1.1 Металлы с памятью форм и их физические свойства

Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы - эффект памяти формы (ЭПФ) - может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.

Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 - 1300 МПа.

Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях1.

Фото № 1. Материалы с ЭПФ 2.

ЭПФ можно проиллюстрировать на схеме № 1. Образец растягивают. При достижении напряжения образец деформируется пластически (участок АВ), и эту деформацию называют фазовой (e ф), так как она вызвана фазовыми превращениями «аустенит--мартенсит», или «мартенсит--мартенсит», или их комбинациями. В некоторых случаях фазовая пластическая деформация может протекать в несколько стадий, что определяется многостадийностью фазовых превращений (например, в Cu--Al--Ni).

После разгрузки (участок ВС) фазовая деформация (e ф) сохраняется в образце. При нагреве образца в результате протекания обратного мартенситного превращения в интервале температур (Ан--Ак) фазовая деформация восстанавливается (участок СД). Это и есть эффект памяти формы.3

1.2 История открытия эффекта памяти металла

Первое упоминание о необычном поведении материала относят к 1932 г., когда на Всемирной технической выставке в Брюсселе шведским исследователем А. Оландером был продемонстрирован стержень из сплава золота с кадмием, который под действием прикрепленного к концу груза изгибался при охлаждении, а при нагреве выпрямлялся и поднимал этот груз.

Фото № 2. А. Оландер4

В 1948 г. Г.В. Курдюмов и Л.Г. Хандрос опубликовали статью, в которой описали обратимое при нагреве и охлаждении превращение в сплавах Cu-Zn. Они назвали его термоупругим мартенситным превращением. Как выяснилось позже, такой механизм превращения характерен для материалов с памятью формы и определяет их необычное поведение.

Схема № 1. Переход мартенсит - аустенит.5

Настоящий интерес к МПФ возник после сообщения на одной из научных конференций в 1962 г. У. Бюгером и Ф. Вангом об открытом ими материале, проявляющем память формы. Эти ученые работали в военно-морской артиллерийской лаборатории (Naval Ordnance Laboratory, NOL6) и при изучении жаростойкости и жаропрочности сплавов системы Ti-Ni обратили внимание, что при эквиатомном составе (50 ат. % Ti + 50 ат. % Ni) материал в охлажденном состоянии способен накопить значительную деформации, а при последующем нагреве полностью ее восстановить, т.е. вернуться к первоначальной форме.7 С этого момента начались интенсивные исследования нитинола и поиски его применения.

Фото № 3. Нитиноловая сетка.

1.3 Использование металлов с памятью форм в науке и технике

Одним из первых примеров серийного производства и применения МПФ стали муфты для термомеханических соединений трубопроводов.

Американская фирма Raychem9 разработала и производит муфты, которые при температуре жидкого азота деформируют для увеличения внутреннего диаметра и вводят в них концы труб. После отогрева до нормальной температуры муфты стремятся вернуться к прежнему размеру и надежно соединяют концы труб. Такие соединения применялись на палубном истребителе-перехватчике F-14 Tomcat. На каждом из таких самолетов (а их было более тысячи) стояло около 800 муфт, и за 30 лет эксплуатации не было зафиксировано ни одного случая разрушения соединения.

Уникальное сочетание физико-механических свойств позволило использовать сплавы с памятью формы практически во всех областях , где могут использоваться металлические материалы,в том числе, в медицине, космосе, добывающей промышленности, производстве всевозможных температурных датчиков и приводов, робототехнике при создании тепломеханических устройств и отработке уникальных технологий и т.п.10

Медицина:

- Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию.

- Зажимы для защемления слабых вен.

- Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током.

Фото № 4. Искусственные мышцы с памятью формы.11

- Искусственное удлинительное приспособление для так называемых растущих протезов у детей.

- Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости).

- Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе.

- Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика.

- Ортопедические имплантаты.

- Проволока для исправления зубного ряда.

- Нити для наложения хирургических швов.

- Пористые конструкции из нитинола для замещений дефектов костей и лечения инфицированных ран.

Техника:

Тепловые датчики и сигнализация:

- Пожарная сигнализация, противопожарные заслонки.

- Сетевой предохранитель (защита электрических цепей).

- Бойлерные баки тепловой регенерации.

- Электронный контактор.

- Герметизация корпусов микросхем.

- Электронная кухонная плита конвекционного типа. Используется датчик из никелида титана для переключения вентиляции при микроволновом нагреве и нагреве циркуляционным горячим воздухом.

- Изготовление разнообразного зажимного инструмента.

Фото № 5. Термометр на основе металла с памятью формы.12

Космические технологии:

- Антенны спутников Земли.

- Соединительные муфты, образующие вакуум-плотные соединения, для работы в открытом космосе. Соединительные муфты используются также в авиационной и автомобильной технике.

Рисунок № 1. Соединительная муфта используемая в авиационной и автомобильной технике.13

Робототехника:

 Создание роботов с плечевой опорой, локтевым шарниром, запястьем и захватом, имеющих, пять степеней свободы. Сгибание запястья, сжимание и разжимание захвата обеспечиваются спиралями из сплава Ti - Ni, а действие шарнира и плечевой опоры - удлинением или сокращением проволоки из того же сплава.

Фото № 6. Робот с пятью степенями свободы.14

Добывающая промышленность.

.Изготовление полностью автоматизированной интеллектуальной скважинной системы. На существующих производственных мощностях осваивается выпуск высокотехнологичных и высокопроизводительных внутрискважинных устройств на основе конструкций из нитиноловых наноструктурных устройств и пленок, надежных в экстремальных условиях перепадов давлений и температур, компактных, простых в изготовлении и эксплуатации. Использование данных интеллектуальных скважин сделает рентабельным освоение новых труднодоступных месторождений со сложной геологией, возрождение нефтедобычи на законсервированных скважинах.

Свойство сверхупругости сплавов с памятью формы используется для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии, для создания сверхупругих сферических сегментов, срабатывающих при заданных температурах, антеннах для приемопередающей аппаратуры.

Удивительный, высокотехнологичный, простой в изготовлении и использовании материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Диапазон применения этих материалов увеличивается изо дня в день и сулит еще много интересного и важного. И можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.

Глава 2. Исследование некоторых свойств металлов с памятью форм

2.1 Описание экспериментальной установки

Для выявления зависимости свойств металла с памятью форм путем измерения показаний температуры нагревания металла и времени, за которое металл принимает исходную форму, была сделана установка.

Нагрев происходит с помощью электрической плитки. Данные температуры измеряются с помощью датчика температуры, время замиряется секундомером.

Таблица 1. Зависимость времени восстановления формы от температуры нагревания металла

График 1. Зависимость времени восстановления формы от температуры нагревания металла

Рисунок 1. Измерение температуры плитки.

Рисунок 2. Датчик температуры

2.2 Результаты исследования

Вывод: Скорость, с которой металл принимает исходную форму зависит от температуры нагревания. Чем выше температура, тем быстрее металл достигнет исходной формы. Следовательно, можно регулировать скорость и время, изменяя температуру. И зная температуру рассчитать время, необходимое на возвращение в исходную форму.

Список источников информации

1. Вегера Ж.Г. Эффекты структурной организации коллоидных частиц и микрочастиц дисперсного немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при её взаимодействии с электрическими и магнитными полями. Дис. канд. физ.-мат. наук. - Ставрополь, 2004.

2. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. - Киев.: Наука, 2015.

3. Лопатин Б.А. «Теоретические основы электрохимических методов анализа» М.: Высшая школа, 1975г, 296 с.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 3 - Электричество и магнетизм. Москва, 2016.

5. Ветхий Завет. Казни египетские. Жезл Моисея и жезл гнева Божия (Кн. Исход, гл. 4-11)

6. Лихачев В.А. и др. Эффект памяти формы. Л., Издательство ЛГУ.1987. 216 с.

7. Тихонов А.С. и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М., Машиностроение. 1981. 81 с.

8. Хачин В.Н. Память формы. М., Знание.1984. 62 с.

9. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М., Металлургия. 1990. 224 с.

10. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика». 2007. 412 с.

11. Сплавы с памятью формы в медицине. / В.Э. Гюнтер, В.В. Котенко, М.З. Миргазизов, В.К. Поленичкин, И.А. Витюгов, В.И. Итин, Р.В. Зиганьшин, Ф.Т. Темерханов. Томск: Изд-во Томского университета. 1986. 208 с.

12. Сверхэлластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине. Справочно-библиографические издание./ С.А Муслов, В.А. Андреев, А.Б. Бондарев, П.Ю. Сухочев. М., Издательский дом «Фолиум». 2010. 456 с.

13. Вебсайт ООО «НиТиМет Компани». [Электронный ресурс] NiTiMET COMPANY. URL: http://www.niti-met.ru/index.php (дата обращения: 12.11.2018).

14.Сплавы с памятью формы [Электронный ресурс]// Векипедия. 2013. URL: http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения: 12.02.2013). 

15. Журнал «Наука и жизнь» №11.-2002 - http://www.nkj.ru/archive/articles/4971/

16. Bashtovoi V.G., Kabachnikov D.N., Kolobov A.Y., Samoylov V.B., Vikoulenkov A.V. Research of the dynamics of a magnetic fluid dynamic absorber // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002. V.252 - P.312-314.

17.http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/smerchi_i_tornado.html (Энциклопедия кругосвет)

18. http://uroki-v-licee.blogspot.ru/2012/11/blog-post_20.html (Мир физики)

19. http://awesomeworld.ru

20. http://www.vigivanie.com/vigivanie-pri-tornado.html

21.http://technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/izobreteniya_i_innovatsii/innovatsionnyie_tornado-tehnologii (Техника молодёжи)

15. http://geolike.ru/page/gl_4325.htm

16.http://sci-nature.ru/tornado-smertelnaya-opasnost-dlya-vsego-chelovechestva/ (Наука и техника. Природа и экология).

17. http://www.kscnet.ru/ivs/publication/whirlwinds/ivanich.htm

18. http://www.grandars.ru/shkola/bezopasnost-zhiznedeyatelnosti/uragany-i-buri.html

19. http://libraryno.ru/5-3-uragany-buri-i-smerchi-bjd/

20.https://www.youtube.com/watch?v=PEFtDJltgU4&t=1346s.

21.http://www.wikipedia.org/wiki/Стелс-технология.

Размещено на Allbest.ru