Pagal įprastą išmintį metalai yra patvariausios ir atspariausios medžiagos. Tačiau yra lydinių, kurie po deformacijos gali atgauti savo formą netaikant išorinės apkrovos. Jie taip pat pasižymi kitomis unikaliomis fizinėmis ir mechaninėmis savybėmis, išskiriančiomis juos iš konstrukcinių medžiagų.
Reiškinio esmė
Lydinių formos atminties efektas yra tas, kad iš anksto deformuotas metalas spontaniškai atsistato dėl kaitinimo arba tiesiog po iškrovimo. Šias neįprastas savybes mokslininkai pastebėjo dar šeštajame dešimtmetyje. 20 amžiaus Jau tada šis reiškinys buvo siejamas su martensitinėmis transformacijomis kristalinėje gardelėje, kurios metu vyksta tvarkingas atomų judėjimas.
Martensito formą atmintyje esančios medžiagos yra termoelastinės. Ši struktūra susideda iš kristalų plonų plokštelių pavidalu, kurie ištempti išoriniuose sluoksniuose, o suspausti vidiniuose. Deformacijos „nešėjai“yra tarpfazės, dvyniai ir tarpkristalinės ribos. Įkaitinus deformuotąlydinio, atsiranda vidiniai įtempimai, bandant grąžinti metalui pradinę formą.
Spontaniško atsigavimo pobūdis priklauso nuo ankstesnio poveikio mechanizmo ir temperatūros sąlygų, kuriomis jis vyko. Didžiausią susidomėjimą kelia daugkartinis cikliškumas, kuris gali siekti kelis milijonus deformacijų.
Metalai ir lydiniai, turintys formos atminties efektą, turi dar vieną unikalią savybę – netiesinę fizinių ir mechaninių medžiagos charakteristikų priklausomybę nuo temperatūros.
Įvairūs
Aukščiau pateiktas procesas gali būti kelių formų:
- superplastiškumas (superelastingumas), kai metalo kristalinė struktūra gali atlaikyti deformacijas, kurios normalioje būsenoje žymiai viršija takumo ribą;
- viena ir grįžtama formos atmintis (pastaruoju atveju efektas pakartotinai atkuriamas terminio ciklo metu);
- priekinis ir atvirkštinis transformacijos lankstumas (įtempimo kaupimasis atitinkamai aušinant ir kaitinant, kai vyksta martensitinė transformacija);
- grįžtamoji atmintis: kaitinant pirmiausia atstatoma viena deformacija, o paskui, toliau didėjant temperatūrai, kita;
- orientuota transformacija (deformacijų kaupimasis pašalinus apkrovą);
- pseudoelastingumas – neelastingų deformacijų atstatymas iš tamprumo verčių 1-30% diapazone.
Grįžkite į pradinę metalų būseną su efektuformos atmintis gali būti tokia intensyvi, kad jos negali nuslopinti jėga, artima tempimo stipriui.
Medžiagos
Iš tokiomis savybėmis pasižyminčių lydinių labiausiai paplitęs yra titano-nikelis (49–57 % Ni ir 38–50 % Ti). Jie pasižymi geru našumu:
- didelis stiprumas ir atsparumas korozijai;
- reikšmingas atkūrimo veiksnys;
- didelė vidinio įtempio reikšmė grįžtant į pradinę būseną (iki 800 MPa);
- geras suderinamumas su biologinėmis struktūromis;
- efektyvi vibracijos sugertis.
Be titano nikelido (arba nitinolio), naudojami ir kiti lydiniai:
- dviejų komponentų – Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- trijų komponentų – Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si ir kiti.
Liravimo priedai gali labai pakeisti martensitinės transformacijos temperatūrą ir turėti įtakos redukcijos savybėms.
Pramoninis naudojimas
Formos atminties efekto taikymas leidžia išspręsti daugybę techninių problemų:
- sandarių vamzdžių mazgų, panašių į platinimo metodą, kūrimas (jungės su flanšinėmis jungtimis, savaime užsiveržiančios spaustukai ir movos);
- užspaudimo įrankių, griebtuvų, stūmiklių gamyba;
- dizainas"superspyruoklės" ir mechaninės energijos akumuliatoriai, žingsniniai varikliai;
- sujungimų kūrimas iš skirtingų medžiagų (metalų ir nemetalų) arba sunkiai pasiekiamose vietose, kai suvirinimas ar litavimas tampa neįmanomas;
- daugkartinio naudojimo galios elementų gamyba;
- korpuso sandarinimas mikroschemų, lizdų jų prijungimui;
- Temperatūros reguliatorių ir jutiklių gamyba įvairiuose įrenginiuose (gaisrinė signalizacija, saugikliai, šiluminių variklių vožtuvai ir kt.).
Tokių kosmoso pramonei skirtų prietaisų kūrimas (savaime išsiskleidžiančios antenos ir saulės baterijos, teleskopiniai įrenginiai, įrankiai montavimo darbams kosmose, rotacinių mechanizmų pavaros – vairai, langinės, liukai, manipuliatoriai) turi didelių perspektyvų. Jų pranašumas yra tai, kad nėra impulsinių apkrovų, trikdančių erdvinę padėtį erdvėje.
Formos atminties lydinių taikymas medicinoje
Medicininių medžiagų moksle šias savybes turintys metalai naudojami gaminant tokius technologinius įrenginius kaip:
- žingsniniai varikliai kaulams tempti, stuburui tiesinti;
- filtrai kraujo pakaitalams;
- lūžių fiksavimo prietaisai;
- ortopediniai prietaisai;
- spaustukai venoms ir arterijoms;
- siurblio dalys dirbtinei širdžiai arba inkstams;
- stentai ir endoprotezai, skirti implantuoti į kraujagysles;
- ortodontiniai laidai dantų koregavimui.
Trūkumai ir perspektyvos
Nepaisant didelio potencialo, formos atminties lydiniai turi trūkumų, kurie riboja jų platų naudojimą:
- brangūs chemijos komponentai;
- sudėtinga gamybos technologija, poreikis naudoti vakuuminę įrangą (kad nepatektų azoto ir deguonies priemaišų);
- fazės nestabilumas;
- mažas metalų apdirbamumas;
- sunkumai tiksliai modeliuojant konstrukcijų elgseną ir gaminant lydinius su norimomis charakteristikomis;
- lydinių senėjimas, nuovargis ir skilimas.
Perspektyvi šios technologijų srities plėtros kryptis yra dangų iš metalų, turinčių formos atminties efektą, kūrimas, taip pat tokių lydinių, kurių pagrindą sudaro geležis, gamyba. Sudėtinės konstrukcijos leis sujungti dviejų ar daugiau medžiagų savybes viename techniniame sprendime.
