Efect de memorie a formei

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 20 iunie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Efectul de memorie a formei  este un fenomen de revenire la forma sa inițială atunci când este încălzit , care se observă la unele materiale după deformarea preliminară.

Introducere

Una dintre percepțiile de bază ale oamenilor asupra fenomenelor lumii exterioare  este durabilitatea și fiabilitatea produselor și structurilor metalice care își păstrează stabil forma funcțională pentru o lungă perioadă de timp , cu excepția cazului în care, desigur, sunt supuse unor influențe supercritice.

Cu toate acestea, există o serie de materiale , aliaje metalice , care, atunci când sunt încălzite după o deformare preliminară , prezintă fenomenul de revenire la forma lor inițială.

Fenomen

Pentru a înțelege efectul memoriei formei, este suficient să-i vedeți manifestarea o dată (vezi Fig. 1). Ce se întâmplă?

  1. Există un fir metalic .
  2. Acest fir este îndoit.
  3. Începem să încălzim firul.
  4. Când este încălzit, firul se îndreaptă, redându-și forma inițială.

Esența fenomenului

De ce se întâmplă asta? (Vezi fig. 2)

  1. În starea inițială, materialul are o anumită structură. În figură, este indicat prin pătrate regulate .
  2. În timpul deformării (în acest caz, îndoire ), straturile exterioare ale materialului sunt întinse, iar cele interioare sunt comprimate (cele din mijloc rămân neschimbate). Aceste structuri alungite sunt foi martensitice , ceea ce nu este neobișnuit pentru aliajele metalice. În mod neobișnuit, în materialele cu memorie de formă, martensita este termoelastică.
  3. La încălzire, începe să apară termoelasticitatea plăcilor de martensită, adică în ele apar tensiuni interne , care tind să readucă structura la starea inițială, adică să comprime plăcile alungite și să le întindă pe cele aplatizate.
  4. Deoarece plăcile exterioare alungite sunt comprimate, iar cele interioare aplatizate sunt întinse, materialul în ansamblu suferă o autodeformare în direcția opusă și își restabilește structura inițială și, odată cu aceasta, forma.

Caracteristicile efectului de memorie a formei

Efectul memoriei formei este caracterizat de două mărimi.

  1. O marcă de aliaj cu o compoziție chimică strict consistentă.
  2. Temperaturile transformărilor martensitice .

În procesul de manifestare a efectului de memorie a formei, sunt implicate transformări martensitice de două tipuri - directe și inverse. În consecință, fiecare dintre ele se manifestă în propriul interval de temperatură: M H și M K  - începutul și sfârșitul transformării martensitice directe la răcire, A H și A K  - începutul și sfârșitul transformării inverse a martensitei la încălzire.

Temperaturile de transformare martensitică sunt o funcție atât de calitatea aliajului (sistemul de aliaje), cât și de compoziția chimică a acestuia . Micile modificări ale compoziției chimice a aliajului (intenționate sau ca urmare a căsătoriei ) duc la o schimbare a acestor temperaturi (vezi Fig. 4).

Aceasta implică necesitatea respectării stricte a compoziției chimice a aliajului pentru o manifestare funcțională fără ambiguitate a efectului de memorie a formei, care traduce producția metalurgică în sfera tehnologiilor înalte .

Efectul memoriei formei se manifestă în câteva milioane de cicluri ; poate fi întărită prin tratamente termice preliminare .

Efectele reversibile de memorie a formei sunt posibile, atunci când un material la o temperatură „își amintește” de o formă, iar la o altă temperatură - o alta.

Cu cât temperatura transformării martensitice inverse este mai mare, cu atât efectul memoriei formei este mai puțin pronunțat. De exemplu, se observă un efect slab de memorie a formei în aliajele sistemului Fe–Ni (5–20% Ni), în care temperaturile transformării martensitice inverse sunt de 200–400 ˚C.

Dintre proprietățile funcționale ale memoriei formei, fenomenul așa-numitei deformații prin transformare orientată are o mare importanță teoretică și practică. Sensul acestui fenomen ereditar este următorul. Dacă un corp răcit sub stres este descărcat în regiunea temperaturilor unde se realizează plasticitatea transformării martensitice directe și scăderea temperaturii nu este oprită, răcirea continuă nu va provoca întotdeauna deformare macroscopică. Dimpotrivă, cel mai adesea deformarea continuă să se acumuleze, de parcă materialul s-ar fi descărcat cu greu. În alte cazuri, există o revenire intensă a răcirii. Astfel de proprietăți, dintre care prima este denumită în mod obișnuit deformare prin transformare orientată, a doua - revenirea anormală a deformării, sunt asociate cu creșterea cristalelor de martensită formate sub sarcină - în cazul deformării transformării orientate, cristale cu orientare pozitivă și în cazul revenirii anormale – orientare negativă. Aceste fenomene pot fi inițiate, în special, de microstresuri orientate.

Superelasticitate

Un alt fenomen strâns legat de efectul de memorie a formei este supraelasticitatea - proprietatea unui material supus încărcării la o solicitare care depășește semnificativ limita de curgere , de a-și restabili complet forma inițială după ce sarcina este îndepărtată [1] . Superelasticitatea se observă în intervalul de temperatură cuprins între începutul transformării martensitice directe și sfârșitul celei inverse.

Materiale cu memorie de formă

Nicheliură de titan

Liderul dintre materialele cu memorie de formă în ceea ce privește aplicarea și studiul este nichelida de titan ( nitinol ), un compus intermetalic de compoziție echiatomică cu 55% Ni (în masă). Punct de topire - 1240-1310 ˚C, densitate - 6,45 g / cm³. Structura inițială a nichelidei de titan, o rețea cubică stabilă centrată pe corp de tip CsCl, suferă o transformare martensitică termoelastică în timpul deformării cu formarea unei faze cu simetrie scăzută .

Un element din nicheliură de titan poate îndeplini atât funcțiile unui senzor , cât și ale unui actuator .

Nichelida de titan are următoarele proprietăți:

Dezavantajele materialului includ fabricabilitatea slabă și prețul ridicat:

La nivelul actual de producție industrială , produsele din nicheliură de titan (împreună cu aliajele sistemului Cu-Zn-Al) au găsit aplicații practice și vânzări pe piață.

Alte aliaje

La sfârșitul secolului al XX-lea, efectul memoriei formei a fost găsit în peste 20 de aliaje. Pe lângă nichelida de titan, efectul memoriei formei se găsește în următoarele sisteme:

Unii cercetători[ cine? ] cred că efectul memoriei formei este posibil în mod fundamental pentru orice materiale care suferă transformări martensitice, inclusiv metale pure precum titanul , zirconiul și cobaltul .

Producția de nicheliură de titan

Topirea se realizează într-un craniu cu vid sau un cuptor cu arc electric cu un electrod consumabil într-o atmosferă protectoare ( heliu sau argon ). Încărcarea în ambele cazuri este iodură de titan sau burete de titan , presat în brichete , și nichel de calitate H-0 sau H-1. Pentru a obține o compoziție chimică uniformă pe secțiunea transversală și înălțimea lingoului , se recomandă dubla sau triplă retopire. La topirea într-un cuptor cu arc , se recomandă un curent de 1,2 kA, o tensiune de 40 V și o presiune de heliu de 53 MPa. Modul optim de răcire pentru lingouri pentru a preveni fisurarea este răcirea cu un cuptor (nu mai mult de 10 ˚C/s). Îndepărtarea defectelor de suprafață - peeling cu o roată de smirghel. Pentru o aliniere mai completă a compoziției chimice pe tot volumul lingoului, omogenizarea se efectuează la o temperatură de 950–1000 ˚C într-o atmosferă inertă.

Aplicarea materialelor cu efect de memorie a formei

Cuplaje din nichel titan

Bucșa a fost dezvoltată și introdusă pentru prima dată de Raychem Corporation (SUA) pentru a conecta conductele sistemului hidraulic al aeronavelor militare . Există mai mult de 300.000 de astfel de conexiuni în luptător , dar nu au existat niciodată rapoarte despre defecțiunile lor. . Aspectul manșonului de legătură este prezentat în fig. 5. Elementele sale funcționale sunt proeminențe interne.

Utilizarea unor astfel de bucșe este după cum urmează (vezi Fig. 6):

  1. Manșonul în starea inițială la o temperatură de 20 ˚C.
  2. Bucșa este plasată într-un criostat , unde, la o temperatură de -196 ˚C, proeminențele interne sunt evazate cu un piston .
  3. Maneca rece devine netedă din interior.
  4. Manșonul se scoate din criostat cu un clește special și se pune la capetele țevilor care urmează a fi conectate .
  5. Temperatura camerei este temperatura de încălzire pentru o anumită compoziție a aliajului, atunci când este încălzită, la care totul se întâmplă automat: proeminențele interioare își redau forma inițială, se îndreaptă și se decupează în suprafața exterioară a țevilor conectate.

Se dovedește o conexiune puternică, etanșă la vid, care poate rezista la presiuni de până la 800 atm. De fapt, acest tip de conexiune înlocuiește sudarea . Și previne astfel de deficiențe ale sudurii , cum ar fi înmuierea inevitabilă a metalului și acumularea de defecte în zona de tranziție dintre metal și sudură.

În plus, această metodă de conectare este bună pentru îmbinarea finală la asamblarea unei structuri, când sudarea devine dificil de accesat din cauza împleterii nodurilor și conductelor. Aceste bucșe sunt utilizate în aplicații aviatice, spațiale și auto . Această metodă este, de asemenea, utilizată pentru îmbinarea și repararea conductelor de cablu submarin.

În medicină

Alarma termică

Alte utilizări

Vezi și

Note

  1. ↑ Boyko, 1991 , p. 160.

Literatură

Link -uri