I følge konvensjonell visdom er metaller de mest holdbare og motstandsdyktige materialene. Imidlertid er det legeringer som kan gjenopprette formen etter deformasjon uten å påføre en ekstern belastning. De er også preget av andre unike fysiske og mekaniske egenskaper som skiller dem fra strukturelle materialer.
Fenomenets essens
Formminneeffekten til legeringer er at et forhåndsdeformert metall gjenoppretter seg spontant som et resultat av oppvarming eller rett og slett etter lossing. Disse uvanlige egenskapene ble lagt merke til av forskere så tidlig som på 1950-tallet. Det 20. århundre Selv da var dette fenomenet assosiert med martensittiske transformasjoner i krystallgitteret, hvor det er en ordnet bevegelse av atomer.
Martensitt i formminnematerialer er termoelastisk. Denne strukturen består av krystaller i form av tynne plater, som strekkes i de ytre lagene, og komprimeres i de indre. "Bærerne" av deformasjon er interfase-, tvilling- og interkrystallittgrenser. Etter oppvarming deformertelegering, indre spenninger vises, prøver å returnere metallet til sin opprinnelige form.
Karten til spontan restitusjon avhenger av mekanismen til den forrige eksponeringen og temperaturforholdene den foregikk under. Av størst interesse er den multiple syklisiteten, som kan utgjøre flere millioner deformasjoner.
Metaller og legeringer med formminneeffekt har en annen unik egenskap - en ikke-lineær avhengighet av materialets fysiske og mekaniske egenskaper på temperatur.
varianter
Prosessen ovenfor kan ha flere former:
- superplastisitet (superelastisitet), der krystallstrukturen i metallet tåler deformasjoner som vesentlig overskrider flytegrensen i norm altilstand;
- enkelt og reversibelt formminne (i sistnevnte tilfelle reproduseres effekten gjentatte ganger under termisk sykling);
- forover- og reverstransformasjonsduktilitet (akkumulering av tøyning under henholdsvis kjøling og oppvarming når den passerer gjennom en martensittisk transformasjon);
- reversibelt minne: ved oppvarming gjenopprettes først én deformasjon, og deretter, med ytterligere temperaturøkning, en annen;
- orientert transformasjon (akkumulering av deformasjoner etter fjerning av lasten);
- pseudoelastisitet - gjenvinning av uelastiske deformasjoner fra elastiske verdier i området 1-30%.
Gå tilbake til den opprinnelige tilstanden for metaller med effektenformminnet kan være så intenst at det ikke kan undertrykkes av en kraft nær strekkstyrken.
Materials
Blant legeringene med slike egenskaper er titan-nikkel (49–57 % Ni og 38–50 % Ti) de vanligste. De har god ytelse:
- høy styrke og korrosjonsmotstand;
- signifikant utvinningsfaktor;
- stor verdi av indre spenning ved retur til utgangstilstand (opptil 800 MPa);
- god kompatibilitet med biologiske strukturer;
- effektiv vibrasjonsdemping.
I tillegg til titannikkelid (eller nitinol), brukes også andre legeringer:
- to-komponent - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- tre-komponent - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si og andre.
Legerende tilsetningsstoffer kan i stor grad forskyve den martensittiske transformasjonstemperaturen, og påvirke reduksjonsegenskapene.
Industriell bruk
Anvendelse av formminneeffekten gjør det mulig å løse mange tekniske problemer:
- oppretting av tette rørsammenstillinger som ligner på faklingmetoden (flensforbindelser, selvstrammende klips og koblinger);
- produksjon av klemmeverktøy, gripere, skyvere;
- design"superfjærer" og akkumulatorer av mekanisk energi, trinnmotorer;
- opprette skjøter fra forskjellige materialer (metall-ikke-metall) eller på vanskelig tilgjengelige steder når sveising eller lodding blir umulig;
- produksjon av gjenbrukbare kraftelementer;
- husforsegling av mikrokretser, stikkontakter for deres tilkobling;
- produksjon av temperaturregulatorer og sensorer i ulike enheter (brannalarmer, sikringer, varmemotorventiler og annet).
Opprettelsen av slike enheter for romfartsindustrien (selvutplasserende antenner og solcellepaneler, teleskopiske enheter, verktøy for installasjonsarbeid i verdensrommet, drivverk for roterende mekanismer - ror, skodder, luker, manipulatorer) har store muligheter. Fordelen deres er fraværet av impulsbelastninger som forstyrrer den romlige posisjonen i rommet.
Anvendelse av formminnelegeringer i medisin
I medisinsk materialvitenskap brukes metaller med disse egenskapene til å lage teknologiske enheter som:
- trinnmotorer for å strekke bein, rette ut ryggraden;
- filtre for bloderstatninger;
- enheter for å fikse brudd;
- ortopediske apparater;
- klemmer for årer og arterier;
- pumpedeler for kunstig hjerte eller nyre;
- stents og endoproteser for implantasjon i blodårer;
- kjeveortodontiske ledninger for korrigering av tannsett.
Ulemper og prospekter
Til tross for det store potensialet, har formminnelegeringer ulemper som begrenser deres utbredte bruk:
- dyre kjemikomponenter;
- komplisert produksjonsteknologi, behovet for å bruke vakuumutstyr (for å unngå inkludering av nitrogen- og oksygenforurensninger);
- fase ustabilitet;
- lav bearbeidbarhet av metaller;
- vansker med å nøyaktig modellere oppførselen til strukturer og produsere legeringer med ønskede egenskaper;
- aldring, tretthet og nedbrytning av legeringer.
En lovende retning i utviklingen av dette teknologiområdet er å lage belegg fra metaller med en formminneeffekt, samt produksjon av slike legeringer basert på jern. Komposittstrukturer vil tillate å kombinere egenskapene til to eller flere materialer i én teknisk løsning.
