Характеристики эффекта памяти формы

Материалы с памятью формы

 

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 ма­те­ри­а­лов, ме­тал­ли­че­ских спла­вов, ко­то­рые при на­гре­ве, после пред­ва­ри­тель­ной де­фор­ма­ции, де­мон­стри­ру­ют яв­ле­ние воз­вра­та к пер­во­на­чаль­ной форме.

Феномен

Чтобы по­нять эф­фект па­мя­ти формы, до­ста­точ­но один раз уви­деть его про­яв­ле­ние (см. рис 1). Что про­ис­хо­дит?

Есть металлическая проволока.

Эту проволоку изгибают.

Начинаем нагревать проволоку.

При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Суть явления

 

По­че­му так про­ис­хо­дит? (См. рис. 2)

В исходном состоянии в материале существует определенная структура. На рисунке она обозначена правильными квадратами.

При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры — мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.

При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.

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.

Характеристики эффекта памяти формы

Эф­фект па­мя­ти формы ха­рак­те­ри­зу­ет­ся двумя ве­ли­чи­на­ми.

Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом.

Температурами мартенситных превращений.

 

В про­цес­се про­яв­ле­ния эф­фек­та па­мя­ти формы участ­ву­ют мар­тен­сит­ные пре­вра­ще­ния двух видов — пря­мое и об­рат­ное. Со­от­вет­ствен­но, каж­дое из них про­яв­ля­ет­ся в своем тем­пе­ра­тур­ном ин­тер­ва­ле: М_Н и М_К — на­ча­ло и конец пря­мо­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния при охла­жде­нии, А_Н и А_К — на­ча­ло и конец об­рат­но­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния при на­гре­ве.

Тем­пе­ра­ту­ры мар­тен­сит­ных пре­вра­ще­ний яв­ля­ют­ся функ­ци­ей как марки спла­ва (си­сте­мы спла­ва), так и его хи­ми­че­ско­го со­ста­ва. Неболь­шие из­ме­не­ния хи­ми­че­ско­го со­ста­ва спла­ва (на­ме­рен­ные или как ре­зуль­тат брака) ведут к сдви­гу этих тем­пе­ра­тур

От­сю­да сле­ду­ет необ­хо­ди­мость стро­гой вы­держ­ки хи­ми­че­ско­го со­ста­ва спла­ва для од­но­знач­но­го функ­ци­о­наль­но­го про­яв­ле­ния эф­фек­та па­мя­ти формы, что пе­ре­во­дит ме­тал­лур­ги­че­ское про­из­вод­ство в сферу вы­со­ких тех­но­ло­гий.

Эф­фект па­мя­ти формы про­яв­ля­ет­ся несколь­ко мил­ли­о­нов цик­лов; его можно уси­ли­вать пред­ва­ри­тель­ны­ми тер­мо­об­ра­бот­ка­ми.

Воз­мож­ны ре­вер­сив­ные эф­фек­ты па­мя­ти формы, когда ма­те­ри­ал при одной тем­пе­ра­ту­ре «вспо­ми­на­ет» одну форму, а при дру­гой тем­пе­ра­ту­ре — дру­гую.

Чем выше тем­пе­ра­ту­ры об­рат­но­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния, тем в мень­шей сте­пе­ни вы­ра­жен эф­фект па­мя­ти формы. На­при­мер, сла­бый эф­фект па­мя­ти формы на­блю­да­ет­ся в спла­вах си­сте­мы Fe—Ni (5—20 % Ni), у ко­то­рых тем­пе­ра­ту­ры об­рат­но­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния 200—400 ˚C.

В ряду функ­ци­о­наль­ных свойств па­мя­ти формы важ­ное тео­ре­ти­че­ское и прак­ти­че­ское зна­че­ние при­над­ле­жит яв­ле­нию так на­зы­ва­е­мой де­фор­ма­ции ори­ен­ти­ро­ван­но­го пре­вра­ще­ния. Смысл этого на­след­ствен­но­го фе­но­ме­на за­клю­ча­ет­ся в сле­ду­ю­щем. Если охла­жда­е­мое под на­пря­же­ни­ем тело раз­гру­зить в об­ла­сти тем­пе­ра­тур ре­а­ли­за­ции пла­стич­но­сти пря­мо­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния и не пре­кра­тить по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры, да­ле­ко не все­гда про­дол­жа­ю­ще­е­ся охла­жде­ние не будет вы­зы­вать мак­ро­ско­пи­че­ско­го де­фор­ми­ро­ва­ния. На­о­бо­рот, чаще всего де­фор­ма­ция про­дол­жа­ет на­кап­ли­вать­ся, как если бы ма­те­ри­ал почти не раз­гру­жа­ли. В дру­гих слу­ча­ях имеет место ин­тен­сив­ный воз­врат при охла­жде­нии. Такие свой­ства, пер­вое из ко­то­рых при­ня­то на­зы­вать де­фор­ма­ци­ей ори­ен­ти­ро­ван­но­го пре­вра­ще­ния, вто­рое — ано­маль­ным воз­вра­том де­фор­ма­ции, свя­зы­ва­ют с под­рас­та­ни­ем воз­ник­ших под на­груз­кой кри­стал­лов мар­тен­си­та — в слу­чае де­фор­ма­ции ори­ен­ти­ро­ван­но­го пре­вра­ще­ния кри­стал­лов по­ло­жи­тель­ной ори­ен­та­ции, а в слу­чае ано­маль­но­го воз­вра­та — от­ри­ца­тель­ной ори­ен­та­ции. На­зван­ные яв­ле­ния могут быть ини­ци­и­ро­ва­ны, в част­но­сти, ори­ен­ти­ро­ван­ны­ми мик­ро­на­пря­же­ни­я­ми.

Сверхупругость

Дру­гим яв­ле­ни­ем, тесно свя­зан­ным с эф­фек­том па­мя­ти формы, яв­ля­ет­ся сверху­пру­гость — свой­ство ма­те­ри­а­ла, под­верг­ну­то­го на­гру­же­нию до на­пря­же­ния, зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ю­ще­го пре­дел те­ку­че­сти, пол­но­стью вос­ста­нав­ли­вать пер­во­на­чаль­ную форму после сня­тия нагрузки[1]. Сверху­пру­гость на­блю­да­ет­ся в об­ла­сти тем­пе­ра­тур между на­ча­лом пря­мо­го мар­тен­сит­но­го пре­вра­ще­ния и кон­цом об­рат­но­го.