Efecte de memorie de formă: materiale și mecanism de acțiune. Posibilitati de aplicare. Efect de memorie de formă Materiale cu memorie

Efectul este capacitatea unui material descărcat, sub influența tensiunilor externe și a schimbărilor de temperatură, de a acumula deformații (10–15%), reversibile fie la încălzire, fie în timpul procesului de îndepărtare a tensiunii externe (superelasticitate). Deformarea se poate acumula sub încărcare activă, precum și atunci când temperatura aliajului sub influența tensiunii uniaxiale sau de forfecare se modifică. Un ciclu de operare tipic pentru un astfel de material este prezentat în Figura 1. Deformarea în stadiul b–c (Figura 1) se acumulează datorită reorientării cristalelor de martensită (efectul inelasticității martensitice) și rămâne după îndepărtarea sarcinii. Efectul memoriei formei se manifestă în etapele c–d (Figura 1), în care materialul își restabilește în mod independent forma și poate dezvolta forțe semnificative.

Figura 1 – Schema deformării unei tije cu efect de memorie a formei (a–d) și dependența fracției de volum a martensitei q de temperatura T (e).

Aliajele cu memorie de formă, pe lângă nichelida de titan, includ AuCd, Cu–Al–Zn, AgCd etc. Efectul memoriei formei se bazează pe transformări martensitice, care se caracterizează printr-o dependență slabă a temperaturilor de la începutul și sfârșitul transformarea asupra ratei de schimbare a temperaturii, cel mai adesea reversibilă natura transformării, o discrepanță vizibilă (histereză) între temperaturile reacțiilor directe și inverse și alte semne. Modificarea la temperatură înaltă se numește de obicei austenită, iar modificarea la temperatură scăzută se numește martensită (Figura 1). Temperaturile transformărilor martensitice depind puternic de compoziția chimică a aliajelor, de tratarea termică și mecanică a acestora. De exemplu, temperaturile caracteristice ale nichelidei de titan sunt în intervalul 30–80°C, rareori depășind acest interval, dar aliajul cu fier le reduce cu aproximativ 150–200°C, adică la –170...–70°C .

Cinetica transformărilor martensitice are o histerezis pronunțată (Figura 1e). Dacă materialul este răcit din starea austenitică, atunci inițial nu au loc transformări de fază. Totuși, pornind de la o anumită temperatură caracteristică, care se notează de obicei cu Ms, apar primele cristale de martensită, prin urmare, proporția fazei de martensită în volumul materialului crește. Odată cu răcirea ulterioară, dimensiunea și numărul lor cresc până când cristalele umplu întregul volum la temperatura Mf. O astfel de transformare se numește directă și, în prezența unei sarcini externe, este însoțită de apariția unei deformări mari (efect de plasticitate a transformării). Odată cu încălzirea ulterioară, pornind de la temperatura A s, martensita începe să se transforme în austenită. În acest caz, deformația acumulată începe să dispară încet până când temperatura crește peste A f și forma este restabilită.

Astfel de aliaje sunt folosite ca implanturi biomedicale: stenturi, fire ortodontice, filtre, fixatoare, bracket-uri de osteosinteză, plăci etc. .

Atunci când se utilizează aliaje cu IMM în medicină, este necesar ca acestea să asigure nu numai fiabilitatea funcțiilor mecanice, ci și fiabilitatea chimică (rezistența la deteriorare într-un mediu biologic, rezistența la descompunere, dizolvare, coroziune), fiabilitatea biologică (compatibilitate biologică, lipsa de toxicitate, carcinogenitate, rezistență la formarea de cheaguri de sânge și antigene). Elementele metalice simple au un efect toxic puternic, dar în combinație cu alte elemente se constată efectul de slăbire reciprocă a toxicității. Cu toate acestea, mai importantă decât formarea ionilor este solubilitatea filmelor de pasivizare care apar pe suprafața metalelor. De exemplu, aliajele crom-nichel, aliajele cobalt-crom, Ti pur, aliajul Ti–6Al–4V [% (at.)] utilizate ca materiale biologice conțin elemente care au un efect toxic puternic sub formă de elemente simple, dar pasivare peliculele formate în contact cu organismele biologice sunt destul de stabile.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.site/

AGENȚIA FEDERALĂ DE EDUCAȚIE A FEDERĂȚIA RUSĂ

INSTITUȚIE DE ÎNVĂȚĂMÂNT DE STAT

ÎNVĂŢĂMÂNT PROFESIONAL SUPERIOR

„UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE STAT LIPETSK”

Departamentul de Științe Fizice ale Metalelor

Eseu

pe tema: "Mmetale cu memorie de formă"

Lipetsk 2010

Efectul memoriei formei (SME) în metale, a cărui descoperire este considerată pe bună dreptate una dintre cele mai semnificative realizări în știința materialelor, este în prezent studiat intens și, într-un număr de cazuri, aplicat cu succes în tehnologie.

Interesul științific pentru acest fenomen este determinat de dorința de a înțelege natura fizică și mecanismul SME, care extinde înțelegerea fundamentală a comportamentului inelastic al solidelor. Din punct de vedere practic, aceste studii sunt stimulate de faptul că IMM-urile din metale deschid deja perspective largi de aplicare în tehnologie, făcând posibilă crearea de elemente și dispozitive cu proprietăți funcționale fundamental noi.

Până de curând, deformarea inelastică era considerată plastică și era considerată ireversibilă. Deformarea plastică a cristalelor are loc datorită mișcării defectelor rețelei cristaline - purtători de deformare elementare, care sunt defecte punctuale și (sau) dislocații. Este important de subliniat faptul că, în cazul general, localizarea dislocărilor și (sau) defectelor punctuale în poziții noi după deformare după îndepărtarea sarcinii se poate dovedi a fi stabilă, de exemplu. nu de preferat celor originale. Consecința acestui lucru este ireversibilitatea aproape completă a deformării inelastice. Efectul secundar mecanic observat în practică, asociat cu o anumită mișcare inversă a defectelor după descărcare, nu depășește deformarea relativă de 10-4-10-3 și poate fi neglijat.

Alături de mecanismele de mai sus, deformarea plastică poate fi cauzată de îngemănarea mecanică a cristalului.

Cercetările din ultimele decenii au stabilit că există o clasă largă de materiale (aliaje pe bază de nicheliură de titan TiNi, alamă și bronz de compoziție complexă etc.), în care actul elementar de plasticitate se realizează datorită unei transformări martensitice reversibile, înfrățirea elastică și o serie de alte procese care modifică radical modelele de deformare inelastică. În aceste aliaje, în special, poate fi observată reversibilitatea completă sau parțială a deformării inelastice, numită efect de memorie a formei.

SME-ul majorității aliajelor se bazează pe așa-numitele transformări martensitice termoelastice (TUMT). Teoria transformărilor martensitice se bazează pe idei fundamentale despre natura regulată a restructurării rețelei cristaline și coerența fazelor coexistente ale austenitei (A) și martensitei (M), formulate de G.V. Kurdyumov (faza de temperatură înaltă se numește de obicei austenită, iar faza de temperatură scăzută se numește martensită).

Aliajele cu TUMP se caracterizează prin dependența compoziției fazei de temperatură, prezentată în Fig. 1.

Când un material este răcit din starea austenitică, martensita începe să se formeze la o anumită temperatură Mn. Odată cu răcirea ulterioară, cantitatea de fază martensită crește, iar transformarea completă a austenitei în martensită se termină la o anumită temperatură Mk. Sub această temperatură, doar faza martensitică rămâne stabilă termodinamic. Când este încălzită, transformarea martensitei în austenită începe la o anumită temperatură An și se termină complet la temperatura Ak. Cu un ciclu termic complet, se obține o buclă de histerezis. Lățimea buclei de histerezis pe scara de temperatură Ak-Mn sau An-Mk poate fi diferită pentru diferite materiale: lată sau îngustă (Fig. 1, a și b). În prezența solicitărilor mecanice, temperaturile Mn, Mk, An și Ak se pot deplasa către temperaturi mai ridicate, iar în acest caz sunt desemnate ca și.

Orez. 1 - Dependenţa compoziţiei de fază a aliajului de temperatură: a) histerezis mare; b) histerezis îngust

Este important de remarcat faptul că în timpul TMT (spre deosebire de transformările martensitice convenționale, de exemplu în oțeluri), limitele interfazelor dintre A și M rămân coerente și sunt ușor mobile. Când sunt răcite (transformare directă) în intervalul de temperatură (Mn-Mk), cristalele de martensită se nucleează și cresc, iar când sunt încălzite (transformare inversă) în intervalul de temperatură (An-Ak), cristalele de martensită dispar (se transformă în austenită) în sens invers ordine (Fig. 2).

Orez. 2 - Creșterea și dispariția cristalelor de martensită în timpul răcirii și încălzirii (aliaj Cu-Al-Mn)

Pentru un material izotrop în absența tensiunilor externe, plăcile de martensită formate în timpul transformării directe nu au o orientare preferată, iar deformațiile locale de forfecare sunt compensate în medie pe volum. În procesul de transformare inversă (M ® A), restructurarea rețelei în cea originală decurge strict în ordine inversă. În acest caz, nu se observă nicio modificare macroscopică a formei materialului, cu excepția unei mici modificări de volum (de exemplu, pentru un aliaj pe bază de TiNi, modificarea volumului este de aproximativ 0,34%, care este de ordinul magnitudine mai mică decât pentru oțeluri (> 4%).

Dacă există tensiuni orientate în material (de exemplu, acțiunea unei sarcini externe), plăcile de martensită capătă o orientare preferențială, iar deformațiile locale de forfecare duc la o modificare macroscopică a formei probei (principiul Le Chatelier-Brown) . În procesul de transformare inversă (M ® A), rearanjarea rețelei are loc după principiul „exact înapoi”, cu deformațiile locale de forfecare dispărând și, prin urmare, modificările macroscopice de formă sunt eliminate. Manifestarea externă a acestui comportament material este interpretată ca un IMM.

Pentru refacerea completă a formei, este necesar ca transformarea martensitică să fie reversibilă cristalografic. Reversibilitatea cristalografică a unei transformări presupune nu numai refacerea structurii cristaline, care depinde de transformarea inversă, ci și restabilirea orientării cristalografice a fazei inițiale înainte de transformare. În plus, este necesar ca deformarea să fie efectuată fără participarea alunecării, deoarece alunecarea este un proces ireversibil, iar deformarea nu este eliminată atunci când este încălzită.

Transformarea martensitică poate fi inițiată nu numai de schimbările de temperatură, ci și de forțe mecanice. În conformitate cu cele de mai sus, se disting termomartensita și mecanomartensita, iar la analiza diagramelor de fază (Fig. 1) se introduc de obicei încă trei temperaturi caracteristice: T0, Md, Ad, unde T0 este temperatura de echilibru termodinamic; Md este temperatura sub care martensita poate apărea nu numai din cauza scăderii temperaturii, ci și sub influența solicitărilor mecanice; Iadul este temperatura peste care austenita poate apărea nu numai din cauza încălzirii, ci și sub influența stresului mecanic.

Locația acestor temperaturi în raport cu bucla de histerezis afectează comportamentul materialului sub forța termică. În cazul histerezisului îngust (Fig. 1, b), temperatura Md poate fi în dreapta temperaturii sfârşitului transformării austenitice Ak, iar cu histerezis mare, în stânga acestei temperaturi (Fig. 25.1, A).

În aliajele cu histerezis îngust, mecanomartensita indusă, adică martensita formată sub acțiunea unei sarcini externe la o temperatură sub Mg (dar peste Ak), va fi instabilă termodinamic și ar trebui să dispară la descărcare. În fig. 1, transformările austenită-martensită sunt indicate în mod convențional prin săgeți verticale. În astfel de materiale se observă așa-numitul efect de pseudoelasticitate, care este în mod evident asociat cu aceste fenomene.

Cu histerezis mare, mecanomartensita indusă va fi stabilă termodinamic și va fi conservată în timpul descărcarii. În acest caz, deformările vor dispărea numai după încălzire, adică. după terminarea reacţiei MA.

Principalele efecte ale comportării termomecanice a materialelor cu IMM

Diagrama efort-deformare a materialelor cu SME care suferă transformări de fază reversibile (Fig. 3) diferă semnificativ de cea pentru materialele convenționale. După deformarea elastică (secțiunea 0A), materialul suferă o deformare plastică semnificativă cu foarte puțină întărire prin deformare (secțiunea AB), unde plasticitatea se datorează unei transformări de fază. Deformarea ulterioară a materialului are loc ca de obicei (secțiunea BCD). Tensiunea corespunzătoare debutului deformării plastice (punctul A) asociată cu transformările de fază este de obicei numită efort de curgere de fază, spre deosebire de limita de curgere obișnuită s t.

Limita de curgere în fază depinde de temperatura de încercare (Fig. 3, b) și are o valoare minimă la o temperatură apropiată de Mn.

Apariția transformărilor de fază reversibile în aliajele cu SME este însoțită de o serie de efecte termomecanice neobișnuite, dintre care principalele sunt discutate mai jos.

Efectul de plasticitate de transformare (TPE)

Acest efect poate fi ilustrat după cum urmează. O probă dintr-un aliaj cu un SME la o temperatură mai mare (în stare austenitică) este încărcată cu o forță P (Fig. 4) și apoi răcită. În intervalul de temperatură, se observă o acumulare intensă de deformare e pp ca urmare a unei reacții martensitice directe. După ce sarcina este îndepărtată, deformația e pp rămâne. La încălzirea ulterioară a probei deformate în intervalul de temperatură, deformația e este eliminată, ceea ce este o demonstrație a SME. Există o relație liniară între e pp și tensiunile aplicate până la anumite valori, peste care se observă abateri de diferite tipuri.

Orez. 3 - Schema diagramei de deformare (a) și dependența limitei de curgere în fază de temperatura de încercare (b) a materialului cu SME

aliaj metalic cu formă de memorie

Orez. 4 - Acumularea deformării sub sarcină în timpul răcirii (linie continuă) și eliminarea acesteia în timpul încălzirii fără sarcină (linii întrerupte)

Efect de memorie a formei

Fenomenologia IMM-urilor poate fi ilustrată după cum urmează. Proba este deformată (de exemplu, prin întindere) la o temperatură sub Mg (Fig. 5, a). La atingerea tensiunii, proba este deformată plastic (secțiunea AB), iar această deformare se numește fază (e f), deoarece este cauzată de transformările de fază „austenită-martensită” sau „martensită-martensită” sau combinațiile acestora. În unele cazuri, deformarea plastică de fază poate apărea în mai multe etape, care este determinată de natura în mai multe etape a transformărilor de fază.

Orez. 5 - Schema de implementare a IMM (a) și dependența gradului de refacere a formei de deformarea prealabilă (b)

După descărcare (secțiunea BC), deformația de fază (e f) este reținută în probă. Când proba este încălzită ca urmare a transformării martensitice inverse care are loc în domeniul de temperatură (An-Ak), deformarea de fază este restabilită (secțiunea SD). Acesta, de fapt, este efectul memoriei formei.

În cazul în care se reface deformaţia restaurată e< e ф, в образце сохраняется некоторая остаточная деформация e ост, накапливаемая в результате инициализации необратимых каналов пластичности, например, дислокационных.

Dependența gradului de recuperare a tulpinii h, definit ca h = (e recuperare/ e f), este prezentată în Fig. 5 B. Deformarea de fază maximă, care este complet restaurată (h = 1) la implementarea unui IMM, depinde de material, de tratamentul termomecanic al acestuia și de condițiile de deformare (de exemplu, pentru aliajele pe bază de TiNi = 6-12%, pentru Cu-Al-). aliaje Mn = 4- 10 %).

Cea mai eficientă metodă de deformare este deformarea în modul de transformare a efectului plasticității, atunci când capacitățile de deformare ale transformărilor de fază sunt realizate pe deplin. Cu toate acestea, din punct de vedere tehnologic, această metodă este dificil de implementat. În realitate, în practică, se utilizează o schemă de deformare activă la o temperatură apropiată de Mn, la care sarcinile de deformare sunt minime (Fig. 3, b).

Postat pe site

Documente similare

Regularitățile și cinetica transformării martensitice. Nuclearea și creșterea cristalelor de martensită. Echilibrul termoelastic al fazelor. Structura pulberilor după nitrurare. Studiul microstructurii și compoziției de fază a probelor după stingere la diferite temperaturi.

lucrare curs, adăugată 10.11.2015


Proprietăți funcționale ale aliajului NiTi cu compoziție echiatomică după încărcare cvasi-statică la diferite temperaturi. Efectul memoriei formei unice. Studiul dependenței coeficientului de dilatare termică a aliajului de procentul de nichel.

test, adaugat 27.04.2015


Reprezentarea grafică a dependenței stării de fază a aliajului de temperatură și compoziție. Vedere generală a curbei de răcire a metalului pur. Echilibrul într-un sistem monocomponent. Principalele metode experimentale și teoretice de construire a diagramelor de fază.

prelegere, adăugată 29.09.2013


Deformarea plastică și proprietățile mecanice ale aliajelor. Tensiuni reziduale temporare și interne. Două mecanisme de deformare plastică, modificări structurale. Concept general de călire la rece. Schema deplasării atomilor în timpul alunecării. Odihnă și poligonizare.

prelegere, adăugată 29.09.2013


Studiul procesului de cristalizare a topiturii metalice. Influența temperaturii asupra energiei libere a fazelor lichide și solide ale procesului de cristalizare. Răcirea topiturii și formarea cristalelor. Reglarea dimensiunilor granulelor de cristal. Privire de ansamblu asupra structurii lingoului.

rezumat, adăugat 16.12.2014


Influența deformării plastice la rece și a recristalizării asupra microstructurii și proprietăților mecanice ale oțelului cu conținut scăzut de carbon. Deformarea plastică și influența acesteia asupra proprietăților materialelor metalice. Influența temperaturii de încălzire asupra microstructurii.

test, adaugat 06.12.2012


Deformarea este o modificare a formei și dimensiunii unui corp solid sub influența sarcinilor aplicate acestuia. Deformarea elastică este aceea în care corpul își restabilește forma inițială, dar cu deformarea plastică corpul nu este restaurat.

rezumat, adăugat 18.01.2009


Puncte critice în oțel, dependența poziției lor de conținutul de carbon. Diagrama de stare a aliajelor fier-carbon, faze și componente structurale: linii, puncte de concentrare, temperaturi; analiza transformărilor de fază în timpul răcirii oțelului și fontei.

rezumat, adăugat 30.03.2011


Studiul modelelor de modificări ale proprietăților electrice ale aliajelor bicomponente în funcție de compoziția acestora. Aspect și diagramă de instalare. O valoare care estimează creșterea rezistenței unui material (conductor) la o modificare a temperaturii cu un grad.

munca de laborator, adaugat 04.11.2015


Efectul timpului asupra deformarii. Efect secundar elastic, influența temperaturii asupra proprietăților materialelor. Proprietățile mecanice ale materialelor. Caracteristicile testelor de compresie. Dependența rezistenței la tracțiune a materialelor plastice de temperatură, eterogenitatea materialelor.

Universitatea de Stat din Moscova poartă numele. M.V. Lomonosov

Facultatea de Știința Materialelor

Subiect: „Materiale cu memorie de formă”.

Student în anul 5 FNM

Kareeva I.E.

Moscova 2000

Introducere……………………………………………………2
Mecanism de implementare a efectului de memorie a formei…………3
Domenii de aplicare………………………………………………………..7
Prepararea aliajelor cu memorie de formă………….9
Degradarea……………………………………………………………………..10
Concluzie……………………………………………………………………..11
Referințe………………………………………………………..12
Introducere.

Materialele cu memorie de formă (MSM) au fost descoperite la sfârșitul anilor 60 ai acestui secol. În decurs de 10 ani (sfârșitul anilor 70 - începutul anilor 80), multe rapoarte au apărut în reviste științifice care descriu diferite posibilități de utilizare a acestora. În prezent, proprietățile funcționale sunt definite pentru MPF: efect de memorie uni și bidirecțional, pseudo- sau superelasticitate, capacitate mare de amortizare.

MPF-urile au găsit deja o largă aplicație în medicină ca materiale funcționale pe termen lung implantate în organism. Ele prezintă proprietăți elastice ridicate, își pot schimba forma atunci când temperatura se schimbă și nu se prăbușesc în condiții de încărcare alternativă. Natura complexă a transformărilor de fază de tip martensitic care apar în aliajele pe bază de nicheliură de titan se manifestă în mod clar în structurile poroase. Tranzițiile de fază în astfel de aliaje sunt caracterizate printr-o histerezisă largă și un interval lung de temperatură în care materialul prezintă efecte de memorie a formei și de supraelasticitate. Pe lângă aliajele pe bază de Ni-Ti, transformări martensitice există, de exemplu, în sisteme precum Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

În funcție de temperatura de transformare martensitică și de proprietățile mecanice, aliajele cu memorie de formă au o gamă largă de aplicații.
Mecanismul de implementare a efectului de memorie a formei.

martensite.

Martensita este o structură de solide cristaline care apare ca urmare a unei transformări polimorfe, fără difuzie, la răcire. Numit după metalurgistul german Martens (1850 - 1914).
Ca urmare a deformării rețelei în timpul acestei transformări, pe suprafața metalului apare un relief; în volum apar tensiuni interne și are loc o deformare plastică, care limitează creșterea cristalului.
Viteza de creștere ajunge la 103 m/s și nu depinde de temperatură, astfel încât viteza de formare a martensitei limitează de obicei nuclearea cristalelor.
Contracararea tensiunilor interne deplasează nuclearea cristalelor mult sub punctul de echilibru termodinamic al fazelor și poate opri transformările la o temperatură constantă; prin urmare, cantitatea de martensită formată crește de obicei odată cu creșterea suprarăcirii. Deoarece energia elastică trebuie să fie minimă, cristalele de martensită iau forma unor plăci.
Tensiunile interne sunt atenuate și prin deformarea plastică, astfel că cristalul conține multe dislocații (până la 1012 cm-2), sau este rupt în gemeni cu o grosime de 100 - 1000 E. Limitele și dislocațiile intragrainelor întăresc martensita. Martensita este un produs tipic al transformărilor polimorfe la temperatură joasă în metale pure (Fe, Co, Ti, Zr, Li și altele), în soluții solide pe bază de acestea, în compuși intermetalici (CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd).

Transformări martensitice.

Compușii intermetalici Ni-Ti cu o compoziție apropiată de eutectică se caracterizează printr-o tranziție de la faza cubică (fază austenitică) la monoclinic.
faza (martensitică) la temperatura camerei. Astfel de transformări apar de obicei în aliaje la solicitări mari, dar ca urmare a efectului de memorie sau superelasticității, transformările pot apărea și la solicitări scăzute. Aliajele austenitice Ni-Ti prezintă un comportament superelastic la sarcini mecanice și tensiune (8%) cauzate de transformarea martensitică. În timpul descărcarii, martensita devine instabilă și se transformă în austenită, cu compensarea tuturor tensiunilor macroscopice.

Transformarea martensitică este o transformare polimorfă în care se produce o modificare a aranjamentului relativ al atomilor care alcătuiesc cristalul prin mișcarea lor ordonată, iar deplasările relative ale atomilor vecini sunt mici în comparație cu distanța interatomică. Restructurarea rețelei cristaline în microregiuni se reduce de obicei la deformarea celulei sale, iar faza finală a transformării martensitice este o fază inițială uniform deformată. Mărimea deformării este mică (~1-10%) și, în consecință, bariera energetică care împiedică tranziția uniformă a fazei inițiale la faza finală este mică, în comparație cu energia de legare din cristal. O condiție necesară pentru transformarea martensitică, care se dezvoltă prin formarea și creșterea regiunilor unei faze mai stabile într-o fază metastabilă, este păstrarea contactului ordonat între faze.
Structura ordonată a limitelor interfazelor cu o mică barieră pentru o tranziție uniformă de fază asigură energie scăzută și mobilitate ridicată a acestora. În consecință, excesul de energie necesar pentru nuclearea cristalelor unei noi faze (cristale martensitice) este mic și, cu o oarecare abatere de la echilibrul de fază, devine comparabil cu energia defectelor prezente în faza inițială. Prin urmare, nuclearea cristalelor martensitice are loc cu o rată mai mare și poate să nu necesite fluctuații termice. Un rol semnificativ în timpul transformării martensitice îl au tensiunile interne care apar datorită adaptării elastice a rețelelor cristaline care se împerechează de-a lungul limitelor de fază. Câmpurile de tensiuni elastice conduc la o deplasare a punctului de echilibru al fazelor care interacționează în raport cu poziția echilibrului termodinamic adevărat pentru faze izolate, nedistorsionate; În consecință, temperatura la care începe transformarea martensitică poate diferi semnificativ de temperatura de echilibru real. Dorința de a minimiza energia elastică de stres determină morfologia, structura internă și poziția relativă a cristalelor de martensită. Noua fază se formează sub formă de plăci subțiri, orientate într-un anumit fel față de axele cristalografice. Plăcile, de regulă, nu sunt monocristale, ci sunt pachete de domenii plan-paralele - regiuni ale unei noi faze, care diferă în orientarea rețelei cristaline.
(duble). Interferența câmpurilor de tensiune din diferite domenii duce la distrugerea lor parțială. O reducere suplimentară a câmpurilor elastice se realizează prin formarea de ansambluri de plăci aranjate regulat. Adică, ca urmare a transformării martensitice, se formează o fază policristalină cu o ordine ierarhică particulară (ansambluri - plăci - domenii) în aranjarea componentelor structurale. O creștere a tensiunilor interne în timpul transformării martensitice în anumite condiții duce la stabilirea unui echilibru termoelastic bifazic, care se schimbă reversibil atunci când condițiile externe se modifică: sub influența sarcinilor mecanice sau când se modifică temperatura, dimensiunile cristalelor individuale și ale acestora. schimbarea numărului. Transformările martensitice se găsesc în multe materiale cristaline: metale pure, numeroase aliaje, cristale ionice, covalente și moleculare.

Există perspective mari pentru modificări reversibile de formă în timpul transformării martensitice (crearea aliajelor superelastice care își restabilesc forma inițială atunci când sunt încălzite după deformarea plastică - efectul de memorie), precum și legătura dintre transformarea martensitică și apariția proprietăților supraconductoare la unele metale. . Transformările martensitice formează baza a numeroase transformări structurale, datorită cărora, cu ajutorul tratamentului termic și mecanic, se realizează o modificare direcționată a proprietăților materialelor cristaline.

Caracteristici ale aliajelor poroase de nicheliură de titan.

Prezența unui interval larg de temperatură de transformare martensitică în nicheliură de titan poroasă în comparație cu titanul turnat se reflectă în curbele de temperatură ale rezistenței electrice. S-a demonstrat că tranziția martensitică este incompletă în aliajele poroase și are loc într-un interval de temperatură mai larg decât în ​​aliajele turnate. Astfel, o caracteristică importantă a nichelidei poroase de titan în comparație cu un aliaj neporos (turnat) de aceeași compoziție este intervalul larg de temperatură al transformărilor de fază. Este de aproximativ 250 0 C, adică depășește semnificativ intervalul (30-400 C) de transformări ale aliajului turnat. Creșterea intervalului de temperatură al transformărilor de fază se datorează structurii nichelidei poroase de titan. Factorul de dimensiune este de asemenea semnificativ, deoarece transformarea martensitică în poduri subțiri și regiuni masive se manifestă diferit. Acțiunea acestor factori duce la faptul că transformările de fază în materialele poroase pe bază de nicheliură de titan încep în diferite regiuni la diferite temperaturi, extinzând histerezisul de-a lungul axei temperaturii, extinzând în mod corespunzător intervalele de temperatură ale transformărilor și intervalele de manifestare a memoriei formei. efecte și superelasticitate în aliajele poroase pe bază de nicheliură de titan.

Figura 1 prezintă efectul memoriei formei în aliajele poroase și turnate. Într-un aliaj poros, efectul memoriei formei se manifestă într-un interval de temperatură mai larg decât într-un aliaj turnat, iar deformarea plastică reziduală într-un material poros este mai semnificativă (în Fig. 1) decât într-un aliaj turnat. În nicheliură de titan turnată, refacerea formei aproape completă (până la 100%) are loc după deformare cu 6 - 8% și încălzirea ulterioară peste intervalul de temperatură MT (Fig. 1). Pe măsură ce gradul de deformare al nichelidei de titan turnat crește, se formează defecte de dislocare care, spre deosebire de transformările martensitice, sunt ireversibile. Stadiul deformarii reversibile dupa mecanismul martensitic este inlocuit cu stadiul deformarii plastice ireversibile. Chiar și la sarcini mici, apar zone în care magnitudinea deformației elastice depășește limita. În schimb, în ​​aliajele poroase, chiar și cu deformații minime, gradul de refacere a formei nu depășește 85%. Gradul de refacere a formei depinde de porozitate, distribuția mărimii porilor și de nivelul efortului de forfecare martensitic, de exemplu. asociat cu particularitățile deformării corpurilor poroase. Analiza dependențelor de deformare a nichelidei de titan cu diferite porozități arată că limita de curgere a aliajului scade odată cu creșterea porozității.

Domenii de utilizare.

Utilizare non-medicală.

Primul aliaj cu memorie de formă a fost folosit în aeronava F-14 în 1971, a fost Ni-Ti-Fe. Utilizarea aliajului Ni-Ti-Nb a reprezentat un mare progres, dar și aliajele Fe-Mn-Si au primit multă atenție, în ciuda tensiunii lor de recuperare mai mici.

Există potențiale aplicații pentru nitinol în producția de bunuri de larg consum. De exemplu, o invenție interesantă: un dispozitiv
- un suport de scrumieră care coboară o țigară aprinsă în scrumieră, împiedicând-o să cadă, să zicem, pe față de masă.

Fiabilitatea dispozitivelor cu memorie de formă depinde de durata de viață a acestora.
Parametrii externi importanți pentru controlul ciclurilor de funcționare a sistemului sunt timpul și temperatura. Parametrii interni importanți care determină proprietățile fizice și mecanice sunt: ​​sistemul de aliaje, compoziția aliajului, tipul de transformare și defectele rețelei. Acești parametri controlează istoricul termomecanic al aliajului. În consecință, efectul maxim de memorie va fi limitat în funcție de numărul de cicluri necesare.

Încărcăturile utile spațiale, cum ar fi panourile solare sau antenele de satelit, utilizează în prezent în principal metode de desfășurare pirotehnică, care creează multe probleme. Utilizarea materialelor cu memorie de formă va elimina toate aceste probleme și va oferi, de asemenea, posibilitatea de a testa în mod repetat performanța sistemului la sol.

Cercetări recente asupra aliajelor Ni-Ti au arătat că comportamentul super elastic are ca rezultat o rezistență îmbunătățită la uzură.
Comportamentul pseudoelastic reduce aria de contact elastic în timpul alunecării. Reducerea zonei de contact elastic dintre două părți de alunecare crește rezistența la uzură a materialului. Un tip special de uzură este eroziunea prin cavitație, care creează probleme specifice la mașinile hidraulice, elicele navelor și turbinele cu apă. Studiile comparative ale diferitelor materiale au arătat că aliajele Ni-Ti au o rezistență mai mare la eroziunea prin cavitație decât aliajele convenționale. În stare martensitică, aliajul Ni-Ti are o rezistență foarte bună la eroziunea prin cavitație. Dar fabricarea pieselor de lucru supuse coroziunii în întregime din aliaj Ni-Ti este prea costisitoare, așa că cel mai bun mod este să utilizați un aliaj Ni-Ti combinat cu oțel.

Uz medical.

O nouă clasă de materiale compozite este folosită în medicină
„bioceramică – nicheliură de titan”. În astfel de compozite, o componentă (nicheliură de titan) are superelasticitate și memorie de formă, în timp ce cealaltă păstrează proprietățile bioceramicului.

Componenta ceramică poate fi porțelan, care este utilizat pe scară largă în stomatologia ortopedică și este un material fragil. Fragilitatea ridicată a porțelanului se datorează faptului că tensiunile de contact apar la limitele diferitelor faze și granule, depășind semnificativ nivelul tensiunilor medii aplicate. Relaxarea tensiunilor de contact într-un material ceramic este posibilă dacă în zona acestor tensiuni are loc disiparea energiei datorită unei transformări de fază în nicheliură de titan. O modificare a temperaturii sau aplicarea unei sarcini determină o transformare martensitică în nicheliură de titan, ceea ce duce la relaxarea efectivă a tensiunii în matrice atunci când materialul compozit este încărcat, permițând componentului solid să suporte sarcina aplicată. Se știe că recuperarea elastică a volumului compactelor poroase din pulbere superelastică de nicheliură de titan este asociată cu ruperea contactelor interparticule și este determinată de rezistența brichetei, care depinde de porozitatea și mărimea forțelor de adeziune de contact. Slăbirea acestor forțe prin adăugarea altor componente la pulberea de nicheliură de titan, cum ar fi tungstenul fin dispersat sau carbura de siliciu, crește semnificativ efectul elastic, deoarece contactele puternice de titan-nichel cu același nume sunt înlocuite cu altele opuse. Deoarece amploarea efectului elastic scade odată cu scăderea conținutului de nicheliură de titan în compact, dependența de concentrație a recuperării volumului elastic este de obicei extremă. În materialul compozit porțelan-nicheliură de titan, componentele interacționează slab și, după sinterizare, contactele dintre componentele ceramice și cele metalice sunt slăbite. Când sunt încărcate, se rup mai întâi și crește recuperarea elastică a volumului. Ca rezultat, deformarea este reversibilă și compozitul prezintă proprietăți similare cu supraelasticitatea. Biocompatibilitatea materialului compozit
„porțelan dentar – nicheliu de titan” a fost studiat histologic, evaluând răspunsul țesutului la șobolani la implantarea de probe din material compozit și porțelan sub pielea peretelui abdominal anterior. Natura reacțiilor tisulare, prevalența lor și caracteristicile modificărilor celulare în ambele cazuri s-au dovedit a fi lipsite de ambiguitate. Astfel, materialele compozite bioceramică-nicheliură de titan sunt biocompatibile.

Prepararea aliajelor cu memorie de formă.

Aliajele cu memorie de formă sunt produse prin topirea componentelor individuale. Topitura se răcește rapid și se efectuează un tratament la temperatură înaltă.

A fost propusă o întreagă clasă de materiale compozite „bioceramică - nicheliură de titan” pentru medicină. În astfel de materiale, o componentă (nicheliură de titan) are memorie de formă și superelasticitate, în timp ce cealaltă păstrează proprietățile bioceramicului. Cea mai des folosită componentă ceramică este porțelanul, care este utilizat pe scară largă în stomatologia ortopedică și este un material fragil. Pentru a face astfel de mostre, se folosesc pulberi de nicheliură de titan și masă de porțelan, care, după amestecare și uscare, sunt sinterizate în vid.

Degradare

Transformarea martensitică în aliajele pe bază de NiTi este un proces atermic, a cărui viteză este determinată în întregime de viteza de schimbare a temperaturii în apropierea echilibrului termodinamic al fazelor. Prin urmare, toate efectele mecanice specifice în NiTi care însoțesc transformarea martensitică, cum ar fi memoria formei și plasticitatea transformării, pot fi realizate în timp foarte scurt în condiții adecvate de încălzire și răcire. În dispozitivele de mare viteză, pentru a accelera schimbul de căldură cu un agent termic (lichid sau gazos), se utilizează bandă de ecartament subțire, sârmă și țevi cu dimensiuni liniare micron în secțiune transversală. În acest caz, starea suprafeței libere a aliajului devine de mare importanță.
Deoarece chiar și micile variații ale compoziției duc la modificări ale cineticii temperaturii și la caracterul complet al transformării, segregarea elementelor și oxidarea suprafeței schimbă în mod semnificativ proprietățile speciale ale materialului. Această împrejurare capătă o importanță deosebită datorită necesității unui tratament termic sau termomecanic preliminar al materialului.

Studiile au arătat tendința nichelidei de titan pe suprafața liberă sub influențe termice. Într-o atmosferă care conține oxigen, aliajul se oxidează pentru a forma un strat de oxid care conține în principal oxid de TiO2. Se poate presupune că, deoarece titanul este foarte activ din punct de vedere chimic, într-un mediu fără oxigen atomii de titan vor forma compuși cu orice gaz neinert, de exemplu, într-o atmosferă de azot - nitruri. Formarea de oxizi de-a lungul granițelor și la suprafață poate fi evitată numai prin tratarea termică a probelor în vid sau într-un mediu inert.

Pentru prima dată, în 1949, academicianul G.V Kurdyumov și profesorul L.G. Handros. În 1980, s-a înregistrat descoperirea fenomenului de echilibru termoelastic în timpul transformărilor de fază de tip martensitic, care constă în formarea de cristale elastice de martensită, ale căror limite, la modificarea câmpului de temperatură sau de stres, se deplasează spre cel martensitic sau fază inițială cu o modificare simultană reversibilă a formei geometrice a regiunilor rezultate ale corpului solid.

Acest fenomen a fost descoperit la dezvoltarea unui aliaj pentru produse cu rezistență ridicată la coroziune în apa de mare, nemagneticitate, rezistență specifică ridicată și capacitate de fabricație. În timpul procesului de tratament termic, aliajul a descoperit o nouă proprietate, numită efectul memoriei formei. Un produs realizat dintr-un astfel de aliaj a suferit o deformare plastică, iar apoi și-a restabilit forma inițială ca urmare a încălzirii (efect de memorie a formei) sau imediat după îndepărtarea sarcinii (superelasticitate).

Esența fizică și mecanică a acestui fenomen constă în faptul că transformarea martensitică creează stres și deformare a elementelor structurale interne ale metalului cu formarea de domenii orientate în direcții diferite. Aplicarea unei sarcini mecanice exterioare la temperatura de transformare martensitică și deformarea unui produs având o astfel de structură cu limite ușor de mutat între granule și domenii cristaline aliniază toate domeniile în direcția sarcinii aplicate și a deformarii produsului. După îndepărtarea sarcinii și răcirea produsului, puteți crea o altă deformare care va persista. Dacă apoi încălziți produsul la o anumită temperatură, se va produce o transformare martensitică inversă și deformarea martensitică va fi eliminată. Ca urmare, structura va avea doar solicitări mecanice inițiale, care readuc produsele la forma lor inițială.

Aliajele cu transformare martensitică inversă și memorie de formă includ Ni–Al, Ni–Co, Ni–Ti, Ti–Nb, Fe–Ni, Cu–Al, Cu–Al–Ni, dar aliajele pe bază de mononicheliură de titan NiTi sunt cele mai utilizate. – nitinol. Are rezistență până la σ B = 1200 MPa, ductilitate până la δ = 15%, compatibilitate biologică, gradul de refacere a formei originale a produsului ajunge la 100%. Aliajul este rezistent la coroziune, absoarbe vibrațiile, intervalul de temperatură de schimbare a formei este de 10..40 0 C în intervalul de temperatură de la –200 0 C la 150 0 C.

Astfel de aliaje sunt folosite pentru a crea structuri deployabile (antene), senzori de temperatură, conexiuni etanșe puternice, amortizoare, implanturi medicale temporare și permanente. În prezent sunt dezvoltate materiale în care transformarea martensitică modifică proprietăți electrice, magnetice, optice și alte proprietăți.

Conform opiniei general acceptate, metalele sunt cele mai durabile și mai rezistente materiale. Cu toate acestea, există aliaje care își pot restabili forma după deformare fără a aplica o sarcină externă. Ele sunt, de asemenea, caracterizate de alte proprietăți fizice și mecanice unice care le disting printre materialele structurale.

Esența fenomenului

Efectul de memorie de formă al aliajelor este că metalul deformat anterior se reface spontan ca urmare a încălzirii sau pur și simplu după îndepărtarea sarcinii. Aceste proprietăți neobișnuite au fost observate de oamenii de știință încă din anii 50. secolul XX Chiar și atunci, acest fenomen a fost asociat cu transformări martensitice în rețeaua cristalină, în timpul cărora are loc mișcarea ordonată a atomilor.

Materialele cu memorie de formă martensite sunt termoelastice. Această structură este formată din cristale sub formă de plăci subțiri, care sunt alungite în straturile exterioare și comprimate în straturile interioare. „Purtătorii” deformării sunt granițele interfazate, gemene și intercristaline. După încălzirea aliajului deformat, apar tensiuni interne, încercând să readucă metalul la forma inițială.

Natura recuperării spontane depinde de mecanismul expunerii anterioare și de condițiile de temperatură în care a avut loc. De cel mai mare interes este ciclicitatea multiplă, care se poate ridica la câteva milioane de deformații.

Metalele și aliajele cu efect de memorie de formă au și o altă proprietate unică - o dependență neliniară a caracteristicilor fizice și mecanice ale materialului de temperatură.

Soiuri

Procesul de mai sus se poate manifesta sub mai multe forme:

• superplasticitate (superelasticitate), în care structura cristalină a metalului rezistă la deformații care depășesc semnificativ limita de curgere în stare normală;
• memorie de formă unică și reversibilă (în acest din urmă caz, efectul este reprodus în mod repetat în timpul ciclării termice);
• plasticitatea transformării directe și inverse (acumularea de efort în timpul răcirii și, respectiv, încălzirii, în timpul trecerii prin transformarea martensitică);
• memorie inversă: la încălzire, se restabilește mai întâi o deformare, iar apoi, cu o creștere suplimentară a temperaturii, o alta;
• transformare orientată (acumularea deformațiilor după îndepărtarea sarcinii);
• pseudoelasticitate - refacerea deformațiilor inelastice din valori elastice în intervalul 1-30%.

Revenirea la starea inițială în metalele cu efect de memorie a formei poate avea loc atât de intens încât nu poate fi suprimată de o forță apropiată de rezistența la tracțiune.

Materiale

Dintre aliajele cu astfel de proprietăți, cele mai frecvente sunt titanul-nichel (49-57% Ni și 38-50% Ti). Au caracteristici bune de performanță:

• rezistență ridicată și rezistență la coroziune;
• coeficient semnificativ de recuperare a formei;
• valoare mare a tensiunii interne la revenirea la starea inițială (până la 800 MPa);
• bună compatibilitate cu structurile biologice;
• absorbție eficientă a vibrațiilor.

Pe lângă nichelida de titan (sau nitinol), se folosesc și alte aliaje:

• bicomponent - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
• tricomponent - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn-Si și altele.

Aditivii de aliere pot schimba foarte mult temperatura transformărilor martensitice, afectând proprietățile de reducere.

Utilizare industrială

Utilizarea efectului de memorie a formei vă permite să rezolvați multe probleme tehnice:

• crearea ansamblurilor de țevi sigilate este similară cu metoda de evazare (conexiuni cu flanșe, coliere și cuplaje cu auto-strângere);
• producție de scule de prindere, cleme, împingătoare;
• proiectarea „supersprings” și acumulatoare de energie mecanică, motoare pas cu pas;
• realizarea de conexiuni din materiale diferite (metal-nemetal) sau în locuri greu accesibile când utilizarea sudurii sau lipirii devine imposibilă;
• producerea de elemente de putere reutilizabile;
• etanșarea carcasei microcircuitelor, prize pentru conectarea acestora;
• producția de regulatoare de temperatură și senzori în diverse dispozitive (alarme de incendiu, siguranțe, supape de motoare termice și altele).

Există perspective mari pentru crearea de dispozitive similare pentru industria spațială (antene și panouri solare cu auto-desfășurare, dispozitive telescopice, unelte pentru lucrări de instalare în spațiul cosmic, acționări pentru mecanisme rotative - cârme, clapete, trape, manipulatoare). Avantajul lor este absența sarcinilor de impuls care perturbă poziția spațială în spațiu.

Aplicarea aliajelor cu memorie de formă în medicină

În știința materialelor medicale, metalele cu aceste proprietăți sunt utilizate pentru fabricarea unor astfel de dispozitive tehnologice precum:

• motoare pas cu pas pentru întinderea oaselor și îndreptarea coloanei vertebrale;
• filtre pentru înlocuitori de sânge;
• dispozitive pentru fixarea fracturilor;
• aparate ortopedice;
• Cleme pentru vene și artere;
• piese de pompe pentru inima sau rinichi artificiali;
• stenturi și endoproteze pentru implantare în vasele de sânge;
• arcade ortodontice pentru corectarea dentitiei.

Dezavantaje și perspective

În ciuda posibilităților lor largi, aliajele cu memorie de formă au dezavantaje care limitează utilizarea lor pe scară largă:

• componente chimice scumpe;
• tehnologie complexă de fabricație, necesitatea utilizării echipamentelor de vid (pentru a evita includerea impurităților de azot și oxigen);
• instabilitate de fază;
• prelucrabilitate redusă a metalelor prin tăiere;
• dificultăți în modelarea cu acuratețe a comportării structurilor și a aliajelor de fabricație cu caracteristici specificate;
• îmbătrânirea, oboseala și degradarea aliajelor.

O direcție promițătoare în dezvoltarea acestui domeniu de tehnologie este crearea de acoperiri din metale cu efect de memorie a formei, precum și producerea unor astfel de aliaje pe bază de fier. Structurile compozite vă vor permite să combinați proprietățile a două sau mai multe materiale într-o singură soluție tehnică.

Acasă » Ulcer » Efecte de memorie de formă: materiale și mecanism de acțiune. Posibilitati de aplicare. Efect de memorie de formă Materiale cu memorie