Ifølge konventionel visdom er metaller de mest holdbare og modstandsdygtige materialer. Der er dog legeringer, der kan genvinde deres form efter deformation uden at påføre en ekstern belastning. De er også kendetegnet ved andre unikke fysiske og mekaniske egenskaber, der adskiller dem fra strukturelle materialer.
Fænomenets essens
Formhukommelseseffekten af legeringer er, at et fordeformeret metal spontant genoprettes som følge af opvarmning eller blot efter aflæsning. Disse usædvanlige egenskaber blev bemærket af videnskabsmænd allerede i 1950'erne. 20. århundrede Allerede dengang var dette fænomen forbundet med martensitiske transformationer i krystalgitteret, hvorunder der er en ordnet bevægelse af atomer.
Martensit i formhukommelsesmaterialer er termoelastisk. Denne struktur består af krystaller i form af tynde plader, som strækkes i de ydre lag, og komprimeres i de indre. "Bærerne" af deformation er interfase-, tvillinge- og interkrystallitgrænser. Efter opvarmning af deformelegering, indre spændinger opstår, forsøger at bringe metallet tilbage til dets oprindelige form.
Karten af spontan genopretning afhænger af mekanismen for den tidligere eksponering og de temperaturforhold, hvorunder den foregik. Af størst interesse er den multiple cyklicitet, som kan udgøre adskillige millioner deformationer.
Metaller og legeringer med en formhukommelseseffekt har en anden unik egenskab - en ikke-lineær afhængighed af materialets fysiske og mekaniske egenskaber af temperaturen.
varianter
Ovenstående proces kan antage flere former:
- superplasticitet (superelasticitet), hvor metallets krystalstruktur kan modstå deformationer, der væsentligt overstiger flydespændingen i norm altilstand;
- enkelt og reversibel formhukommelse (i sidstnævnte tilfælde gengives effekten gentagne gange under termisk cykling);
- fremadgående og omvendt transformationsduktilitet (akkumulering af belastning under henholdsvis afkøling og opvarmning, når den passerer gennem en martensitisk transformation);
- reversibel hukommelse: ved opvarmning genoprettes først én deformation, og derefter, med en yderligere temperaturstigning, en anden;
- orienteret transformation (akkumulering af deformationer efter fjernelse af lasten);
- pseudoelasticitet - genvinding af uelastiske deformationer fra elastiske værdier i området 1-30%.
Vend tilbage til den oprindelige tilstand for metaller med effektenformhukommelse kan være så intens, at den ikke kan undertrykkes af en kraft tæt på trækstyrken.
Materials
Blandt legeringerne med sådanne egenskaber er titanium-nikkel (49–57 % Ni og 38–50 % Ti) de mest almindelige. De har god ydeevne:
- høj styrke og korrosionsbestandighed;
- significant recovery factor;
- stor værdi af intern belastning ved tilbagevenden til den oprindelige tilstand (op til 800 MPa);
- god kompatibilitet med biologiske strukturer;
- effektiv vibrationsabsorbering.
Ud over titaniumnikkelid (eller nitinol) anvendes også andre legeringer:
- to-komponent - 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 og andre.
Legerende tilsætningsstoffer kan i høj grad ændre martensitisk transformationstemperatur, hvilket påvirker reduktionsegenskaberne.
Industriel brug
Anvendelse af formhukommelseseffekten gør det muligt at løse mange tekniske problemer:
- oprettelse af tætte rørsamlinger svarende til afbrændingsmetoden (flangeforbindelser, selvspændende clips og koblinger);
- fremstilling af spændeværktøj, gribere, skubbere;
- design"superfjedre" og akkumulatorer af mekanisk energi, stepmotorer;
- skabe samlinger af forskellige materialer (metal-ikke-metal) eller på svært tilgængelige steder, når svejsning eller lodning bliver umulig;
- produktion af genanvendelige strømelementer;
- husforsegling af mikrokredsløb, stikkontakter til deres tilslutning;
- produktion af temperaturregulatorer og sensorer i forskellige enheder (brandalarmer, sikringer, varmemotorventiler og andet).
Skabelsen af sådanne enheder til rumindustrien (selvudfoldende antenner og solpaneler, teleskopiske enheder, værktøjer til installationsarbejde i det ydre rum, drev til roterende mekanismer - ror, skodder, luger, manipulatorer) har store udsigter. Deres fordel er fraværet af impulsbelastninger, der forstyrrer den rumlige position i rummet.
Anvendelse af formhukommelseslegeringer i medicin
I medicinsk materialevidenskab bruges metaller med disse egenskaber til at fremstille teknologiske anordninger såsom:
- trinmotorer til at strække knogler, udrette rygsøjlen;
- filtre til bloderstatninger;
- enheder til fiksering af brud;
- ortopædiske apparater;
- klemmer til vener og arterier;
- pumpedele til kunstigt hjerte eller nyre;
- stents og endoproteser til implantation i blodkar;
- ortodontiske ledninger til korrektion af tandsæt.
Ulemper og udsigter
På trods af dets store potentiale har formhukommelseslegeringer ulemper, der begrænser deres udbredte anvendelse:
- dyre kemikomponenter;
- kompliceret fremstillingsteknologi, behovet for at bruge vakuumudstyr (for at undgå inklusion af nitrogen- og oxygenurenheder);
- fase ustabilitet;
- lav bearbejdelighed af metaller;
- vanskeligheder med nøjagtigt at modellere strukturers opførsel og fremstille legeringer med ønskede egenskaber;
- ældning, træthed og nedbrydning af legeringer.
En lovende retning i udviklingen af dette teknologiområde er skabelsen af belægninger fra metaller med en formhukommelseseffekt samt fremstillingen af sådanne legeringer baseret på jern. Sammensatte strukturer gør det muligt at kombinere egenskaberne af to eller flere materialer i én teknisk løsning.
