Лекція №9

Сплави з пам'яттю форми: хімічний склад, сутність ефекту та галузі застосування

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, казалось бы, вопреки здравому смыслу, существует ряд материалов, металлических сплавов, которые при нагреве, после предварительной деформации, демонстрируют явление возврата к первоначальной форме. То есть эти металлы, не являясь живыми существами, обладают особым свойством, позволяющим им проявлять своеобразную память.

Сплавы с эффектом памяти формы - это новый класс материалов, способных в процессе нагрева возвращать большие предварительно заданные деформации. Такое поведение и получило название эффекта памяти формы, а сами сплавы были отнесены к классу функциональных. Название феномена подчеркивает особенность деформирования, когда тело изменяет свою форму не под действием механической силы, а в результате изменения температуры, преобразуя таким образом тепловую энергию в механическую. В материалах с эффектом памяти формы механизмом деформации служит обратимое термоупру­roe мартенситное превращение, заключающееся в том, что в процессе охлаждения материал из одного состояния, называемого аустенитом, переходит в другое - мартенсит (прямое превращение). При нагреве происходит обратное превращение. Переход характеризуется перестройкой кристаллической решетки, сопровождающийся ее деформацией. Обратимость превращения обеспечивает об­ратимость деформации, достигающей 8 - 10%. Свойствами памяти формы обладают сплавы Ti-Ni, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al, Au-Cd и др.. Температуры мартенситных превращений сильно зависят от химического состава сплавов, их термической и механической обработки и могут находиться как в районе комнатной, так и температуры жидкого азота или достигать 150°C и выше. Сплавы с эффектом памяти формы обладают не только этим одним функциональным свойством, но и другими, также связанными с обратимыми мартенситными превращениями, среди которых следует назвать, сверхупругость, сверхпластичность, способность генерировать напряжения, обратимая память формы.

Феномен

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

Есть металлическая проволока.

1. Эту проволоку изгибают.

2. Начинаем нагревать проволоку.

3. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Почему так происходит? (См. рис. 2)

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

2. 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.

3. 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.

4. 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.

1. Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом. (См. далее «Материалы с памятью формы»)

2. 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 деформации, 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.

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.

Сверхупругое поведение на порядок выше упругого.

Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.