Formminneeffekter: materialer og virkningsmekanisme. Søknadsmuligheter. Form minneeffekt Materialer med minne

Effekten er evnen til et ubelastet materiale, under påvirkning av ytre spenninger og temperaturendringer, til å akkumulere deformasjon (10–15%), reversibel enten ved oppvarming eller under prosessen med å fjerne den ytre spenningen (superelastisitet). Deformasjon kan akkumuleres under aktiv belastning, så vel som når temperaturen på legeringen under påvirkning av enakset eller skjærspenning endres. En typisk driftssyklus for et slikt materiale er presentert i figur 1. Deformasjon på trinn b–c (figur 1) akkumuleres på grunn av reorientering av martensittkrystaller (effekten av martensittisk uelastisitet) og forblir etter at belastningen er fjernet. Formminneeffekten manifesterer seg i stadier c–d (Figur 1), hvor materialet uavhengig gjenoppretter formen og kan utvikle betydelige krefter.

Figur 1 – Skjema for deformasjon av en stang med en formminneeffekt (a–d) og avhengigheten av volumfraksjonen av martensitt q av temperaturen T (e).

Formminnelegeringer, i tillegg til titannikkelid, inkluderer AuCd, Cu–Al–Zn, AgCd, etc. Formminneeffekten er basert på martensittiske transformasjoner, som er preget av en svak avhengighet av temperaturene i begynnelsen og slutten av transformasjon på hastigheten på temperaturendringer, oftest reversibel arten av transformasjonen, en merkbar avvik (hysterese) mellom temperaturene i forover- og bakreaksjonene og andre tegn. Høytemperaturmodifikasjonen kalles vanligvis austenitt, og lavtemperaturmodifikasjonen kalles martensitt (Figur 1). Temperaturene til martensittiske transformasjoner avhenger sterkt av den kjemiske sammensetningen av legeringene, deres termiske og mekaniske behandling. For eksempel ligger de karakteristiske temperaturene til titan nikkelid i området 30–80 °C, og overskrider sjelden dette området, men legering med jern reduserer dem med omtrent 150–200 °C, det vil si til –170…–70 °C .

Kinetikken til martensittiske transformasjoner har en uttalt hysterese (figur 1e). Hvis materialet avkjøles fra den austenittiske tilstanden, skjer det i utgangspunktet ingen fasetransformasjoner. Men med utgangspunkt i en viss karakteristisk temperatur, som vanligvis betegnes med Ms, vises de første martensittkrystallene, derfor øker andelen av martensittfasen i volumet av materialet. Med ytterligere avkjøling øker størrelsen og antallet til krystallene fyller hele volumet ved temperatur Mf. En slik transformasjon kalles direkte og, i nærvær av en ekstern belastning, er den ledsaget av utseendet til stor deformasjon (transformasjonsplastisitetseffekt). Med påfølgende oppvarming, fra temperatur A s, begynner martensitt å omdannes til austenitt. I dette tilfellet begynner den akkumulerte deformasjonen sakte å forsvinne til temperaturen stiger over A f og formen er gjenopprettet.

Slike legeringer brukes som biomedisinske implantater: stenter, ortodontiske ledninger, filtre, fiksatorer, osteosyntesebraketter, plater, etc. .

Når du bruker legeringer med SMB i medisin, er det nødvendig at de sikrer ikke bare påliteligheten til mekaniske funksjoner, men også kjemisk pålitelighet (motstand mot forringelse av egenskaper i et biologisk miljø, motstand mot nedbrytning, oppløsning, korrosjon), biologisk pålitelighet (biologisk kompatibilitet, mangel på toksisitet, kreftfremkallende egenskaper, motstand mot dannelse av blodpropp og antigener). Enkle metallelementer har en sterk toksisk effekt, men i kombinasjon med andre elementer finner man effekten av gjensidig svekkelse av toksisitet. Viktigere enn dannelsen av ioner er imidlertid løseligheten til passiverende filmer som vises på overflaten av metaller. For eksempel inneholder krom-nikkel-legeringer, kobolt-krom-legeringer, ren Ti, Ti–6Al–4V-legering [% (at.)] brukt som biologiske materialer grunnstoffer som har en sterk giftig effekt i form av enkle grunnstoffer, men passivering filmer dannet i kontakt med biologiske organismer er ganske stabile.

Send ditt gode arbeid i kunnskapsbasen er enkelt. Bruk skjemaet nedenfor

Studenter, hovedfagsstudenter, unge forskere som bruker kunnskapsbasen i studiene og arbeidet vil være deg veldig takknemlig.

Lagt ut på http://www.site/

FORBUNDSBYRÅ FOR UTDANNING AV DEN RUSSISKE FØDERASJON

STATS UTDANNINGSINSTITUTION

HØYERE PROFESJONELL UTDANNING

"LIPETSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY"

Institutt for fysisk metallvitenskap

Essay

om emnet: "Mmetaller med formminne"

Lipetsk 2010

Formminneeffekten (SME) i metaller, hvis oppdagelse med rette regnes som en av de viktigste prestasjonene innen materialvitenskap, blir for tiden intensivt studert og, i en rekke tilfeller, vellykket brukt i teknologi.

Vitenskapelig interesse for dette fenomenet er bestemt av ønsket om å forstå den fysiske naturen og mekanismen til SMB, noe som utvider den grunnleggende forståelsen av den uelastiske oppførselen til faste stoffer. Fra et praktisk synspunkt stimuleres disse studiene av at SMB innen metaller allerede åpner for brede muligheter for anvendelse i teknologi, noe som gjør det mulig å lage elementer og enheter med fundamentalt nye funksjonelle egenskaper.

Inntil nylig ble uelastisk deformasjon ansett som plastisk og ble ansett som irreversibel. Plastisk deformasjon av krystaller oppstår på grunn av bevegelse av krystallgitterdefekter - elementære deformasjonsbærere, som er punktdefekter og (eller) dislokasjoner. Det er viktig å understreke at i det generelle tilfellet kan plasseringen av dislokasjoner og (eller) punktdefekter i nye posisjoner etter deformasjon etter fjerning av lasten vise seg å være stabil, d.v.s. ikke å foretrekke fremfor de originale. Konsekvensen av dette er den nesten fullstendige irreversibiliteten til uelastisk deformasjon. Den mekaniske ettervirkningen observert i praksis, assosiert med en viss omvendt bevegelse av defekter etter lossing, overstiger ikke 10-4-10-3 relativ deformasjon og kan neglisjeres.

Sammen med de ovennevnte mekanismene kan plastisk deformasjon være forårsaket av mekanisk tvilling av krystallen.

Forskning de siste tiårene har slått fast at det er en bred klasse av materialer (legeringer basert på titannikkelid TiNi, messing og bronse med kompleks sammensetning, etc.), der den elementære plastisitetshandlingen utføres på grunn av en reversibel martensittisk transformasjon, elastisk tvilling og en rekke andre prosesser som radikalt endrer mønstre av uelastisk deformasjon. Spesielt i disse legeringene kan fullstendig eller delvis reversibilitet av uelastisk deformasjon, kalt formminneeffekten, observeres.

SME av de fleste legeringer er basert på de såkalte termoelastiske martensittiske transformasjonene (TUMT). Teorien om martensittiske transformasjoner er basert på grunnleggende ideer om den regelmessige naturen til restruktureringen av krystallgitteret og koherensen av de sameksisterende fasene av austenitt (A) og martensitt (M), formulert av G.V. Kurdyumov (høytemperaturfasen kalles vanligvis austenitt, og lavtemperaturfasen kalles martensitt).

Legeringer med TUMP er preget av avhengigheten av fasesammensetningen av temperaturen, vist i fig. 1.

Når et materiale avkjøles fra austenittisk tilstand, begynner det å dannes martensitt ved en viss temperatur Mn. Med ytterligere avkjøling øker mengden martensittfase, og den fullstendige transformasjonen av austenitt til martensitt ender ved en viss temperatur Mk. Under denne temperaturen forblir bare den martensittiske fasen termodynamisk stabil. Ved oppvarming begynner omdannelsen av martensitt til austenitt ved en viss temperatur An og slutter helt ved temperaturen Ak. Med full termisk syklus oppnås en hystereseløkke. Bredden på hysteresesløyfen på Ak-Mn eller An-Mk temperaturskalaen kan være forskjellig for forskjellige materialer: bred eller smal (fig. 1, a og b). I nærvær av mekaniske påkjenninger kan temperaturene Mn, Mk, An og Ak skifte mot høyere temperaturer, og i dette tilfellet er de betegnet som, og.

Ris. 1 - Avhengighet av fasesammensetningen til legeringen på temperatur: a) bred hysterese; b) smal hysterese

Det er viktig å merke seg at under TMT (i motsetning til konvensjonelle martensittiske transformasjoner, for eksempel i stål), forblir interfasegrensene mellom A og M koherente og er lett mobile. Ved avkjøling (direkte transformasjon) i temperaturområdet (Mn-Mk), kjernener og vokser martensittkrystaller, og ved oppvarming (omvendt transformasjon) i temperaturområdet (An-Ak), forsvinner martensittkrystaller (omdannes til austenitt) i motsatt rekkefølge. rekkefølge (fig. 2).

Ris. 2 - Vekst og forsvinning av martensittkrystaller under kjøling og oppvarming (Cu-Al-Mn-legering)

For et isotropt materiale i fravær av ytre spenninger har ikke martensittplater dannet under direkte transformasjon en foretrukket orientering, og lokale skjærdeformasjoner kompenseres i gjennomsnitt over volumet. I prosessen med omvendt transformasjon (M ® A), fortsetter omstruktureringen av gitteret til det opprinnelige strengt i motsatt rekkefølge. I dette tilfellet observeres ingen makroskopisk endring i formen på materialet, med unntak av en liten volumendring (for eksempel for en legering basert på TiNi er volumendringen ca. 0,34 %, som er en størrelsesorden på styrke mindre enn for stål (> 4 %)).

Hvis det er orienterte spenninger i materialet (for eksempel virkningen av en ekstern belastning), får martensittplatene en foretrukket orientering, og lokale skjærdeformasjoner fører til en makroskopisk endring i prøvens form (Le Chatelier-Brown-prinsippet) . I prosessen med omvendt transformasjon (M ® A) skjer gitteromorganiseringen i henhold til "nøyaktig bakover"-prinsippet, med lokale skjærdeformasjoner som forsvinner, og derfor elimineres makroskopiske endringer i form. Den ytre manifestasjonen av denne materielle oppførselen tolkes som en SMB.

For fullstendig gjenoppretting av form er det nødvendig at den martensittiske transformasjonen er krystallografisk reversibel. Krystallografisk reversibilitet av en transformasjon involverer ikke bare gjenoppretting av krystallstrukturen, som avhenger av omvendt transformasjon, men også gjenoppretting av den krystallografiske orienteringen til den innledende fasen før transformasjonen. I tillegg er det nødvendig at deformasjonen utføres uten deltakelse av glidning, siden glidning er en irreversibel prosess, og deformasjon elimineres ikke ved oppvarming.

Den martensittiske transformasjonen kan initieres ikke bare av temperaturendringer, men også av mekaniske krefter. I samsvar med ovenstående skilles termomartensitt og mekanomartensitt, og ved analyse av fasediagrammer (fig. 1) introduseres vanligvis tre mer karakteristiske temperaturer: T0, Md, Ad, hvor T0 er temperaturen for termodynamisk likevekt; Md er temperaturen under hvilken martensitt kan oppstå, ikke bare på grunn av en reduksjon i temperatur, men også under påvirkning av mekanisk stress; Helvete er temperaturen over hvilken austenitt kan vises ikke bare på grunn av oppvarming, men også under påvirkning av mekanisk stress.

Plasseringen av disse temperaturene i forhold til hysteresesløyfen påvirker oppførselen til materialet under termisk kraft. Ved smal hysterese (fig. 1, b) kan temperaturen Md være til høyre for temperaturen på slutten av den austenittiske transformasjonen Ak, og med bred hysterese, til venstre for denne temperaturen (fig. 25.1, en).

I legeringer med smal hysterese vil indusert mekanomartensitt, dvs. martensitt dannet under påvirkning av en ekstern belastning ved en temperatur under Mg (men over Ak), være termodynamisk ustabil og bør forsvinne ved lossing. I fig. 1 er austenitt-martensitt-transformasjonene konvensjonelt indikert med vertikale piler. I slike materialer observeres den såkalte pseudoelastisitetseffekten, som åpenbart er assosiert med disse fenomenene.

Med bred hysterese vil den induserte mekanomartensitten være termodynamisk stabil og bevares under lossing. I dette tilfellet vil deformasjonene forsvinne først etter oppvarming, dvs. etter fullføring av MA-reaksjonen.

Hovedeffekter av termomekanisk oppførsel av materialer med SME

Spennings-tøyningsdiagrammet for materialer med SME som gjennomgår reversible fasetransformasjoner (fig. 3) skiller seg betydelig fra det for konvensjonelle materialer. Etter elastisk deformasjon (seksjon 0A) opplever materialet betydelig plastisk deformasjon med svært liten tøyningsherding (seksjon AB), hvor plastisiteten skyldes en fasetransformasjon. Ytterligere deformasjon av materialet fortsetter som vanlig (seksjon BCD). Spenningen som tilsvarer utbruddet av plastisk deformasjon (punkt A) knyttet til fasetransformasjoner kalles vanligvis faseflytespenningen, i motsetning til den vanlige flytespenningen s t.

Faseflytegrensen avhenger av testtemperaturen (fig. 3, b) og har en minimumsverdi ved en temperatur nær Mn.

Forekomsten av reversible fasetransformasjoner i legeringer med SME er ledsaget av en rekke uvanlige termomekaniske effekter, hvorav de viktigste er diskutert nedenfor.

T(TPE)

Denne effekten kan illustreres som følger. En prøve av en legering med en SME ved høyere temperatur (i austenittisk tilstand) belastes med en kraft P (fig. 4) og avkjøles deretter. I temperaturområdet observeres intens akkumulering av deformasjon e pp som følge av en direkte martensittisk reaksjon. Etter at lasten er fjernet, gjenstår deformasjonen e pp. Ved etterfølgende oppvarming av den deformerte prøven i temperaturområdet, elimineres deformasjonen e, som er en demonstrasjon av SME. Det er et lineært forhold mellom e pp og påførte spenninger opp til visse verdier, over hvilke avvik av ulike typer observeres.

Ris. 3 - Skjema for deformasjonsdiagrammet (a) og avhengigheten av faseflytegrensen på testtemperaturen (b) til materialet med SME

metalllegering med minneform

Ris. 4 - Akkumulering av deformasjon under belastning under kjøling (heltrukken linje) og eliminering under oppvarming uten belastning (stiplede linjer)

Shape memory-effekt

Fenomenologien til SMB kan illustreres som følger. Prøven deformeres (for eksempel ved strekking) ved en temperatur under Md (fig. 5, a). Når spenningen er nådd, deformeres prøven plastisk (seksjon AB), og denne deformasjonen kalles fase (e f), siden den er forårsaket av fasetransformasjonene "austenitt-martensitt" eller "martensitt-martensitt", eller deres kombinasjoner. I noen tilfeller kan faseplastisk deformasjon forekomme i flere stadier, som bestemmes av flertrinnsnaturen til fasetransformasjoner.

Ris. 5 - Ordning for implementering av SMB (a) og avhengigheten av graden av formgjenoppretting på foreløpig deformasjon (b)

Etter lossing (seksjon BC) beholdes fasedeformasjonen (e f) i prøven. Når prøven varmes opp som et resultat av den omvendte martensittiske transformasjonen som skjer i temperaturområdet (An-Ak), gjenopprettes fasedeformasjonen (SD-seksjon). Dette er faktisk formminneeffekten.

I tilfelle når den gjenopprettede deformasjonen e er gjenopprettet< e ф, в образце сохраняется некоторая остаточная деформация e ост, накапливаемая в результате инициализации необратимых каналов пластичности, например, дислокационных.

Avhengigheten av graden av tøyningsgjenvinning h, definert som h = (e recovery/e f), er presentert i fig. 5 B. Den maksimale fasebelastningen, som er fullstendig gjenopprettet (h = 1) under implementeringen av SME, avhenger av materialet, dets termomekaniske behandling og deformasjonsforhold (for eksempel for TiNi-baserte legeringer = 6-12%, for Cu- Al-Mn-legeringer = 4-10 %).

Den mest effektive metoden for deformasjon er deformasjon i modusen fort, når deformasjonsevnene til fasetransformasjoner er mest fullstendig realisert. Imidlertid er denne metoden teknologisk vanskelig å implementere. I virkeligheten brukes i praksis et skjema for aktiv deformasjon ved en temperatur nær Mn, hvor deformasjonsbelastningene er minimale (fig. 3, b).

Lagt ut på siden

Lignende dokumenter

Regelmessigheter og kinetikk for martensittisk transformasjon. Kjernedannelse og vekst av martensittkrystaller. Termoelastisk likevekt av faser. Struktur av pulver etter nitrering. Studie av mikrostruktur og fasesammensetning av prøver etter bråkjøling ved forskjellige temperaturer.

kursarbeid, lagt til 10.11.2015


Funksjonelle egenskaper i NiTi-legering med ekviatomisk sammensetning etter kvasistatisk belastning ved forskjellige temperaturer. Effekten av engangsformminne. Studie av avhengigheten av koeffisienten for termisk utvidelse av legeringen av prosentandelen nikkel.

test, lagt til 27.04.2015


Grafisk representasjon av avhengigheten av fasetilstanden til legeringen av temperatur og sammensetning. Generell oversikt over kjølekurven av rent metall. Likevekt i et en-komponent system. De viktigste eksperimentelle og teoretiske metodene for å konstruere fasediagrammer.

foredrag, lagt til 29.09.2013


Plastisk deformasjon og mekaniske egenskaper til legeringer. Midlertidige og indre restspenninger. To mekanismer for plastisk deformasjon, strukturelle endringer. Generelt konsept for kaldherding. Skjema for forskyvning av atomer under glidning. Hvile og polygonisering.

foredrag, lagt til 29.09.2013


Studie av krystalliseringsprosessen til metallsmelter. Temperaturens innflytelse på den frie energien til de flytende og faste fasene av krystalliseringsprosessen. Avkjøling av smelten og dannelse av krystaller. Regulering av krystallkornstørrelser. Oversikt over ingotstrukturen.

abstrakt, lagt til 16.12.2014


Påvirkningen av kald plastisk deformasjon og rekrystallisering på mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til lavkarbonstål. Plastisk deformasjon og dens innflytelse på egenskapene til metalliske materialer. Påvirkning av oppvarmingstemperatur på mikrostruktur.

test, lagt til 06/12/2012


Deformasjon er en endring i formen og størrelsen til et solid legeme under påvirkning av belastninger som påføres det. Elastisk deformasjon er en der kroppen gjenoppretter sin opprinnelige form, men med plastisk deformasjon gjenopprettes ikke kroppen.

abstrakt, lagt til 18.01.2009


Kritiske punkter i stål, avhengighet av deres posisjon på karboninnhold. Tilstandsdiagram av jern-karbon-legeringer, faser og strukturelle komponenter: linjer, konsentrasjonspunkter, temperaturer; analyse av fasetransformasjoner under kjøling av stål og støpejern.

sammendrag, lagt til 30.03.2011


Studie av mønstre for endringer i de elektriske egenskapene til tokomponentlegeringer avhengig av deres sammensetning. Utseende og installasjonsdiagram. En verdi som evaluerer økningen i motstanden til et materiale (leder) med en temperaturendring med én grad.

laboratoriearbeid, lagt til 04.11.2015


Effekt av tid på deformasjon. Elastisk ettervirkning, temperaturens påvirkning på materialenes egenskaper. Mekaniske egenskaper til materialer. Funksjoner av kompresjonstester. Avhengighet av strekkfastheten til plast på temperatur, heterogenitet av materialer.

Moscow State University oppkalt etter. M.V. Lomonosov

Fakultet for materialvitenskap

Emne: "Materialer med formminne."

V-års student ved FNM

Kareeva I.E.

Moskva 2000

Introduksjon………………………………………………………2
Mekanisme for implementering av formminneeffekten...........3
Bruksområder………………………………………………………………..7
Fremstilling av legeringer med formminne………………………….9
Nedbrytning………………………………………………………………………..10
Konklusjon………………………………………………………………………..11
Referanser………………………………………………………………..12
Introduksjon.

Formminnematerialer (MSM) ble oppdaget på slutten av 60-tallet av dette århundret. I løpet av 10 år (slutten av 70-tallet - begynnelsen av 80-tallet) dukket det opp mange rapporter i vitenskapelige tidsskrifter som beskrev ulike muligheter for deres bruk. For tiden er funksjonelle egenskaper definert for MPF: en- og toveis minneeffekt, pseudo- eller superelastisitet, høy dempningsevne.

MPF-er har allerede funnet bred anvendelse i medisin som langtidsfungerende materialer implantert i kroppen. De utviser høye elastiske egenskaper, er i stand til å endre form med temperaturendringer og faller ikke sammen under vekslende belastningsforhold. Den komplekse naturen til fasetransformasjoner av martensittisk type som forekommer i legeringer basert på titan nikkelid, er tydelig manifestert i porøse strukturer. Faseoverganger i slike legeringer er preget av bred hysterese og et langt temperaturområde der materialet viser formminne og superelastisitetseffekter. I tillegg til legeringer basert på Ni-Ti, finnes det martensittiske transformasjoner, for eksempel i systemer som Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

Avhengig av martensittisk transformasjonstemperatur og mekaniske egenskaper, har formminnelegeringer et bredt spekter av bruksområder.
Mekanismen for å implementere formminneeffekten.

Martensitt.

Martensitt er en struktur av krystallinske faste stoffer som oppstår som et resultat av en skjær, diffusjonsfri polymorf transformasjon ved avkjøling. Oppkalt etter den tyske metallurgen Martens (1850 - 1914).
Som et resultat av gitterdeformasjon under denne transformasjonen, vises et relieff på metalloverflaten; indre spenninger oppstår i volumet, og plastisk deformasjon oppstår, noe som begrenser veksten av krystallen.
Veksthastigheten når 103 m/s og er ikke avhengig av temperatur, så hastigheten på martensittdannelse begrenser vanligvis kjernedannelsen av krystaller.
Motvirkningen av indre spenninger forskyver kjernedannelsen av krystaller godt under punktet for termodynamisk likevekt av fasene og kan stoppe transformasjoner ved en konstant temperatur; derfor øker vanligvis mengden martensitt som dannes med økende underkjøling. Siden den elastiske energien må være minimal, tar martensittkrystaller form av plater.
Interne spenninger avlastes også ved plastisk deformasjon, så krystallen inneholder mange dislokasjoner (opptil 1012 cm-2), eller brytes til tvillinger med en tykkelse på 100 - 1000 E. Intrarain-grenser og dislokasjoner styrker martensitt. Martensitt er et typisk produkt av lavtemperatur polymorfe transformasjoner i rene metaller (Fe, Co, Ti, Zr, Li og andre), i faste løsninger basert på dem, i intermetalliske forbindelser (CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd).

Martensittiske transformasjoner.

Ni-Ti intermetalliske forbindelser med en sammensetning nær eutektisk er preget av en overgang fra kubisk (austenittisk fase) til monoklinisk
(martensittisk) fase ved romtemperatur. Slike transformasjoner skjer vanligvis i legeringer ved høye spenninger, men som følge av minneeffekten eller superelastisiteten kan transformasjoner også skje ved lave spenninger. Austenittiske Ni-Ti-legeringer viser superelastisk oppførsel under mekaniske belastninger og spenning (8%) forårsaket av martensittisk transformasjon. Ved lossing blir martensitt ustabil og blir til austenitt, med kompensasjon for alle makroskopiske påkjenninger.

Martensittisk transformasjon er en polymorf transformasjon der en endring i det relative arrangementet av atomene som utgjør krystallen skjer gjennom deres ordnede bevegelse, og de relative forskyvningene til naboatomer er små sammenlignet med den interatomiske avstanden. Restruktureringen av krystallgitteret i mikroregioner kommer vanligvis ned til deformasjonen av cellen, og den siste fasen av den martensittiske transformasjonen er en jevnt deformert startfase. Størrelsen på deformasjonen er liten (~1-10%), og følgelig er energibarrieren som forhindrer den jevne overgangen fra startfasen til sluttfasen liten, sammenlignet med bindingsenergien i krystallen. En nødvendig betingelse for den martensittiske transformasjonen, som utvikler seg gjennom dannelse og vekst av regioner av en mer stabil fase i en metastabil, er bevaring av ordnet kontakt mellom fasene.
Den ordnede strukturen av interfasegrenser med en liten barriere for en jevn faseovergang sikrer lav energi og høy mobilitet. Som en konsekvens er overskuddsenergien som kreves for kjernedannelse av krystaller av en ny fase (martensittiske krystaller) liten og, med noe avvik fra faselikevekt, blir den sammenlignbar med energien til defekter som er tilstede i startfasen. Derfor skjer kjernedannelsen av martensittiske krystaller med en høyere hastighet og krever kanskje ikke termiske svingninger. En betydelig rolle under den martensittiske transformasjonen spilles av indre spenninger som oppstår på grunn av den elastiske tilpasningen av krystallgitter som parrer seg langs fasegrensene. Elastiske spenningsfelt fører til en forskyvning av likevektspunktet til de samvirkende fasene i forhold til posisjonen til ekte termodynamisk likevekt for isolerte, uforvrengte faser; Følgelig kan temperaturen der den martensittiske transformasjonen begynner, avvike betydelig fra den sanne likevektstemperaturen. Ønsket om å minimere elastisk stressenergi bestemmer morfologien, indre strukturen og relative posisjonen til martensittkrystaller. Den nye fasen er dannet i form av tynne plater, orientert på en bestemt måte i forhold til de krystallografiske aksene. Plater er som regel ikke enkeltkrystaller, men er pakker med planparallelle domener - regioner i en ny fase, som er forskjellige i orienteringen til krystallgitteret
(dobler). Interferens av spenningsfelt fra forskjellige domener fører til deres delvise ødeleggelse. En ytterligere reduksjon i elastiske felt oppnås ved dannelse av ensembler av regelmessig arrangerte plater. Det vil si, som et resultat av den martensittiske transformasjonen, dannes en polykrystallinsk fase med en særegen hierarkisk rekkefølge (sammenstillinger - plater - domener) i arrangementet av strukturelle komponenter. En økning i indre spenninger under den martensittiske transformasjonen under visse forhold fører til etablering av en to-fase termoelastisk likevekt, som reversibelt skifter når ytre forhold endres: under påvirkning av mekaniske belastninger eller når temperaturen endres, størrelsen på individuelle krystaller og deres nummerendring. Martensittiske transformasjoner finnes i mange krystallinske materialer: rene metaller, mange legeringer, ioniske, kovalente og molekylære krystaller.

Det er store muligheter for reversible formendringer under martensittisk transformasjon (opprettelsen av superelastiske legeringer som gjenoppretter sin opprinnelige form når de varmes opp etter plastisk deformasjon - minneeffekten), samt sammenhengen mellom martensittisk transformasjon og utseendet til superledende egenskaper i enkelte metaller . Martensittiske transformasjoner danner grunnlaget for en rekke strukturelle transformasjoner, på grunn av hvilke, ved hjelp av termisk og mekanisk behandling, utføres en rettet endring i egenskapene til krystallinske materialer.

Egenskaper av porøse titan nikkelide legeringer.

Tilstedeværelsen av et bredt temperaturområde for martensittisk transformasjon i porøst titannikkelid sammenlignet med støpt titan gjenspeiles i temperaturkurvene for elektrisk motstand. Det er vist at den martensittiske overgangen er ufullstendig i porøse legeringer og skjer over et bredere temperaturområde enn i støpte legeringer. Et viktig trekk ved porøst titannikkelid sammenlignet med en ikke-porøs (støpt) legering med samme sammensetning er det brede temperaturområdet for fasetransformasjoner. Det er omtrent 250 0 C, dvs. overskrider betydelig området (30-400 C) for transformasjoner av den støpte legeringen. Økningen i temperaturområdet for fasetransformasjoner skyldes strukturen til porøst titannikkelid. Størrelsesfaktoren er også betydelig, siden den martensittiske transformasjonen i tynne broer og massive områder manifesterer seg annerledes. Virkningen av disse faktorene fører til det faktum at fasetransformasjoner i porøse materialer basert på titannikkelid begynner i forskjellige regioner ved forskjellige temperaturer, og utvider hysteresen langs temperaturaksen, tilsvarende utvider temperaturområdene til transformasjoner og intervallene for manifestasjon av formminne effekter og superelastisitet i porøse legeringer basert på nikkelide titan.

Figur 1 viser formminneeffekten i porøse og støpte legeringer. I en porøs legering manifesterer formminneeffekten seg i et bredere temperaturområde enn i en støpt legering, og den gjenværende plastiske deformasjonen i et porøst materiale er mer signifikant (i fig. 1) enn i en støpt. I støpt titan-nikkelid skjer nesten fullstendig (opptil 100 %) gjenoppretting av formen etter deformasjon med 6 - 8 % og påfølgende oppvarming over MT-temperaturområdet (fig. 1). Etter hvert som graden av deformasjon av støpt titan nikkelid øker, dannes dislokasjonsdefekter, som i motsetning til martensittiske transformasjoner er irreversible. Stadiet med reversibel deformasjon i henhold til den martensittiske mekanismen erstattes av stadiet med irreversibel plastisk deformasjon. Selv ved lave belastninger oppstår områder hvor størrelsen på elastisk deformasjon overskrider grensen. I motsetning til dette, i porøse legeringer, selv med minimale deformasjoner, overstiger ikke graden av formgjenoppretting 85%. Graden av formgjenoppretting avhenger av porøsitet, porestørrelsesfordeling og nivået av martensittisk skjærspenning, dvs. assosiert med særegenhetene ved deformasjon av porøse kropper. Analyse av deformasjonsavhengighetene til titannikkelid med forskjellige porøsiteter viser at flytegrensen til legeringen avtar med økende porøsitet.

Bruksområder.

Ikke-medisinsk bruk.

Den første formminnelegeringen ble brukt i F-14-flyet i 1971, det var Ni-Ti-Fe. Bruken av Ni-Ti-Nb-legering har vært et stort fremskritt, men også Fe-Mn-Si-legeringer har fått mye oppmerksomhet, til tross for lavere gjenvinningsspenning.

Det er potensielle bruksområder for nitinol i produksjon av forbruksvarer. For eksempel en interessant oppfinnelse: en enhet
- en askebegerholder som senker en brennende sigarett ned i askebegeret, slik at den ikke faller, for eksempel, ned på duken.

Påliteligheten til formminneenheter avhenger av levetiden deres.
Viktige eksterne parametere for å kontrollere systemets driftssykluser er tid og temperatur. Viktige interne parametere som bestemmer de fysiske og mekaniske egenskapene er: legeringssystem, legeringssammensetning, transformasjonstype og gitterdefekter. Disse parameterne styrer legeringens termomekaniske historie. Som en konsekvens vil den maksimale minneeffekten være begrenset avhengig av antall sykluser som kreves.

Romnyttelast som solcellepaneler eller satellittantenner bruker for tiden hovedsakelig pyrotekniske utplasseringsmetoder, som skaper mange problemer. Bruken av formminnematerialer vil eliminere alle disse problemene og vil også gi muligheten til gjentatte ganger å teste ytelsen til systemet på bakken.

Nyere forskning på Ni-Ti-legeringer har vist at superelastisk oppførsel resulterer i forbedret slitestyrke.
Pseudoelastisk oppførsel reduserer området med elastisk kontakt under glidning. Å redusere området med elastisk kontakt mellom to glidende deler øker slitestyrken til materialet. En spesiell type slitasje er kavitasjonserosjon, som skaper spesifikke problemer i hydrauliske maskiner, skipspropeller og vannturbiner. Sammenlignende studier av ulike materialer har vist at Ni-Ti-legeringer har høyere motstand mot kavitasjonserosjon enn konvensjonelle legeringer. I martensittisk tilstand har Ni-Ti-legeringen meget god motstand mot kavitasjonserosjon. Men å produsere arbeidsdeler som er utsatt for korrosjon utelukkende fra Ni-Ti-legering er for dyrt, så den beste måten er å bruke en Ni-Ti-legering kombinert med stål.

Medisinsk bruk.

En ny klasse komposittmaterialer brukes i medisin
"biokeramikk - titan nikkelid". I slike kompositter har den ene komponenten (titannikkelid) superelastisitet og formminne, mens den andre beholder egenskapene til biokeramikk.

Den keramiske komponenten kan være porselen, som er mye brukt i ortopedisk tannbehandling og er et skjørt materiale. Den høye skjørheten til porselen skyldes det faktum at kontaktspenninger oppstår ved grensene til ulike faser og korn, som betydelig overstiger nivået av gjennomsnittlig påførte spenninger. Relaksering av kontaktspenninger i et keramisk materiale er mulig dersom energispredning oppstår i sonen for disse spenningene på grunn av en fasetransformasjon i titannikkelid. En endring i temperatur eller påføring av en belastning forårsaker en martensittisk transformasjon i titannikkelid, noe som fører til effektiv spenningsrelaksasjon i matrisen når komposittmaterialet belastes, slik at den faste komponenten kan bære den påførte belastningen. Det er kjent at den elastiske gjenopprettingen av volumet av porøse presser laget av superelastisk titan-nikkelidpulver er assosiert med brudd på interpartikkelkontakter og bestemmes av styrken til briketten, som avhenger av porøsiteten og størrelsen på kontaktadhesjonskreftene. Å svekke disse kreftene ved å tilsette andre komponenter til titan-nikkelid-pulveret, slik som fint dispergert wolfram eller silisiumkarbid, øker den elastiske effekten betydelig, siden sterke titan-nikkel-kontakter med samme navn erstattes av motsatte. Siden størrelsen på den elastiske effekten avtar med synkende titan-nikkelid-innhold i kompakten, er konsentrasjonsavhengigheten av elastisk volumgjenvinning vanligvis ekstrem. I komposittmaterialet av porselen-titannikkelid samhandler komponentene svakt og etter sintring svekkes kontaktene mellom keramikk- og metallkomponentene. Når de belastes, brister de først og elastisk volumgjenvinning øker. Som et resultat er deformasjonen reversibel og kompositten viser egenskaper som ligner superelastisitet. Biokompatibilitet av komposittmateriale
"dental porselen-titan nikkelide" ble studert histologisk, og vurderte vevsresponsen hos rotter til implantasjon av prøver laget av komposittmateriale og porselen under huden på den fremre bukveggen. Arten av vevsreaksjoner, deres utbredelse og trekk ved cellulære endringer i begge tilfeller viste seg å være entydige. Dermed er biokeramikk-titannikkelid-komposittmaterialer biokompatible.

Fremstilling av legeringer med formminne.

Formminnelegeringer produseres ved å smelte sammen individuelle komponenter. Smelten avkjøles raskt og høytemperaturbehandling utføres.

En hel klasse komposittmaterialer "biokeramikk - titan nikkelide" for medisin har blitt foreslått. I slike materialer har den ene komponenten (titannikkelid) formminne og superelastisitet, mens den andre beholder egenskapene til biokeramikk. Den mest brukte keramiske komponenten er porselen, som er mye brukt i ortopedisk tannbehandling og er et skjørt materiale. For å lage slike prøver brukes pulver av titannikkelid og porselensmasse, som etter blanding og tørking sintres i vakuum.

Degradering

Martensittisk transformasjon i NiTi-baserte legeringer er en atermal prosess, hvis hastighet er helt bestemt av hastigheten på temperaturendringer nær den termodynamiske likevekten til fasene. Derfor kan alle spesifikke mekaniske effekter i NiTi som følger med den martensittiske transformasjonen, som formminne og transformasjonsplastisitet, realiseres på svært korte tider under passende oppvarmings- og avkjølingsforhold. I høyhastighetsenheter, for å akselerere varmeutvekslingen med et varmemiddel (flytende eller gassformig), brukes tynnmålerbånd, ledning og rør med mikron lineære dimensjoner i tverrsnitt. I dette tilfellet blir tilstanden til den frie overflaten til legeringen av stor betydning.
Siden selv små variasjoner i sammensetning fører til endringer i temperaturkinetikk og fullstendig transformasjon, endrer segregering av elementer og oksidasjon av overflaten betydelig de spesielle egenskapene til materialet. Denne omstendigheten får særlig betydning på grunn av behovet for foreløpig termisk eller termomekanisk behandling av materialet.

Studier har vist tendensen til titan nikkelid på den frie overflaten under termisk påvirkning. I en atmosfære som inneholder oksygen, oksiderer legeringen for å danne et oksidlag som hovedsakelig inneholder TiO2-oksid. Det kan antas at siden titan er kjemisk svært aktivt, vil titanatomer i et oksygenfritt miljø danne forbindelser med enhver ikke-inert gass, for eksempel i en nitrogenatmosfære - nitrider. Dannelsen av oksider langs korngrenser og på overflaten kan bare unngås ved å varmebehandle prøver i vakuum eller i et inert miljø.

For første gang ble reversible endringer i størrelsen på martensittkrystaller i Cu-Al-Ni-legeringen med endringer i temperatur oppdaget i 1949 av akademiker G.V. Kurdyumov og professor L.G. Handros. I 1980 ble oppdagelsen deres av fenomenet termoelastisk likevekt under fasetransformasjoner av martensittisk type registrert, som består i dannelsen av elastiske martensittkrystaller, hvis grenser, når temperaturen eller spenningsfeltet endres, beveger seg mot martensittisk eller initial fase. med en reversibel samtidig endring i den geometriske formen til de resulterende områdene av det faste legeme.

Dette fenomenet ble oppdaget ved utvikling av en legering for produkter med høy korrosjonsbestandighet i sjøvann, ikke-magnetisitet, høy spesifikk styrke og produksjonsevne. Under varmebehandlingsprosessen oppdaget legeringen en ny egenskap, som ble kalt formminneeffekten. Et produkt laget av en slik legering gjennomgikk plastisk deformasjon, og gjenopprettet deretter sin opprinnelige form som et resultat av oppvarming (formminneeffekt) eller umiddelbart etter fjerning av belastningen (superelastisitet).

Den fysiske og mekaniske essensen av dette fenomenet ligger i det faktum at den martensittiske transformasjonen skaper stress og deformasjon av de indre strukturelle elementene i metallet med dannelsen av domener orientert i forskjellige retninger. Påføringen av en ekstern mekanisk belastning ved temperaturen for martensittisk transformasjon og deformasjonen av et produkt som har en slik struktur med lett bevegelige grenser mellom krystallinske korn og domener, justerer alle domener i retning av den påførte belastningen og deformasjonen av produktet. Etter å ha fjernet lasten og avkjølt produktet, kan du lage en annen deformasjon som vil vedvare. Hvis du deretter varmer opp produktet til en viss temperatur, vil det oppstå en omvendt martensittisk transformasjon og den martensittiske deformasjonen vil bli eliminert. Som et resultat vil strukturen kun ha innledende mekaniske påkjenninger, som returnerer produktene til sin opprinnelige form.

Legeringer med omvendt martensittisk transformasjon og formminne inkluderer Ni–Al, Ni–Co, Ni–Ti, Ti–Nb, Fe–Ni, Cu–Al, Cu–Al–Ni, men legeringer basert på titanmononikkelide NiTi er mest brukt – nitinol. Den har styrke opp til σ B = 1200 MPa, duktilitet opp til δ = 15%, biologisk kompatibilitet, graden av restaurering av den opprinnelige formen til produktet når 100%. Legeringen er korrosjonsbestandig, vibrasjonsabsorberende, temperaturområdet for formendring er 10..40 0 C i temperaturområdet fra –200 0 C til 150 0 C.

Slike legeringer brukes til å lage utplasserbare strukturer (antenner), temperatursensorer, sterke forseglede forbindelser, dempere, midlertidige og permanente medisinske implantater. Det utvikles nå materialer der den martensittiske transformasjonen endrer elektriske, magnetiske, optiske og andre egenskaper.

Ifølge allment akseptert oppfatning er metaller de mest holdbare og motstandsdyktige materialene. Imidlertid er det legeringer som kan gjenopprette formen etter deformasjon uten å påføre en ekstern belastning. De er også preget av andre unike fysiske og mekaniske egenskaper som skiller dem fra strukturelle materialer.

Essensen av fenomenet

Formminneeffekten til legeringer er at tidligere deformert metall gjenoppretter seg spontant som et resultat av oppvarming eller rett og slett etter å ha fjernet belastningen. Disse uvanlige egenskapene ble lagt merke til av forskere på 50-tallet. XX århundre Selv da var dette fenomenet assosiert med martensittiske transformasjoner i krystallgitteret, der ordnet bevegelse av atomer oppstår.

Martensitt i formminnematerialer er termoelastisk. Denne strukturen består av krystaller i form av tynne plater, som er forlenget i de ytre lagene og komprimert i de indre lagene. "Bærerne" av deformasjon er interfase-, tvilling- og interkrystallinske grenser. Etter oppvarming av den deformerte legeringen oppstår indre spenninger som prøver å returnere metallet til sin opprinnelige form.

Naturen til spontan gjenoppretting avhenger av mekanismen til tidligere eksponering og temperaturforholdene den skjedde under. Av størst interesse er den multiple syklisiteten, som kan utgjøre flere millioner deformasjoner.

Metaller og legeringer med formminneeffekt har også en annen unik egenskap - en ikke-lineær avhengighet av materialets fysiske og mekaniske egenskaper på temperatur.

Varianter

Prosessen ovenfor kan manifestere seg i flere former:

• superplastisitet (superelastisitet), der den krystallinske strukturen til metallet tåler deformasjoner som betydelig overstiger flytegrensen i normal tilstand;
• engangs og reversibel formminne (i sistnevnte tilfelle blir effekten gjentatt gjentatte ganger under termisk sykling);
• plastisitet av direkte og omvendt transformasjon (akkumulering av belastning under henholdsvis kjøling og oppvarming, mens den passerer gjennom martensittisk transformasjon);
• reversert minne: ved oppvarming gjenopprettes først en deformasjon, og deretter, med en ytterligere økning i temperaturen, en annen;
• orientert transformasjon (akkumulering av deformasjoner etter fjerning av lasten);
• pseudoelastisitet - gjenoppretting av uelastiske deformasjoner fra elastiske verdier i området 1-30%.

Returen til den opprinnelige tilstanden i metaller med formminneeffekt kan skje så intenst at den ikke kan undertrykkes av en kraft nær strekkfastheten.

Materialer

Blant legeringene med slike egenskaper er titan-nikkel (49-57% Ni og 38-50% Ti) de vanligste. De har gode ytelsesegenskaper:

• høy styrke og motstand mot korrosjon;
• betydelig koeffisient for formgjenoppretting;
• stor verdi av intern stress når du går tilbake til den opprinnelige tilstanden (opptil 800 MPa);
• god kompatibilitet med biologiske strukturer;
• effektiv vibrasjonsdemping.

I tillegg til titannikkelid (eller nitinol), brukes andre legeringer:

• to-komponent - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
• tre-komponent - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn-Si og andre.

Legeringstilsetningsstoffer kan i stor grad endre temperaturen på martensittiske transformasjoner, og påvirke reduksjonsegenskapene.

Industriell bruk

Bruken av formminneeffekt lar deg løse mange tekniske problemer:

• å lage forseglede rørsammenstillinger ligner på faklingsmetoden (flensforbindelser, selvstrammende krager og koblinger);
• produksjon av klemmeverktøy, gripere, skyvere;
• design av "superfjærer" og mekaniske energiakkumulatorer, trinnmotorer;
• skape forbindelser fra forskjellige materialer (metall-ikke-metall) eller på vanskelig tilgjengelige steder når bruk av sveising eller lodding blir umulig;
• produksjon av gjenbrukbare kraftelementer;
• hustetting av mikrokretser, stikkontakter for deres tilkobling;
• produksjon av temperaturregulatorer og sensorer i ulike enheter (brannalarmer, sikringer, ventiler til varmemotorer og andre).

Det er store muligheter for å lage lignende enheter for romfartsindustrien (selvutplasserende antenner og solcellepaneler, teleskopiske enheter, verktøy for installasjonsarbeid i verdensrommet, drev for roterende mekanismer - ror, klaffer, luker, manipulatorer). Deres fordel er fraværet av impulsbelastninger som forstyrrer den romlige posisjonen i rommet.

Anvendelse av formminnelegeringer i medisin

I medisinsk materialvitenskap brukes metaller med disse egenskapene til fremstilling av slike teknologiske enheter som:

• trinnmotorer for å strekke bein og rette ut ryggraden;
• filtre for bloderstatninger;
• enheter for fiksering av brudd;
• ortopediske enheter;
• klemmer for vener og arterier;
• deler av pumper for kunstig hjerte eller nyre;
• stenter og endoproteser for implantasjon i blodårer;
• kjeveortodontiske buer for tannkorreksjon.

Ulemper og utsikter

Til tross for deres brede muligheter, har formminnelegeringer ulemper som begrenser deres utbredte bruk:

• dyre kjemiske komponenter;
• kompleks produksjonsteknologi, behovet for å bruke vakuumutstyr (for å unngå inkludering av nitrogen og oksygenforurensninger);
• fase ustabilitet;
• lav bearbeidbarhet av metaller ved kutting;
• vanskeligheter med å nøyaktig modellere oppførselen til strukturer og produsere legeringer med spesifiserte egenskaper;
• aldring, tretthet og nedbrytning av legeringer.

En lovende retning i utviklingen av dette teknologiområdet er å lage belegg fra metaller med en formminneeffekt, samt produksjon av slike jernbaserte legeringer. Komposittstrukturer lar deg kombinere egenskapene til to eller flere materialer i en teknisk løsning.

hjem » Magesår » Formminneeffekter: materialer og virkningsmekanisme. Søknadsmuligheter. Form minneeffekt Materialer med minne