Conform înțelepciunii convenționale, metalele sunt cele mai durabile și mai rezistente materiale. Cu toate acestea, există aliaje care își pot recupera forma după deformare fără a aplica o sarcină externă. Ele sunt, de asemenea, caracterizate de alte proprietăți fizice și mecanice unice care le deosebesc de materialele structurale.
Esența fenomenului
Efectul de memorie de formă al aliajelor este că un metal pre-deformat se recuperează spontan ca urmare a încălzirii sau pur și simplu după descărcare. Aceste proprietăți neobișnuite au fost observate de oamenii de știință încă din anii 1950. Secolului 20 Chiar și atunci, acest fenomen a fost asociat cu transformări martensitice în rețeaua cristalină, în timpul cărora are loc o mișcare ordonată a atomilor.
Martensite în materiale cu memorie de formă este termoelastică. Această structură este formată din cristale sub formă de plăci subțiri, care sunt întinse în straturile exterioare, și comprimate în cele interioare. „Purtătorii” deformării sunt granițele interfazate, gemene și intercristalite. După încălzirea deformateloraliaj, 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 decurs. De cel mai mare interes este ciclicitatea multiplă, care poate ajunge la câteva milioane de deformații.
Metalele și aliajele cu efect de memorie a formei au o altă proprietate unică - o dependență neliniară a caracteristicilor fizice și mecanice ale materialului de temperatură.
Soiuri
Procesul de mai sus poate lua mai multe forme:
- superplasticitate (superelasticitate), în care structura cristalină a metalului poate rezista 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);
- ductilitate de transformare înainte și inversă (acumulare de deformare în timpul răcirii și, respectiv, încălzirii, la trecerea printr-o transformare martensitică);
- memorie reversibilă: 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 - recuperarea deformațiilor inelastice din valori elastice în intervalul 1-30%.
Reveniți la starea inițială pentru metale cu efectmemoria formei poate fi atât de intensă încât nu poate fi suprimată de o forță apropiată de rezistența la tracțiune.
Materiale
Dintre aliajele cu astfel de proprietăți, cele mai comune sunt titanul-nichel (49–57% Ni și 38–50% Ti). Au performanțe bune:
- rezistență mare și rezistență la coroziune;
- factor de recuperare semnificativ;
- valoare mare a tensiunii interne la revenirea la starea inițială (până la 800 MPa);
- compatibilitate bună cu structurile biologice;
- absorbție eficientă a vibrațiilor.
Pe lângă nichelida de titan (sau nitinol), se mai folosesc și alte aliaje:
- bicomponent - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- cu trei componente - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si si altele.
Aditivii de aliere pot schimba foarte mult temperatura de transformare martensitică, afectând proprietățile de reducere.
Uz industrial
Aplicarea efectului de memorie a formei permite rezolvarea multor probleme tehnice:
- crearea de ansambluri de conducte etanșe similare metodei de evazare (conexiuni cu flanșe, cleme și cuplaje cu autostrângere);
- fabricarea de scule de prindere, cleme, împingătoare;
- design„superarcuri” și acumulatori de energie mecanică, motoare pas cu pas;
- crearea îmbinărilor din materiale diferite (metal-nemetal) sau în locuri greu accesibile când sudarea sau lipirea devine imposibilă;
- producție de elemente de putere reutilizabile;
- sigilarea carcasei microcircuitelor, prize pentru conectarea acestora;
- producție de regulatoare de temperatură și senzori în diverse dispozitive (alarme de incendiu, siguranțe, supape pentru motor termic și altele).
Crearea unor astfel de dispozitive 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, obloane, trape, manipulatoare) are perspective mari. 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 folosite pentru a face dispozitive tehnologice, cum ar fi:
- motoare pas cu pas pentru întinderea oaselor, îndreptarea coloanei vertebrale;
- filtre pentru înlocuitori de sânge;
- dispozitive pentru repararea fracturilor;
- aparate ortopedice;
- cleme pentru vene și artere;
- piese de pompă pentru inimă artificială sau rinichi;
- stenturi și endoproteze pentru implantare în vase de sânge;
- sârme ortodontice pentru corectarea dentiției.
Dezavantaje și perspective
În ciuda potențialului mare, aliajele cu memorie de formă au dezavantaje care limitează adoptarea lor pe scară largă:
- componente chimice scumpe;
- tehnologie complicată de fabricație, necesitatea utilizării echipamentelor de vid (pentru a evita includerea impurităților de azot și oxigen);
- instabilitate de fază;
- prelucrabilitate redusă a metalelor;
- dificultăți în modelarea cu acuratețe a comportamentului structurilor și a aliajelor de fabricație cu caracteristicile dorite;
- imbatranire, oboseala si 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 fabricarea unor astfel de aliaje pe bază de fier. Structurile compozite vor permite combinarea proprietăților a două sau mai multe materiale într-o singură soluție tehnică.
