Главная › Деньги › С эффектом памяти формы любой. Эффект "памяти" формы

С эффектом памяти формы любой. Эффект "памяти" формы

Эффект заключается в способности ненагруженного материала под воздействием внешнего напряжения и изменения температуры накапливать деформацию (10–15%), обратимую либо при нагреве, либо в процессе снятия внешнего напряжения (сверхэластичность). Деформация может накапливаться при активном нагружении, а также при изменении температуры сплава, находящегося под воздействием одноосного или сдвигового напряжения. Типичный рабочий цикл для такого материала представлен на рисунке 1. Деформация на этапе б–в (рисунок 1) накапливается за счет переориентации кристаллов мартенсита (эффект мартенситной неупругости) и остается после снятия нагрузок. Эффект памяти формы проявляется на этапе в–г (рисунок 1), где материал самостоятельно восстанавливает свою форму и может развить значительные усилия.

Рисунок 1 – Схема деформирования стержня с эффектом памяти формы (а–г) и зависимость объемной доли мартенсита q от температуры Т (д) .

К сплавам с памятью формы, кроме никелида титана, относятся AuCd, Cu–Al–Zn, AgCd и др. В основе эффекта памяти формы лежат мартенситные превращения, для которых типичны слабая зависимость температур начала и окончания превращения от скорости изменения температуры, чаще всего обратимый характер превращения, заметное несовпадение (гистерезис) температур прямой и обратной реакции и другие признаки. Высокотемпературную модификацию принято называть аустенитом, а низкотемпературную – мартенситом (рисунок 1). Температуры мартенситных превращений сильно зависят от химического состава сплавов, их термической и механической обработки. Например, характеристические температуры никелида титана лежат в пределах 30–80°С, редко выходя за этот интервал, однако легирование железом снижает их примерно на 150–200°С, то есть до –170 … –70°С.

Кинетика мартенситных превращений имеет ярко выраженный гистерезис (рисунок 1 д). Если материал охлаждать из аустенитного состояния, то вначале каких-либо фазовых преобразований не происходит. Однако, начиная с некоторой характеристической температуры, которую принято обозначать M s , появляются первые кристаллы мартенсита, следовательно, увеличивается и доля мартенситной фазы в объеме материала. По мере дальнейшего охлаждения их размеры и количество увеличиваются, пока кристаллы не заполнят при температуре M f весь объем. Такое превращение называется прямым и при наличии внешней нагрузки сопровождается появлением большой деформации (эффект пластичности превращения). При последующем нагреве, начиная с температуры A s , мартенсит начинает переходить в аустенит. При этом накопленная деформация начинает медленно исчезать, до тех пор, пока температура не станет выше A f и произойдет восстановление формы.

Такие сплавы используются в качестве биомедицинских имплантатов: стентов, ортодонтических проволок, фильтров, фиксаторов, скобок для остеосинтеза, пластинок и т.д. .

При применении сплавов с ЭПФ в медицине необходимо, чтобы они обеспечивали не только надежность выполнения механических функций, но и химическую надежность (сопротивление ухудшению свойства в биологической среде, сопротивление разложению, растворению, коррозии), биологическую надежность (биологическую совместимость, отсутствие токсичности, канцерогенности, сопротивление образованию тромбов и антигенов). Простые металлические элементы имеют сильное токсичное действие, но в соединении с другими элементами обнаруживается эффект взаимного ослабления токсичности. Однако большее значение, чем образование ионов, имеет растворимость пассивирующих пленок, возникающих на поверхности металлов. Например, используемые в качестве биологических материалов хромоникелевые сплавы, кобальтхромовые сплавы, чистый Ti, сплав Ti–6Al–4V [% (ат.)] содержат элементы, имеющие сильное токсичное действие в виде простых элементов, но пассивирующие пленки, образующиеся в контакте с биологическими организмами, являются достаточно стабильными .

Каждый металл и сплав имеет свою кристаллическую решетку, архитектура и размеры ко-
торой строго заданы. У многих металлов с изменением температуры, давления решетка не
остается одной и той же и наступает момент, когда происходит ее перестройка. Такая смена
типа кристаллической решетки - полиморфное превращение - может осуществляется двумя
способами:
1) при высокой температуре за счет диффузии при высокой подвижности атомов;
2) при низкой температуре за счет коллективного, согласованного перемещения атомов, что
приводит к изменению формы объема сплава (бездиффузионное сдвиговое термоупругое мар-
тенситовое превращение с образованием новой кристаллической решетки - мартенсита).
При высокой температуре в аустенитном состоянии сплав имеет кубическую решетку.
При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой ячейки решетки становят-
ся скошенными параллепипедами. При нагреве аустенитная фаза восстановливается, а с ней
восстановливается и первоначальная форма изделия из сплава с «памятью» формы.
Мартенситное превращение - один из фундаментальных способов перестройки кристал-
лической решетки в отсутствии диффузии, характерный для сталей, чистых металлов, цветных
сплавов, полупроводников, полимеров.
Эффект «памяти» - восстановление первоначальной формы и размеров кристаллов после
их изменения при деформировании в результате термоупругого мартенситового превращения
при термообработке по определенному режиму.
Изменение формы - главная особенность мартенситного превращения, с которой связан эф-
фект «памяти» сплавов, условие необходимое, но недостаточное для проявления «памяти».
Свободная энергия кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы, что стимулирует
развитие мартенситного перехода. Переход тормозится из-за возникновения границы раздела
старой и новой фаз и повышения свободной энергии. Растущие кристаллы мартенситной фазы
деформируют окружающий объем, который сопротивляется этому. Возникает упругая энергия,
препятствующая дальнейшему росту кристаллов. Когда эта энергия превышает предел упру-
гости, происходит интенсивная деформация материала в окрестности границы раздела фаз и
рост кристаллов прекращается. В сталях процесс проходит практически мгновенно (отдельные
кристаллы мартенсита вырастают до конечных размеров).
Обратный переход мартенсита в аустенит (высокотемпературная фаза, бездиффузионная
сдвиговая перестройка решетки затруднена), идет при высоких температурах, когда в мартен-
сите растут кристаллы аустенита без перехода к исходной форме (атомы не попадают на свои
прежние места).
В сплавах с «памятью» при охлаждении мартенситные кристаллы растут медленно, при
нагреве исчезают постепенно, что обеспечивает динамическое равновесие границы раздела
между ними и исходной фазы. Граница между фазами ведет себя аналогично, если охлаж-
дение и нагрев заменить соответственно приложением и снятием нагрузки - термоупругое
равновесие фаз в твердом теле.
Термоупругое мартенситное превращение сопровождается обратимым изменением формы
кристаллов аустенита, что, в основном, обеспечивает «память» металлов.
56 Интеллектуальные полимерные материалы (ИПМ)
Прямым следствием термоупругого мартенситового превращения является обратимое
изменение формы твердого тела в результате периодического охлаждения и нагрева (тепловой
двигатель). Металлы с «памятью» (например, нитинол), «вспоминают» свою первоначальную
форму при нагреве после предварительного деформирования образца .
К концу 1960-х гг. сформировалась область физических исследований и технических
применений эффекта «памяти» формы в сплавах.
Существуют сотни сплавов с мартенситным превращением, но число сплавов, где эффект
«памяти» формы имеет практическое значение, незначительно. Коллективное перемещение
атомов в определенном направлении, сопровождающееся самопроизвольной (мартенсит-
ной) деформацией материала (перестройка решетки), при которой соседство и межатомные
связи атомов не нарушаются (сохраняется возможность вернуться на прежние позиции,
к исходной форме), проходит только при определенных условиях. «Память» отдельного
кристалла - это еще не память всего объема сплава, который обычно имеет поликристал-
лическое строение.
Отдельные кристаллиты (зерна) отличаются ориентацией кристаллических решеток.
Сдвиг атомов при мартенситном превращении происходит в решетке по определенным плос-
костям и направлениям. Из-за различной ориентации зерен сдвиги в каждом зерне проходят
в различных направлениях и, несмотря на значительную деформацию отдельных кристаллов,
образец в целом не испытывает заметного изменения формы. Оно происходит в том случае,
если кристаллы ориентированы в одном направлении. Управляющей силой, которая при мар-
тенситном превращении организует преимущественную организацию кристаллов, является
внешняя нагрузка.
При мартенситном превращении атомы перемещаются в направлении действия внешней
нагрузки (образец в целом испытывает деформацию). Процесс развивается до тех пор, пока
весь материал не продеформируется в направлении действия силы без разрыва межатомных
связей и нарушения соседства атомов. При нагреве они возвращаются на исходные позиции,
восстанавливая первоначальную форму всего объема материала.
Эффект «памяти» основан на термоупругом равновесии фаз и управляющем действии
нагрузки. Специальная термомеханическая обработка сплавов создает в материале микро-
напряжения, действия которых при мартенситных переходах аналогично действию внешней
нагрузки. При охлаждении сплав самопроизвольно принимает одну форму, при нагреве
возвращается к исходной (пластина сворачивается в кольцо при охлаждении, при нагреве -
разворачивается или наоборот).
Материалы с памятью формы могут проявлять сверхпластичность (значительные де-
формации, когда мартенситное превращение вызывается приложением внешней нагрузки, а
не охлаждением, что используется при создании пружинных амортизаторов, аккумуляторов
механической энергии), имеют высокую циклическую прочность (не происходит накопление
дефектов структуры) и высокую способность рассеивать механическую энергию (при мартен-
ситных превращениях перестройка кристаллической решетки сопровождается выделением
или поглощением тепла, если внешняя нагрузка вызывает мартенситное превращение, то
механическая энергия переходит в тепловую; при эффектах памяти наблюдается и процесс
превращения тепла в работу).
Изменение формы(при периодическом изменении температуры) металлов с памятью со-
провождается проявлением мощных межатомных сил. Давление при расширении материалов
такого типа достигает 7 т/см2. В зависимости от вида материала изделия различного размера
и конфигурации сгибаются, расширяются, извиваются (форму можно программировать).
К металлам с памятью формы относятся сплавы нитинол, нитинол-55 (с железом), никелид
титана ВТН-27, сплавы титана ВТ-16, ВТ23 (термообработка по специальному режиму, в 2–3
раза дешевле и в 1,5 раза легче никелида титана), сплав на основе титана с 28–34% марганца и
5–7% кремния, терфенол (магнитострикционный сплав, гасит колебания при низкочастотных
вибрациях).
Интеллектуальные полимерные материалы (ИПМ) 57
Сплавы на основе марганца имеют температурный интервал максимальной термочувс-
твительности при 20–40 °С и восстанавливают заданную форму в интервале температур от
–100 до 180 °С
Методом порошковой металлургии получены (Fukuda Metal Co.) сплавы системы Cu-Zn-
Al с эффектом памяти формы спеканием (700 МПа, 900 °С, 0,1 %масс. фторида алюминия
порошков сплавов Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) и меди (размер зерен 20–100 мкм). Сплав
восстанавливает форму после растяжения на 10%.
При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой благодаря изменившим-
ся геометрическим параметрам ячеек кристаллической решетки становится пластичным и при
механическом воздействии изделию из сплава с «памятью» (нитинола и др.) можно придать
практически любую конфигурацию, которая будет сохраняться до тех пор, пока температура не
превысит критическую, при которой мартенситная фаза становится энергетически невыгодной,
сплав переходит в аустенитную фазу с восстановлением исходной формы изделия. Однако,
деформации не должны превышать 7–8%, иначе форма не восстановливается полностью.
Разработаны нитиноловые сплавы, которые «помнят» одновременно форму изделий,
соответствующих высоким и низким температурам. Эффект памяти в нитиноловых сплавах
четко выражен, причем диапозон температур можно точно регулировать в интервале от не-
скольких градусов до десятков градусов, вводя в сплавы модифицирующие элементы, однако
запас цикличности, количество управляемых деформаций (итераций) не превышает 2000,
после чего сплавы утрачивают свои свойства.
Токопроводящие волокна, сформированные из филаментов диаметром 50 мкм сплавов
с наночастицами титана и никеля, изменяют длину на 12–13% в течение 5 млн итераций и
используются в искусственных мышцах. Наномускул (Nano Muscle Actuator, фирма Nano
Muscle, США, Johnson Electric, KHP, 2003 г.) развивает мощность в тысячу раз больше, чем
человеческие мышцы и в 4000 раз больше, чем электродвигатель, при скорости срабатывания
0,1 секунды с плавным переходом из одного состояния в другое с заданной скоростью (мик-
ропроцессорное управление).
Разработаны материалы с магнитомеханической памятью (магнитоупругий мартенситный
переход стимулируется магнитным полем непосредственно или в сочетании с температурой
и нагрузкой) и электромеханической памятью (мартенситное превращение сопровождается
качественным изменением свойств, переходы проводник–полупроводник, парамагнетик–фер-
ромагнетик), что перспективно для создания актюаторов ИМ радиотехнического назначения
для снижения радиолокационной заметности.

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

Описание:

Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира - это стойкость и надежность металлических изделий и конструкций, стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям. Однако существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – т.н. металлы с памятью формы.

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

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

1. Есть металлическая проволока;

2. Эту проволоку изгибают;

3. Начинаем нагревать проволоку;

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

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

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

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

Fe – Mn – Si – наиболее дешевый сплав .

Механизм реализации эффекта памяти формы:

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

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

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

4. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.

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

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

Никелид титана:

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

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

Никелид титана обладает:

– превосходной коррозионной стойкостью,

– высокой прочностью,

– хорошими характеристиками формозапоминания,

– хорошей совместимостью с живыми организмами ,

– высокой демпфирующей (поглощением шума и вибрации) способностью материала.

Московский Государственный Университет

им. М.В.Ломоносова

Факультет наук о материалах

Тема: «Материалы с памятью формы».

Студента V курса ФНМ

Кареева И.Е.

Москва 2000г.

Введение………………………………………………………2

Механизм реализации эффекта памяти формы………...3

Области применения………………………………………..7

Получение сплавов с памятью формы…………………….9

Деградация …………………………………………………..10

Заключение…………………………………………………..11

Список литературы………………………………………..12

Введение.

Материалы с памятью формы (МПФ) 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 их применения. В настоящее время для МПФ определенны функциональные свойства: одно - и двухсторонний эффект памяти, псевдо- или суперэластичность, высокая заглушающая способность .

МПФ 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.

Механизм реализации эффекта памяти формы.

Мартенсит.

Мартенсит - структура кристаллических твердых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении. Назван по имени немецкого металловеда Мартенса (1850 – 1914гг). В результате деформации решетки при этом превращении на поверхности металла появляется рельеф; в объеме же возникают внутренние напряжения, и происходит пластическая деформация, которая и ограничивает рост кристалла. Скорость роста достигает 10 3 м/с и не зависит от температуры, поэтому скорость образования мартенсита обычно лимитирует зарождение кристаллов. Противодействие внутренних напряжений смещает зарождение кристаллов много ниже точки термодинамического равновесия фаз и может остановить превращения при постоянной температуре; в связи с этим количество возникшего мартенсита обычно растет с увеличением переохлаждения. Поскольку упругая энергия должна быть минимальной, кристаллы мартенсита принимают форму пластин. Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией, поэтому кристалл содержит много дислокаций (до 10 12 см -2), либо разбит на двойники толщиной 100 – 1000 Å. Внутризеренные границы и дислокации упрочняют мартенсит. Мартенсит – типичный продукт низкотемпературных полиморфных превращений в чистых металлах (Fe, Co, Ti, Zr, Li и другие), в твердых растворах на их основе, в интерметаллидах (CuZn, Cu 3 Al, NiTi, V 3 Si, AuCd).

Мартенситные превращения.

Для интерметаллидов Ni-Ti с составом, близким к эвтектическому, характерен переход от кубической (аустенитной фазы) к моноклинной (мартенситной) фазе при комнатной температуре. Такие превращения обычно происходят в сплавах при высоких напряжениях, но в результате наличия эффекта памяти или суперэластичности превращения могут происходить и при низких напряжениях. Аустенитные Ni-Ti сплавы проявляют суперэластичное поведение при механических нагрузках и растяжении (8%), вызванное мартенситным превращением. При разгрузке, мартенсит становится не стабильным и переходит в аустенит, с компенсацией всех макроскопических напряжений..

Мартенситное превращение – полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путем их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решетки в микрообластях обычно сводится к деформации ее ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения – однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации мала (~1-10%) и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Необходимое условие мартенситного превращения, которое развивается путем образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, сохранение упорядоченного контакта между фазами. Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. Как следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы (мартенситных кристаллов), мала и при некотором отклонении от равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе. Поэтому зарождение мартенситных кристаллов происходит с большей скоростью и может не требовать тепловых флуктуаций. Существенную роль при мартенситном превращении играют внутренние напряжения, возникающие из-за упругого приспособления кристаллических решеток, сопрягающихся по границам фаз. Поля упругих напряжений приводят к смещению точки равновесия взаимодействующих фаз относительно положения истинного термодинамического равновесия для изолированных, неискаженных фаз; соответственно, температура начала мартенситного превращения может значительно отличаться от температуры истинного равновесия. Стремление к минимуму упругой энергии напряжений определяет морфологию, внутреннюю структуру и взаимное расположение мартенситных кристаллов. Новая фаза образуется в форме тонких пластинок, определенным образом ориентированных относительно кристаллографических осей. Пластинки, как правило, не являются монокристаллами, а представляют собой пакеты плоскопараллельных доменов – областей новой фазы, различающихся ориентировкой кристаллической решетки (двойники). Интерференция полей напряжения от различных доменов приводит к их частичному уничтожению. Дальнейшее уменьшение упругих полей достигается образованием ансамблей из закономерно расположенных пластин. То есть в результате мартенситного превращения образуется поликристаллическая фаза со своеобразным иерархическим порядком (ансамбли – пластины – домены) в расположении структурных составляющих. Рост внутренних напряжений в процессе мартенситного превращения в определенных условиях приводит к установлению двухфазного термоупругого равновесия, Которое обратимо смещается при изменении внешних условий: под действием механических нагрузок или при изменении температуры размеры отдельных кристаллов и их число изменяются. Мартенситные превращения обнаружены во многих кристаллических материалах: чистых металлах, многочисленных сплавах, ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах.

Большие перспективы обратимого формоизменения при мартенситном превращении (создание сверхупругих сплавов, восстанавливающий первоначальную форму при нагреве после пластической деформации – эффект памяти), а так же связь мартенситного превращения с появлением сверхпроводящих свойств в некоторых металлах. Мартенситные превращения составляют основу многочисленных структурных превращений, благодаря которым с помощью термической и механической обработке осуществляется направленное изменение свойств кристаллических материалов.

Особенности пористых сплавов никелида титана.

Наличие широкой температурной области мартенситного превращения в пористом никелиде титана по сравнению с литым находит отражение на температурных кривых электросопротивления. Показано, что мартенситный переход является неполным в пористых сплавах и проходит в более широком температурном интервале, чем в литых сплавах. Таким образом, важной особенностью пористого никелида титана по сравнению с беспористым (литым) сплавом того же состава является широкий температурный интервал фазовых превращений. Он составляет примерно 250 0 C, т. е. значительно превышает интервал (30-40 0 С) превращений литого сплава. Увеличение температурного интервала фазовых превращений обусловлено структурой пористого никелида титана. Существенным является также размерный фактор, поскольку мартенситное превращение в тонких перемычках и массивных областях проявляются по разному. Действие этих факторов приводит к тому, что фазовые превращения в пористых материалах на основе никелида титана начинаются в различных областях при разных температурах, вытягивая гистерезис вдоль оси температур, соответственно расширяя температурные интервалы превращений и интервалы проявления эффектов памяти формы и сверхэластичности в пористых сплавах на основе никелида титана.

Рис.1 Температурные зависимости эффекта обратимой памяти и предела текучести в пористом (1) и литом (2) сплавах на основе никелида титана.

На рис.1 представлен эффект памяти формы в пористом и литом сплавах. В пористом сплаве эффект памяти формы проявляется в более широком температурном интервале, чем в литом, и остаточная пластическая деформация в пористом материале имеет более значительную величину (на рис.1), чем в литом. В литом никелиде титана происходит практически полное (до 100%) восстановление формы после деформирования на 6 - 8% и последующего нагрева выше температурного интервала МП (рис.1). При увеличении степени деформации литого никелида титана образуются дислокационные дефекты, которые в отличие от мартенситных превращений необратимы. Стадия обратимой деформации по мартенситному механизму сменяется стадией необратимой пластической деформации. Даже при малых нагрузках возникают участки, в которых величина упругой деформации превышает предельную. В противоположность в пористых сплавах даже при минимальных деформациях степень восстановления формы не превышает 85%. Степень восстановления формы зависит от пористости, распределения пор по размерам, уровня напряжений мартенситного сдвига, т.е. связана с особенностями деформирования пористых тел. Анализ деформационных зависимостей никелида титана с различной пористостью показывает, что предел текучести сплава уменьшается с увеличением пористости.

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова

Факультет наук о материалах

Тема: «Материалы с памятью формы».

Студента V курса ФНМ

Кареева И.Е.

Москва 2000г.

Введение………………………………………………………2
Механизм реализации эффекта памяти формы………...3
Области применения………………………………………..7
Получение сплавов с памятью формы…………………….9
Деградация …………………………………………………..10
Заключение…………………………………………………..11
Список литературы………………………………………..12
Введение.

В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения.
Механизм реализации эффекта памяти формы.

Мартенсит.

Мартенсит - структура кристаллических твердых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении. Назван по имени немецкого металловеда Мартенса (1850 – 1914гг).
В результате деформации решетки при этом превращении на поверхности металла появляется рельеф; в объеме же возникают внутренние напряжения, и происходит пластическая деформация, которая и ограничивает рост кристалла.
Скорость роста достигает 103 м/с и не зависит от температуры, поэтому скорость образования мартенсита обычно лимитирует зарождение кристаллов.
Противодействие внутренних напряжений смещает зарождение кристаллов много ниже точки термодинамического равновесия фаз и может остановить превращения при постоянной температуре; в связи с этим количество возникшего мартенсита обычно растет с увеличением переохлаждения. Поскольку упругая энергия должна быть минимальной, кристаллы мартенсита принимают форму пластин.
Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией, поэтому кристалл содержит много дислокаций (до 1012см-2), либо разбит на двойники толщиной 100 – 1000 Е. Внутризеренные границы и дислокации упрочняют мартенсит. Мартенсит – типичный продукт низкотемпературных полиморфных превращений в чистых металлах (Fe, Co, Ti, Zr, Li и другие), в твердых растворах на их основе, в интерметаллидах (CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd).

Мартенситные превращения.

Для интерметаллидов Ni-Ti с составом, близким к эвтектическому, характерен переход от кубической (аустенитной фазы) к моноклинной
(мартенситной) фазе при комнатной температуре. Такие превращения обычно происходят в сплавах при высоких напряжениях, но в результате наличия эффекта памяти или суперэластичности превращения могут происходить и при низких напряжениях. Аустенитные Ni-Ti сплавы проявляют суперэластичное поведение при механических нагрузках и растяжении (8%), вызванное мартенситным превращением. При разгрузке, мартенсит становится не стабильным и переходит в аустенит, с компенсацией всех макроскопических напряжений..

Мартенситное превращение – полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путем их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решетки в микрообластях обычно сводится к деформации ее ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения – однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации мала (~1-10%) и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Необходимое условие мартенситного превращения, которое развивается путем образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, сохранение упорядоченного контакта между фазами.
Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. Как следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы (мартенситных кристаллов), мала и при некотором отклонении от равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе. Поэтому зарождение мартенситных кристаллов происходит с большей скоростью и может не требовать тепловых флуктуаций. Существенную роль при мартенситном превращении играют внутренние напряжения, возникающие из-за упругого приспособления кристаллических решеток, сопрягающихся по границам фаз. Поля упругих напряжений приводят к смещению точки равновесия взаимодействующих фаз относительно положения истинного термодинамического равновесия для изолированных, неискаженных фаз; соответственно, температура начала мартенситного превращения может значительно отличаться от температуры истинного равновесия. Стремление к минимуму упругой энергии напряжений определяет морфологию, внутреннюю структуру и взаимное расположение мартенситных кристаллов. Новая фаза образуется в форме тонких пластинок, определенным образом ориентированных относительно кристаллографических осей. Пластинки, как правило, не являются монокристаллами, а представляют собой пакеты плоскопараллельных доменов – областей новой фазы, различающихся ориентировкой кристаллической решетки
(двойники). Интерференция полей напряжения от различных доменов приводит к их частичному уничтожению. Дальнейшее уменьшение упругих полей достигается образованием ансамблей из закономерно расположенных пластин. То есть в результате мартенситного превращения образуется поликристаллическая фаза со своеобразным иерархическим порядком (ансамбли – пластины – домены) в расположении структурных составляющих. Рост внутренних напряжений в процессе мартенситного превращения в определенных условиях приводит к установлению двухфазного термоупругого равновесия, Которое обратимо смещается при изменении внешних условий: под действием механических нагрузок или при изменении температуры размеры отдельных кристаллов и их число изменяются. Мартенситные превращения обнаружены во многих кристаллических материалах: чистых металлах, многочисленных сплавах, ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах.

Особенности пористых сплавов никелида титана.

Наличие широкой температурной области мартенситного превращения в пористом никелиде титана по сравнению с литым находит отражение на температурных кривых электросопротивления. Показано, что мартенситный переход является неполным в пористых сплавах и проходит в более широком температурном интервале, чем в литых сплавах. Таким образом, важной особенностью пористого никелида титана по сравнению с беспористым (литым) сплавом того же состава является широкий температурный интервал фазовых превращений. Он составляет примерно 250 0 C, т. е. значительно превышает интервал (30-400С) превращений литого сплава. Увеличение температурного интервала фазовых превращений обусловлено структурой пористого никелида титана. Существенным является также размерный фактор, поскольку мартенситное превращение в тонких перемычках и массивных областях проявляются по разному. Действие этих факторов приводит к тому, что фазовые превращения в пористых материалах на основе никелида титана начинаются в различных областях при разных температурах, вытягивая гистерезис вдоль оси температур, соответственно расширяя температурные интервалы превращений и интервалы проявления эффектов памяти формы и сверхэластичности в пористых сплавах на основе никелида титана.

Области применения.

Немедицинское применение.

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.

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 супер эластичное 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.

Медицинское применение.

В медицине используется новый класс композиционных материалов
”биокерамика–никелид титана”. В таких композитах одна составляющая (никелид титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая - сохраняет свойства биокерамики.

В качестве керамической составляющей может выступать фарфор, который широко используется в ортопедической стоматологии и является хрупким материалом. Высокая хрупкость фарфора обусловлена тем, что на границах различных фаз и зерен возникают контактные напряжения, значительно превосходящие уровень средних приложенных напряжений. Релаксация контактных напряжений в керамическом материале возможна, если в зоне этих напряжений происходит диссипация энергии за счет фазового превращения в никелиде титана. Изменение температуры или приложение нагрузки вызывает в никелиде титана мартенситное превращение, что приводит к эффективной релаксации напряжений в матрице при нагружении композиционного материала, позволяя твердой составляющей нести приложенную нагрузку. Известно, что упругое восстановление объема пористых прессовок из порошка сверхупругого никелида титана связано с разрывом межчастичных контактов и определяется прочностью брикета, которая зависит от пористости и величины сил контактного сцепления. Ослабление этих сил путем добавления к порошку никелида титана других компонентов, например мелкодисперсных вольфрама или карбида кремния, значительно повышает упругий эффект, так как прочные одноименные контакты титан–никель заменяются разноименными. Поскольку величина упругого эффекта снижается при уменьшении содержания никелида титана в прессовке, концентрационная зависимость упругого восстановления объема обычно является экстремальной. В композиционном материале ”фарфор–никелид титана” компоненты слабо взаимодействуют и после спекания контакты между керамической и металлической составляющей ослаблены. При нагружении они разрываются в первую очередь и упругое восстановление объема растет. В результате деформация является обратимой и композит проявляет свойства, подобные сверхэластичности. Биосовместимость композиционного материала
”стоматологический фарфор–никелид титана” изучалась гистологическим методом, оценивая реакцию тканей у крыс на имплантацию под кожу передней брюшной стенки образцов из композиционного материала и из фарфора. Характер тканевых реакций, их распространенность и особенности клеточных изменений в обоих случаях оказались однозначными. Таким образом, композиционные материалы ”биокерамика–никелид титана” являются биосовместимыми.

Получение сплавов с памятью формы.

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 .

Деградация

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 .