Σύμφωνα με τη συμβατική σοφία, τα μέταλλα είναι τα πιο ανθεκτικά και ανθεκτικά υλικά. Ωστόσο, υπάρχουν κράματα που μπορούν να ανακτήσουν το σχήμα τους μετά από παραμόρφωση χωρίς την εφαρμογή εξωτερικού φορτίου. Χαρακτηρίζονται επίσης από άλλες μοναδικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες που τα διακρίνουν από τα δομικά υλικά.
Η ουσία του φαινομένου
Το αποτέλεσμα της μνήμης σχήματος των κραμάτων είναι ότι ένα προπαραμορφωμένο μέταλλο ανακάμπτει αυθόρμητα ως αποτέλεσμα της θέρμανσης ή απλώς μετά την εκφόρτωση. Αυτές οι ασυνήθιστες ιδιότητες παρατηρήθηκαν από τους επιστήμονες ήδη από τη δεκαετία του 1950. 20ος αιώνας Ακόμη και τότε, αυτό το φαινόμενο συνδέθηκε με μαρτενσιτικούς μετασχηματισμούς στο κρυσταλλικό πλέγμα, κατά τους οποίους υπάρχει μια διατεταγμένη κίνηση των ατόμων.
Ο μαρτενσίτης σε υλικά μνήμης σχήματος είναι θερμοελαστικός. Αυτή η δομή αποτελείται από κρυστάλλους με τη μορφή λεπτών πλακών, οι οποίοι τεντώνονται στα εξωτερικά στρώματα και συμπιέζονται στα εσωτερικά. Οι «φορείς» της παραμόρφωσης είναι τα μεσοφάση, τα δίδυμα και τα διακρυσταλλικά όρια. Μετά τη θέρμανση του παραμορφωμένουκράμα, εμφανίζονται εσωτερικές τάσεις, προσπαθώντας να επαναφέρουν το μέταλλο στο αρχικό του σχήμα.
Η φύση της αυθόρμητης αποκατάστασης εξαρτάται από τον μηχανισμό της προηγούμενης έκθεσης και τις συνθήκες θερμοκρασίας υπό τις οποίες προχώρησε. Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η πολλαπλή κυκλικότητα, η οποία μπορεί να ανέλθει σε αρκετά εκατομμύρια παραμορφώσεις.
Μέταλλα και κράματα με εφέ μνήμης σχήματος έχουν μια άλλη μοναδική ιδιότητα - μια μη γραμμική εξάρτηση των φυσικών και μηχανικών χαρακτηριστικών του υλικού από τη θερμοκρασία.
Ποικιλίες
Η παραπάνω διαδικασία μπορεί να λάβει διάφορες μορφές:
- υπερπλαστικότητα (υπερελαστικότητα), στην οποία η κρυσταλλική δομή του μετάλλου μπορεί να αντέξει παραμορφώσεις που υπερβαίνουν σημαντικά την αντοχή διαρροής στην κανονική κατάσταση;
- μονόμορφη και αναστρέψιμη μνήμη (στην τελευταία περίπτωση, το αποτέλεσμα αναπαράγεται επανειλημμένα κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου);
- ολκιμότητα εμπρός και ανάστροφου μετασχηματισμού (συσσώρευση καταπόνησης κατά την ψύξη και τη θέρμανση, αντίστοιχα, κατά τη διέλευση από μαρτενσιτικό μετασχηματισμό);
- αναστρέψιμη μνήμη: όταν θερμαίνεται, αποκαθίσταται πρώτα μια παραμόρφωση και μετά, με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, μια άλλη;
- προσανατολισμένος μετασχηματισμός (συσσώρευση παραμορφώσεων μετά την αφαίρεση του φορτίου);
- ψευδοελαστικότητα - ανάκτηση ανελαστικών παραμορφώσεων από τιμές ελαστικότητας στην περιοχή από 1-30%.
Επιστροφή στην αρχική κατάσταση για μέταλλα με το εφέΗ μνήμη σχήματος μπορεί να είναι τόσο έντονη που δεν μπορεί να κατασταλεί από μια δύναμη κοντά στην αντοχή εφελκυσμού.
Υλικά
Μεταξύ των κραμάτων με τέτοιες ιδιότητες, τα πιο κοινά είναι το τιτάνιο-νικέλιο (49–57% Ni και 38–50% Ti). Έχουν καλή απόδοση:
- υψηλή αντοχή και αντοχή στη διάβρωση;
- σημαντικός παράγοντας ανάκτησης;
- μεγάλη τιμή εσωτερικής πίεσης κατά την επιστροφή στην αρχική κατάσταση (έως 800 MPa);
- καλή συμβατότητα με βιολογικές δομές;
- αποτελεσματική απορρόφηση κραδασμών.
Εκτός από το νικελίδιο του τιτανίου (ή νιτινόλη), χρησιμοποιούνται επίσης και άλλα κράματα:
- δύο συστατικών - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- τριών συστατικών - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si και άλλοι.
Τα πρόσθετα κραμάτων μπορούν να μετατοπίσουν σημαντικά τη θερμοκρασία του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού, επηρεάζοντας τις ιδιότητες αναγωγής.
Βιομηχανική χρήση
Η εφαρμογή του εφέ μνήμης σχήματος επιτρέπει την επίλυση πολλών τεχνικών προβλημάτων:
- δημιουργία στεγανών συγκροτημάτων σωλήνων παρόμοιων με τη μέθοδο φουσκώματος (συνδέσεις με φλάντζα, κλιπ και συνδέσμους αυτοσφίξιμο);
- κατασκευή εργαλείων σύσφιξης, αρπάγες, ωθητές;
- σχεδιασμός"υπερελατήρια" και συσσωρευτές μηχανικής ενέργειας, βηματικοί κινητήρες,
- δημιουργία αρμών από ανόμοια υλικά (μέταλλο-μη μέταλλο) ή σε δυσπρόσιτα σημεία όταν η συγκόλληση ή η συγκόλληση καθίσταται αδύνατη.
- παραγωγή επαναχρησιμοποιήσιμων στοιχείων ισχύος;
- σφράγιση θήκης μικροκυκλωμάτων, υποδοχών για τη σύνδεσή τους;
- παραγωγή ελεγκτών θερμοκρασίας και αισθητήρων σε διάφορες συσκευές (συναγερμοί πυρκαγιάς, ασφάλειες, βαλβίδες θερμικής μηχανής και άλλες).
Η δημιουργία τέτοιων συσκευών για τη διαστημική βιομηχανία (αυτοαναπτυσσόμενες κεραίες και ηλιακά πάνελ, τηλεσκοπικές συσκευές, εργαλεία για εργασίες εγκατάστασης στο διάστημα, μηχανισμοί κίνησης για περιστροφικούς μηχανισμούς - πηδάλια, παντζούρια, καταπακτές, χειριστές) έχει μεγάλες προοπτικές. Το πλεονέκτημά τους είναι η απουσία παλμικών φορτίων που διαταράσσουν τη χωρική θέση στο χώρο.
Εφαρμογή κραμάτων μνήμης σχήματος στην ιατρική
Στην επιστήμη των ιατρικών υλικών, τα μέταλλα με αυτές τις ιδιότητες χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τεχνολογικών συσκευών όπως:
- βηματικοί κινητήρες για τέντωμα των οστών, ανόρθωση της σπονδυλικής στήλης;
- φίλτρα για υποκατάστατα αίματος;
- συσκευές για τη διόρθωση κατάγματος;
- ορθοπεδικές συσκευές;
- σφιγκτήρες για φλέβες και αρτηρίες;
- εξαρτήματα αντλίας για τεχνητή καρδιά ή νεφρό;
- stents και ενδοπροθέσεις για εμφύτευση σε αιμοφόρα αγγεία;
- ορθοδοντικά σύρματα για τη διόρθωση της οδοντοφυΐας.
Μειονεκτήματα και προοπτικές
Παρά τις μεγάλες δυνατότητές τους, τα κράματα μνήμης σχήματος έχουν μειονεκτήματα που περιορίζουν την ευρεία υιοθέτησή τους:
- ακριβά συστατικά χημείας;
- περίπλοκη τεχνολογία κατασκευής, η ανάγκη χρήσης εξοπλισμού κενού (για να αποφευχθεί η συμπερίληψη ακαθαρσιών αζώτου και οξυγόνου),
- αστάθεια φάσης;
- χαμηλή κατεργασιμότητα μετάλλων;
- δυσκολίες στην ακριβή μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των κατασκευών και στην κατασκευή κραμάτων με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά·
- γήρανση, κόπωση και αποικοδόμηση των κραμάτων.
Μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση στην ανάπτυξη αυτού του τομέα της τεχνολογίας είναι η δημιουργία επιστρώσεων από μέταλλα με αποτέλεσμα μνήμης σχήματος, καθώς και η κατασκευή τέτοιων κραμάτων με βάση το σίδηρο. Οι σύνθετες δομές θα επιτρέψουν το συνδυασμό των ιδιοτήτων δύο ή περισσότερων υλικών σε μία τεχνική λύση.
