Современные конструкционные материалы Лекция 4. Материалы с памятью формы Введение • • Большинство людей привыкли видеть металлы как наиболее прочные материалы, способные выдерживать большие нагрузки без изменения формы. Также для многих людей свойственно мнение, что однажды деформированный металл уже не вернет себе прежнюю форму. Однако существует ряд металлических материалов, способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации. Эффект памяти формы (ЭПФ) — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации. Проявление ЭПФ • Чтобы понять эффект памяти формы (ЭПФ), 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. ЭПФ • Чтобы понять почему происходит эффект памяти формы (ЭПФ) необходимо изучить механизм реализации эффекта памяти формы и иметь представление о структуре и о том как она изменяется. Механизм реализации эффекта памяти формы 1. 2. 3. 4. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами). При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В мате‐ риалах с памятью формы мартенсит является термоупругим. При нагреве начинает проявляться термоупру‐ гость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние. Поскольку внешние вытянутые пластины сжима‐ ются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исход‐ ную структуру, а вместе с ней и форму. Мартенситное превращение • • Мартенситное превращение (МП) ‐ полиморфное превраще‐ ние, при котором изменение взаимного расположения состав‐ ляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних ато‐ мов малы по сравнению с межатомным расстоянием. В процессе проявления ЭПФ участвуют прямые и обратные мартенситные превращения (МП). Под прямым МП понимают превращение из высокотемпературной гранецентрированной кубической (ГЦК) фазы (аустенит) в низкотемпературную объемно‐центрированную кубическую (ОЦК) фазу (α‐ мартенсит). Обратное – из ОЦК фазы превращение в ГЦК. Свойства ЭПФ 1. 2. 3. 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. Эффект памяти формы может проявляться несколько миллионов циклов. Явления, связанные с ЭПФ • Cверхпластичность — состояние материала, имеющего кристалличес‐ кую структуру, которое допускает де‐ формации, на порядок превышаю‐ щие максимально возможные для этого материала в обычном состоя‐ нии. Сверхпластичность Явления связанные с ЭПФ • Сверхупругость — свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного. • На участке АВ пластическая деформация обусловлена протеканием реакции «аустенит мартенсит», инициируемой механическим нагружением. Наведенный в данных условиях мартенсит термодинамически неустойчив и при снятии нагрузки превращается в аустенит, что сопровождается исчезновением Сверхупругое механичес‐ пластической деформации (участок ВС). кое поведение на основе • Значение сверхупругой деформации может сплава Ti‐Ni составлять для разных сплавов от 2 до 8 %, что позволяет изготавливать из сплавов с ЭПФ упругие элементы с существенно более высокими деформационными способностями (например, суперпружины). Никелид титана • Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана. • 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 типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение. • Также обнаружено множество сплавов, обладающих в разной степени свойст‐ вами “ памяти формы ”: Ni – Al, Ni – Co, Ni – Ti; Ti – Nb; Fe – Ni; Cu – Al, Cu – Al – Ni и др. • При современном уровне промышлен‐ ного производства изделия из никелида титана нашли широкое практическое Имплантанты из TiNi применение и рыночный сбыт. Свойства никелида титана Никелид титана обладает: 1.Превосходной коррозионной стойкостью; 2.Высокой прочностью; 3.Хорошими характеристиками формозапоминания; 4.Хорошая совместимость с живыми организмами; 5.Высокая демпфирующая (поглощение шума и вибрации) способность материала. Недостатки: 1.Из‐за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Для предотвращения этого необходимо использовать вакуумное оборудова‐ ние; 2.Затруднена обработка при изготов‐ лении деталей, особенно резанием из‐ Проволока из сплава TiNi за высокой прочности; 3.Высокая цена. В конце XX века он стоил чуть дешевле серебра. Обратимая память формы • У многих материалов в процессе термоциклирования в ненагружен‐ ном состоянии через интервалы прямого и обратного мартенситных превращений при охлаждении де‐ формация накапливается (1), а при нагреве (2) восстанавливается. Обратимая деформация • Это свойство называют обратимой (двусторонней) памятью формы (ОПФ), которое имеет способность не исчезать практи‐ чески после любого числа теплосмен. Данный эффект может быть получен только за счет деформационного воздействия на металл. • Эффект обратимой памяти формы резко расширяет возмож‐ ности применения сплавов с ЭПФ в приборах и конструкциях многократного циклического действия. Область применения • 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. Соединительная втулка F‐14 Втулка для соединения труб гидравличес‐ кой системы военных самолетов изготав‐ ливаются из сплава никелида титана. Её функциональными элементами являются внутренние выступы. В истребителе более 300 тысяч таких соединений. Также нике‐ лид титана применяется для изготовления гидравлических машин, винтов судов, водяных турбин. Область применения • 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. • Также материалы с эффектом памяти формы применяется в отделениях челюстно‐лицевой хирургии. Конструкции из никелида титана с эффектом памяти формы применяемые в челюстно‐лицевой хирургии Область применения • Эндопротез — внутреннее устройство, замещающее функцию органа. Эндопротез сустава — это соответственно внутреннее устройство, замещающее функцию сустава. • Восстановление проходимости кровеносного сосуда с помощью спирального эндопротеза с памятью формы. Эндопротез в компактном виде вводится через пункционное отверстие в сосуд и по его руслу доставляется в место сужения сосуда. Здесь протез отсоединяется от доставляющего устройства, разворачивается под действием тепла тела до требуемого диаметра и армирует стенки сосуда, восстанавливая кровоток по артерии. Спиральный эндопротез Область применения Эндопротезы из пористого никелида титана • Применение сверхэластичных эндопротезов из пористого никелида титана представляет конкурентное направление в реконструктивной челюстно‐лицевой хирургии. Соответсвие гистерезисного поведения утраченных тканей и эндопротеза, а также пористая структура ЭП обеспечивает оптимальное врастание окружающих тканей, что позволяет полноценно восстановить утраченные функции нижней челюсти и эстетику лица в целом. Область применения Освоение ближнего и дальнего космоса связано с созданием орбитальных станций и крупным космическим строительством. Необходимо сооружение таких громоздких объектов, как солнечные батареи и космические антенны. • Антенны состоят из листа и стержня из сплава Ti – Ni, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусственном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью спе‐ циального нагревателя или тепла сол‐ нечного излучения, в результате чего она выходит в космическое пространст‐ во. • Схема космического аппарата с самотранс‐ формирующимися элементами: 1 – антенна; 2 – мех. стабилизатор; 3 – излучатель энергии; 4 – солнечная батарея