Enligt konventionell visdom är metaller de mest hållbara och motståndskraftiga materialen. Det finns dock legeringar som kan återställa sin form efter deformation utan att anbringa en extern belastning. De kännetecknas också av andra unika fysiska och mekaniska egenskaper som skiljer dem från konstruktionsmaterial.
Fenomenets väsen
Formminneseffekten av legeringar är att en fördeformerad metall spontant återhämtar sig som ett resultat av uppvärmning eller helt enkelt efter lossning. Dessa ovanliga egenskaper uppmärksammades av forskare redan på 1950-talet. 1900-talet Redan då var detta fenomen associerat med martensitiska transformationer i kristallgittret, under vilka det sker en ordnad rörelse av atomer.
Martensit i formminnesmaterial är termoelastiskt. Denna struktur består av kristaller i form av tunna plattor, som sträcks i de yttre lagren och komprimeras i de inre. Deformationens "bärare" är interfas-, tvilling- och interkristallitgränser. Efter uppvärmning deformeradelegering, inre spänningar uppstår och försöker återställa metallen till sin ursprungliga form.
Naturen av spontan återhämtning beror på mekanismen för den tidigare exponeringen och temperaturförhållandena under vilka den fortsatte. Av störst intresse är multipelcykliciteten, som kan uppgå till flera miljoner deformationer.
Metaller och legeringar med formminneseffekt har en annan unik egenskap - ett icke-linjärt beroende av materialets fysiska och mekaniska egenskaper på temperaturen.
Varieties
Ovanstående process kan ha flera former:
- superplasticitet (superelasticitet), där metallens kristallstruktur kan motstå deformationer som avsevärt överstiger sträckgränsen i norm alt tillstånd;
- enkelt och reversibelt formminne (i det senare fallet reproduceras effekten upprepade gånger under termisk cykling);
- framåt- och bakåttransformationsduktilitet (ackumulering av töjning under kylning respektive uppvärmning när den passerar genom en martensitisk transformation);
- reversibelt minne: vid uppvärmning återställs först en deformation och sedan, med ytterligare temperaturökning, en annan;
- orienterad transformation (ackumulering av deformationer efter avlägsnande av lasten);
- pseudoelasticitet - återvinning av oelastiska deformationer från elastiska värden i intervallet 1-30%.
Återgå till det ursprungliga tillståndet för metaller med effektenformminnet kan vara så intensivt att det inte kan undertryckas av en kraft nära draghållfastheten.
Materials
Bland legeringarna med sådana egenskaper är titan-nickel (49–57 % Ni och 38–50 % Ti) de vanligaste. De har bra prestanda:
- hög styrka och korrosionsbeständighet;
- signifikant återhämtningsfaktor;
- stort värde för intern spänning när man återgår till utgångsläget (upp till 800 MPa);
- bra kompatibilitet med biologiska strukturer;
- effektiv vibrationsdämpning.
Förutom titannickelid (eller nitinol) används även andra legeringar:
- tvåkomponent - 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 och andra.
Legeringstillsatser kan kraftigt förskjuta den martensitiska omvandlingstemperaturen, vilket påverkar reduktionsegenskaperna.
Industriell användning
Applicering av formminneseffekten gör det möjligt att lösa många tekniska problem:
- skapande av täta rörenheter som liknar utvidgningsmetoden (flänsanslutningar, självåtdragande klämmor och kopplingar);
- tillverkning av spännverktyg, gripdon, påskjutare;
- design"superfjädrar" och ackumulatorer av mekanisk energi, stegmotorer;
- skapa fogar av olika material (metall-icke-metall) eller på svåråtkomliga ställen när svetsning eller lödning blir omöjlig;
- produktion av återanvändbara kraftelement;
- hustätning av mikrokretsar, uttag för deras anslutning;
- produktion av temperaturregulatorer och sensorer i olika enheter (brandlarm, säkringar, värmemotorventiler och annat).
Skapandet av sådana anordningar för rymdindustrin (självutvecklande antenner och solpaneler, teleskopiska anordningar, verktyg för installationsarbete i yttre rymden, drivningar för roterande mekanismer - roder, fönsterluckor, luckor, manipulatorer) har stora möjligheter. Deras fördel är frånvaron av impulsbelastningar som stör den rumsliga positionen i rymden.
Applicering av formminneslegeringar i medicin
Inom medicinsk materialvetenskap används metaller med dessa egenskaper för att tillverka tekniska enheter som:
- stegmotorer för att sträcka ut ben, räta ut ryggraden;
- filter för blodersättning;
- enheter för att fixa frakturer;
- ortopediska apparater;
- klämmor för vener och artärer;
- pumpdelar för konstgjort hjärta eller njure;
- stentar och endoproteser för implantation i blodkärl;
- ortodontiska trådar för att korrigera tanden.
Nackdelar och framtidsutsikter
Trots sin stora potential har formminneslegeringar nackdelar som begränsar deras utbredda användning:
- dyra kemikomponenter;
- komplicerad tillverkningsteknik, behovet av att använda vakuumutrustning (för att undvika inkludering av kväve och syreföroreningar);
- fasinstabilitet;
- låg bearbetbarhet av metaller;
- svårigheter med att noggrant modellera beteendet hos strukturer och tillverka legeringar med önskade egenskaper;
- åldring, utmattning och nedbrytning av legeringar.
En lovande riktning i utvecklingen av detta teknikområde är skapandet av beläggningar från metaller med en formminneseffekt, såväl som tillverkningen av sådana legeringar baserade på järn. Kompositstrukturer gör det möjligt att kombinera egenskaperna hos två eller flera material i en teknisk lösning.
