устройство - держатель пепельницы, который опускает горящую сигарету в пепельницу, предотвращая ее попадание, предположим, на скатерть стола. [2]

      Надежность  устройств с памятью формы зависит от их срока службы. Важные внешние параметры управления рабочими циклами системы, являются - время, температура. Важные внутренние параметры, которые определяют физические и механические свойства: система сплава, состав сплава, тип преобразования и дефекты решетки. Эти параметры управляют термомеханической историей сплава. Как следствие, максимальный эффект памяти будет ограничен в зависимости от требуемого количества циклов.

      Полезные  космические грузы типа солнечных  батарей или антенн спутников сейчас используют в основном пиротехнические способы раскрытия, которые создают множество проблем. Использование материалов с памятью формы позволит устранить все эти проблемы, также предоставит возможность неоднократно проверить работоспособность системы еще на земле.

      Недавнее  исследование относительно Ni-Ti сплавов показало, что суперэластичное поведение приводит к повышению износостойкости. Псевдоэластичное поведение уменьшает область упругого контакта во время скольжения. Уменьшение области упругого контакта между двумя скользящими частями увеличивает износостойкость материала. Специальный тип износа  - кавитационная  эрозия, которая создает специфические проблемы в гидравлических машинах, винтах судов, водяных турбинах. Сравнительные изучения различных материалов показали, что Ni-Ti сплавы имеют более высокое сопротивление кавитационной эрозии, чем обычные сплавы. В мартенситном состояние у Ni-Ti сплава очень хорошая стойкость к кавитационной эрозии. Но изготовление рабочих частей подвергающихся коррозии полностью из Ni-Ti сплава слишком дорогое удовольствие, поэтому оптимальный путь  -  использование Ni-Ti сплава соединенного со сталью.[1]