Dom › Novac › S bilo kojim efektom pamćenja oblika. Efekt pamćenja oblika

S bilo kojim efektom pamćenja oblika. Efekt pamćenja oblika

Učinak je sposobnost neopterećenog materijala, pod utjecajem vanjskog naprezanja i promjena temperature, da akumulira deformacije (10-15%), reverzibilne bilo nakon zagrijavanja ili tijekom procesa uklanjanja vanjskog naprezanja (superelastičnost). Deformacija se može akumulirati pod aktivnim opterećenjem, kao i kada se temperatura legure mijenja pod utjecajem jednoosnog ili posmičnog naprezanja. Tipičan radni ciklus za takav materijal prikazan je na slici 1. Deformacije u fazi b–c (slika 1) akumuliraju se zbog preusmjeravanja kristala martenzita (učinak martenzitne neelastičnosti) i ostaju nakon uklanjanja opterećenja. Efekt pamćenja oblika očituje se u fazama c–d (slika 1), gdje materijal samostalno obnavlja svoj oblik i može razviti značajne sile.

Slika 1 – Shema deformacije štapa s efektom pamćenja oblika (a–d) i ovisnost volumnog udjela martenzita q o temperaturi T (e).

Legure za pamćenje oblika, osim titanijevog niklida, uključuju AuCd, Cu–Al–Zn, AgCd itd. Efekt pamćenja oblika temelji se na martenzitnim transformacijama, koje karakterizira slaba ovisnost temperatura početka i kraja transformacija na brzinu promjene temperature, najčešće reverzibilna priroda transformacije, primjetan nesklad (histereza) između temperatura prednje i obrnute reakcije i drugi znakovi. Visokotemperaturna modifikacija obično se naziva austenit, a niskotemperaturna modifikacija martenzit (slika 1). Temperature martenzitnih transformacija jako ovise o kemijskom sastavu legura, njihovoj toplinskoj i mehaničkoj obradi. Na primjer, karakteristične temperature titanijevog niklida leže u rasponu od 30–80°C, rijetko prelazeći taj raspon, ali legiranje sa željezom smanjuje ih za otprilike 150–200°C, odnosno na –170…–70°C .

Kinetika martenzitnih transformacija ima izraženu histerezu (slika 1e). Ako se materijal ohladi iz austenitnog stanja, u početku ne dolazi do faznih transformacija. Međutim, počevši od određene karakteristične temperature, koja se obično označava s Ms, pojavljuju se prvi kristali martenzita, dakle, udio martenzitne faze u volumenu materijala raste. Daljnjim hlađenjem povećava se njihova veličina i broj dok kristali ne ispune cijeli volumen na temperaturi Mf. Takva se transformacija naziva izravnom i, u prisutnosti vanjskog opterećenja, popraćena je pojavom velike deformacije (učinak plastičnosti transformacije). Naknadnim zagrijavanjem, počevši od temperature A s, martenzit počinje prelaziti u austenit. U tom slučaju akumulirana deformacija počinje polako nestajati sve dok temperatura ne poraste iznad A f i oblik se ne vrati.

Takve se legure koriste kao biomedicinski implantati: stentovi, ortodontske žice, filteri, fiksatori, osteosintetske bravice, ploče itd. .

Kod uporabe legura s MSP u medicini potrebno je osigurati ne samo pouzdanost mehaničkih funkcija, već i kemijsku pouzdanost (otpornost na propadanje u biološkoj okolini, otpornost na raspadanje, otapanje, koroziju), biološku pouzdanost (biološku kompatibilnost, nedostatak toksičnosti, kancerogenosti, otpornosti na stvaranje krvnih ugrušaka i antigena). Jednostavni metalni elementi imaju jako toksično djelovanje, ali u kombinaciji s drugim elementima javlja se učinak međusobnog slabljenja toksičnosti. Međutim, važnija od stvaranja iona je topljivost pasivizirajućih filmova koji se pojavljuju na površini metala. Na primjer, legure krom-nikal, legure kobalt-krom, čisti Ti, legura Ti–6Al–4V [% (at.)] koje se koriste kao biološki materijali sadrže elemente koji imaju snažan toksični učinak u obliku jednostavnih elemenata, ali pasivizacija filmovi nastali u kontaktu s biološkim organizmima prilično su stabilni.

Svaki metal i legura ima svoju kristalnu rešetku, arhitekturu i dimenzije.
koji su strogo određeni. Za mnoge metale, s promjenama temperature i tlaka, rešetka ne
ostaje isti i dolazi trenutak kada dolazi do njegovog restrukturiranja. Takva promjena
vrsta kristalne rešetke – polimorfna transformacija – mogu se provesti pomoću dva
načini:
1) na visokim temperaturama zbog difuzije s velikom pokretljivošću atoma;
2) na niskoj temperaturi zbog zajedničkog, koordiniranog kretanja atoma, koji
dovodi do promjene oblika volumena legure (bezdifuzijski smični termoelastični mar-
tenzitna transformacija uz nastanak nove kristalne rešetke – martenzita).
Na visokim temperaturama u austenitnom stanju legura ima kubičnu rešetku.
Nakon hlađenja, legura prelazi u martenzitnu fazu, u kojoj postaju ćelije rešetke
s kosim paralelopipedima. Zagrijavanjem se obnavlja austenitna faza, a s njom
Također je vraćen izvorni oblik proizvoda od legure s "pamćenjem" oblika.
Martenzitna transformacija jedna je od temeljnih metoda restrukturiranja kristala
rešetka u odsutnosti difuzije, karakteristična za čelike, čiste metale, obojene metale
legure, poluvodiči, polimeri.
Učinak “Memory” - vraćanje izvornog oblika i veličine kristala nakon
njihove promjene tijekom deformacije kao rezultat termoelastične martenzitne transformacije
tijekom toplinske obrade prema određenom režimu.
Promjena oblika glavna je značajka martenzitne transformacije, koja je povezana s efektom
učinak "pamćenja" legura, nužan uvjet, ali ne i dovoljan za manifestaciju "pamćenja".
Slobodna energija kristala martenzita manja je od one početne faze, što stimulira
razvoj martenzitnog prijelaza. Prijelaz je usporen zbog pojave sučelja
stare i nove faze i povećanje slobodne energije. Uzgoj kristala martenzitne faze
deformirati okolni volumen koji se tome opire. Pojavljuje se elastična energija
sprječava daljnji rast kristala. Kada ta energija prijeđe granicu elastičnosti
gostiju dolazi do intenzivne deformacije materijala u blizini granice faza i
rast kristala prestaje. U čelicima proces se odvija gotovo trenutno (individualno
kristali martenzita rastu do konačne veličine).
Obrnuti prijelaz martenzita u austenit (faza visoke temperature, bez difuzije
smično restrukturiranje rešetke je teško), događa se na visokim temperaturama, kada je na otvorenom ognjištu
Kristali austenita rastu na situ bez prijelaza u svoj izvorni oblik (atomi ne padaju u svoj
prethodna mjesta).
U legurama s "pamćenjem" pri hlađenju kristali martenzita rastu sporo, pri
zagrijavanjem postupno nestaju, što osigurava dinamičku ravnotežu međupovršine
između njih i početne faze. Granica između faza ponaša se slično ako se hlađenje
Zamijenite grijanje i grijanje primjenom i uklanjanjem opterećenja, odnosno - termoelastičnog
ravnoteža faza u čvrstom tijelu.
Termoelastičnu martenzitnu transformaciju prati reverzibilna promjena oblika
kristali austenita, koji uglavnom osiguravaju "pamćenje" metala.
56 Inteligentni polimerni materijali (IPM)
Izravna posljedica termoelastične martenzitne transformacije je reverzibilna
promjena oblika krutine kao rezultat povremenog hlađenja i zagrijavanja (toplinska
motor). Metali s "pamćenjem" (na primjer, nitinol) "pamte" svoj izvornik
oblik kada se zagrijava nakon prethodne deformacije uzorka.
Do kraja 1960-ih. području fizikalnih istraživanja i tehničkih
primjene efekta "pamćenja" oblika u legurama.
Postoje stotine legura s martenzitnom transformacijom, ali broj legura gdje je učinak
"Pamćenje" forme ima malo praktičnog značaja. Kolektivno kretanje
atoma u određenom smjeru, praćeno spontanim (martenzitnim)
neu) deformacija materijala (preuređivanje rešetke), u kojoj su blizina i međuatomski
veze atoma nisu prekinute (ostaje mogućnost povratka na prijašnje položaje,
u izvorni oblik), odvija se samo pod određenim uvjetima. "Sjećanje" pojedinca
kristal još nije memorija cijelog volumena legure, koja obično ima polikristalnu
osobna struktura.
Pojedinačni kristaliti (zrnca) razlikuju se prema orijentaciji svojih kristalnih rešetki.
Pomak atoma tijekom martenzitne transformacije događa se u rešetki duž određenih ravnina.
kosti i pravci. Zbog različite orijentacije zrna dolazi do smicanja u svakom zrnu
u različitim smjerovima i, unatoč značajnoj deformaciji pojedinačnih kristala,
uzorak kao cjelina ne doživljava zamjetnu promjenu oblika. To se događa kada
ako su kristali orijentirani u istom smjeru. Kontrolna sila koja, kada pokvari
Tenzitna transformacija organizira preferencijalnu organizaciju kristala, tj
vanjsko opterećenje.
Tijekom martenzitne transformacije atomi se kreću u smjeru vanjskog
opterećenje (uzorak kao cjelina doživljava deformaciju). Proces se nastavlja sve dok
cijeli materijal se neće deformirati u smjeru sile bez loma međuatomskih
veze i kršenje blizine atoma. Kada se zagriju, vraćaju se u prvobitni položaj,
vraćanje izvornog oblika cjelokupnog volumena materijala.
Učinak "pamćenja" temelji se na termoelastičnoj faznoj ravnoteži i kontrolnom djelovanju
opterećenja. Posebnom termomehaničkom obradom legura stvara se mikro-
naprezanja, čije je djelovanje tijekom martenzitnih prijelaza slično djelovanju vanjskih
opterećenja. Kada se ohladi, legura spontano poprima jedan oblik, kada se zagrije
vraća se na izvorni (ploča se uvija u prsten kada se ohladi, kada se zagrije -
okreće se ili obrnuto).
Materijali s pamćenjem oblika mogu pokazivati superplastičnost (značajnu de-
formacije, kada je martenzitna transformacija uzrokovana primjenom vanjskog opterećenja, i
ne hlađenjem, koje se koristi za izradu opružnih amortizera i baterija
mehanička energija), imaju visoku cikličku čvrstoću (nema akumulacije
strukturni nedostaci) i visoka sposobnost raspršivanja mehaničke energije (kod otvorenog ognjišta
sitaste transformacije, restrukturiranje kristalne rešetke popraćeno je oslobađanjem
ili apsorpcija topline, ako vanjsko opterećenje uzrokuje martenzitnu transformaciju, tada
mehanička energija prelazi u toplinsku; s efektima pamćenja također se promatra proces
pretvaranje topline u rad).
Promjena oblika (s povremenim promjenama temperature) metala s memorijom
praćeno manifestacijom snažnih međuatomskih sila. Tlak ekspanzije materijala
ovaj tip doseže 7 t/cm2. Ovisno o vrsti materijala, proizvodi različitih veličina
i konfiguracije savijati, širiti, uvijati (oblik se može programirati).
Metali za pamćenje oblika uključuju legure nitinol, nitinol-55 (sa željezom), niklid
titan VTN-27, legure titana VT-16, VT23 (toplinska obrada prema posebnom režimu, u 2-3
puta jeftiniji i 1,5 puta lakši od titanijevog niklida), legura na bazi titana s 28–34% mangana i
5–7% silicija, terfenol (magnetostriktivna legura, prigušuje vibracije na niskim frekvencijama
vibracije).
Pametni polimerni materijali (IPM) 57
Legure na bazi mangana imaju temperaturni raspon maksimalne toplinske osjetljivosti
mekoću na 20–40 °C i vratiti željeni oblik u temperaturnom rasponu od
–100 do 180 °C
Legure Cu-Zn- sustava dobivene su metalurgijom praha (Fukuda Metal Co.).
Al s efektom pamćenja oblika sinteriranjem (700 MPa, 900 °C, 0,1 wt.% aluminij fluorida
prahovi Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) i legura bakra (veličina zrna 20–100 μm). Legura
vraća svoj oblik nakon rastezanja za 10%.
Ohlađenom legura prelazi u martenzitnu fazu u kojoj zahvaljujući promijenjenom
ovisno o geometrijskim parametrima ćelija kristalne rešetke postaje plastična i kada
mehanički utjecaj, može se dati proizvod izrađen od legure s "pamćenjem" (nitinol, itd.)
praktički bilo koja konfiguracija koja će se održati do temperature
će premašiti kritičnu vrijednost pri kojoj martenzitna faza postaje energetski nepovoljna,
legura prelazi u austenitnu fazu uz vraćanje izvornog oblika proizvoda. Međutim,
deformacije ne smiju prelaziti 7-8%, inače se oblik ne vraća u potpunosti.
Razvijene su legure nitinola koje istovremeno "pamte" oblik proizvoda,
koji odgovaraju visokim i niskim temperaturama. Učinak pamćenja u legurama nitinola
jasno definiran, a temperaturni raspon se može precizno podešavati u rasponu od ne-
koliko stupnjeva do desetaka stupnjeva, međutim, uvodeći modificirajuće elemente u legure
margina cikličnosti, broj kontroliranih deformacija (iteracija) ne prelazi 2000,
nakon čega legure gube svojstva.
Vodljiva vlakna formirana od filamenata promjera 50 mikrona legura
s nanočesticama titana i nikla, promijenite duljinu za 12–13% tijekom 5 milijuna ponavljanja i
koristi se u umjetnim mišićima. Nano pokretač mišića, Nano
Muscle, SAD, Johnson Electric, KHP, 2003) razvija tisuću puta veću snagu od
ljudskih mišića i 4000 puta brži od elektromotora pri brzini pokretanja
0,1 sekunde s glatkim prijelazom iz jednog stanja u drugo zadanom brzinom (mik
upravljanje roprocesorom).
Razvijeni su materijali s magnetomehaničkim pamćenjem (magnetoelastični martenzitni
prijelaz je stimuliran magnetskim poljem izravno ili u kombinaciji s temperaturom
i opterećenje) i elektromehanička memorija (martenzitna transformacija je popraćena
kvalitativna promjena svojstava, prijelazi vodič-poluvodič, paramagnetik-željezo
romagnet), koji je obećavajući za stvaranje MI aktuatora za potrebe radiotehnike
za smanjenje radarske signature.

Postoji niz metalnih materijala (legure metala) koji se nakon prethodne deformacije mogu vratiti u prvobitni oblik – tzv. metali s memorijom oblika.

Opis:

Jedna od osnovnih percepcija ljudi o fenomenima vanjskog svijeta je trajnost i pouzdanost metalnih proizvoda i konstrukcija koji stabilno zadržavaju svoj funkcionalni oblik dugo vremena, osim ako, naravno, nisu podvrgnuti superkritičnim utjecajima. Međutim, postoji niz metalnih materijala (legure metala) koji su sposobni vratiti se u prvobitni oblik nakon prethodne deformacije - tzv. metali s pamćenjem oblika.

Efekt pamćenja oblika je pojava vraćanja u prvobitni oblik kada se zagrijava, što se opaža kod nekih metalnih materijala nakon prethodne deformacije.

Da biste razumjeli učinak pamćenja oblika, dovoljno je jednom vidjeti njegovu manifestaciju:

1. Postoji metalna žica;

2. Ova žica je savijena;

3. Počinjemo zagrijavati žicu;

4. Kada se zagrije, žica se ispravlja, vraćajući svoj izvorni oblik.

Učinak pamćenja oblika ovisi o stupnju legure sa strogo održavanim kemijskim sastavom. O tome ovisi temperatura martenzitnih transformacija. Efekt pamćenja oblika pojavljuje se samo tijekom termoelastičnih martenzitnih transformacija i može se dogoditi nekoliko milijuna ciklusa.

Učinak pamćenja oblika legure može se poboljšati preliminarnom toplinskom obradom. Mogući su reverzibilni učinci pamćenja oblika, kada metal s pamćenjem oblika "pamti" jedan oblik na jednoj temperaturi, a drugi na drugoj temperaturi.

Sljedeći metali i njihove legure imaju pamćenje oblika u različitim stupnjevima: Ni – Ti, Ni – Al, Ni – Co; Ti – Nb; Au – Cd; Fe – Ni, Fe – Mn – Si; Cu – Al, Cu – Mn, Cu – Al – Ni, Cu – Zn – Al, itd.

Fe – Mn – Si – najjeftinija legura.

Mehanizam za implementaciju efekta pamćenja oblika:

1. U početnom stanju u materijalu postoji određena struktura (na slici označena pravilnim kvadratićima).

2. Kada se deformiraju, vanjski slojevi materijala su rastegnuti, a unutarnji slojevi su komprimirani. U materijalima koji pamte oblik, martenzit je termoelastičan.

3. Zagrijavanjem se počinje javljati termoelastičnost martenzitnih ploča, odnosno u njima nastaju unutarnji naponi koji nastoje vratiti strukturu u prvobitno stanje.

4. Budući da su vanjske izdužene ploče stisnute, a unutarnje spljoštene istegnute, materijal kao cjelina se samodeformira u suprotnom smjeru i vraća svoju izvornu strukturu, a s njom i oblik.

U procesu manifestacije efekta pamćenja oblika uključene su izravne i reverzne martenzitne transformacije. Martenzitna transformacija je polimorfna transformacija u kojoj dolazi do promjene relativnog rasporeda atoma koji čine kristal njihovim uređenim kretanjem, a relativni pomaci susjednih atoma su mali u usporedbi s međuatomskom udaljenosti.

Izravna martenzitna transformacija odnosi se na transformaciju iz kubične faze s centrom na visokoj temperaturi (austenit) u kubičnu fazu s centrom na niskoj temperaturi (α-martenzit). Obrnuta transformacija je iz kubične faze usredotočene na tijelo u kubičnu fazu usredotočene na lice.

Titanijev niklid:

Titanijev niklid vodeći je među materijalima s memorijom oblika u smislu primjene i proučavanja.

Niklid titanijum je intermetalni spoj ekviatomskog sastava s 55 mas. %Ni. Talište 1240-1310˚C, gustoća 6,45 g/cm3. Početna struktura titanijevog niklida, stabilna tjelesno centrirana kubična rešetka, prolazi kroz termoelastičnu martenzitnu transformaciju nakon deformacije.

Niklid titanijum ima:

– izvrsna otpornost na koroziju,

– velika snaga,

– dobre karakteristike pamćenja oblika,

– dobra kompatibilnost sa životom organizmi,

– visoka sposobnost prigušenja (apsorpcija buke i vibracija) materijala.

Moskovsko državno sveučilište

ih. M.V.Lomonosova

Fakultet za materijale

Tema: “Materijali s memorijom oblika.”

Studentica V godine FNM

Kareeva I.E.

Moskva 2000

Uvod………………………………………………………2

Mehanizam za implementaciju efekta pamćenja oblika…………3

Područja primjene…………………………………………………………..7

Priprema legura s pamćenjem oblika…………………….9

Degradacija…………………………………………………………………..10

Zaključak………………………………………………………………..11

Reference…………………………………………………………..12

Uvod.

Materijali za pamćenje oblika (MSM) otkriveni su kasnih 60-ih godina ovog stoljeća. U roku od 10 godina (kasnih 70-ih - ranih 80-ih), u znanstvenim časopisima pojavilo se mnogo izvještaja koji opisuju različite mogućnosti njihove upotrebe. Trenutno su za MPF definirana funkcionalna svojstva: jednosmjerni i dvosmjerni memorijski učinak, pseudo- ili superelastičnost, visoka sposobnost prigušenja.

MPF-ovi su već našli široku primjenu u medicini kao dugotrajni materijali koji se ugrađuju u tijelo. Pokazuju visoka elastična svojstva, mogu mijenjati svoj oblik s promjenama temperature i ne kolabiraju pod uvjetima izmjeničnog opterećenja. Složena priroda faznih transformacija martenzitnog tipa koje se javljaju u legurama na bazi titanijevog niklida jasno se očituje u poroznim strukturama. Fazni prijelazi u takvim legurama karakterizirani su širokom histerezom i dugim temperaturnim rasponom u kojem materijal pokazuje efekte pamćenja oblika i superelastičnosti. Osim legura na bazi Ni-Ti, martenzitne transformacije postoje, na primjer, u sustavima kao što su Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

Ovisno o temperaturi martenzitne transformacije i mehaničkim svojstvima, legure s pamćenjem oblika imaju širok raspon primjena.

Mehanizam za implementaciju efekta pamćenja oblika.

martenzit.

Martenzit je struktura kristalnih krutina koja nastaje kao rezultat polimorfne transformacije smicanja bez difuzije nakon hlađenja. Ime je dobio po njemačkom metalurgu Martensu (1850. - 1914.). Kao rezultat deformacije rešetke tijekom ove transformacije, na površini metala pojavljuje se reljef; u volumenu nastaju unutarnja naprezanja i dolazi do plastične deformacije koja ograničava rast kristala. Brzina rasta doseže 10 3 m/s i ne ovisi o temperaturi, tako da brzina stvaranja martenzita obično ograničava nukleaciju kristala. Protudjelovanje unutarnjih naprezanja pomiče nukleaciju kristala znatno ispod točke termodinamičke ravnoteže faza i može zaustaviti transformacije pri konstantnoj temperaturi; stoga količina stvorenog martenzita obično raste s povećanjem prehlađenja. Budući da elastična energija mora biti minimalna, kristali martenzita poprimaju oblik ploča. Unutarnja naprezanja također se oslobađaju plastičnom deformacijom, pa kristal sadrži mnogo dislokacija (do 10 12 cm -2), ili je razbijen u dvojnike debljine 100 - 1000 Å. Unutarzrnate granice i dislokacije ojačavaju martenzit. Martenzit je tipičan proizvod niskotemperaturnih polimorfnih transformacija u čistim metalima (Fe, Co, Ti, Zr, Li i drugi), u čvrstim otopinama na njihovoj osnovi, u intermetalnim spojevima (CuZn, Cu 3 Al, NiTi, V 3 Si , AuCd).

Martenzitne transformacije.

Ni-Ti intermetalni spojevi sastava bliskog eutektičkom karakteriziraju prijelaz iz kubične (austenitne faze) u monoklinsku (martenzitnu) fazu na sobnoj temperaturi. Takve se transformacije obično događaju u legurama pri velikim naprezanjima, ali kao posljedica efekta pamćenja ili superelastičnosti, transformacije se mogu dogoditi i pri niskim naprezanjima. Austenitne Ni-Ti legure pokazuju superelastično ponašanje pod mehaničkim opterećenjima i napetosti (8%) uzrokovane martenzitnom transformacijom. Pri rasterećenju martenzit postaje nestabilan i prelazi u austenit, uz kompenzaciju svih makroskopskih naprezanja.

Martenzitna transformacija je polimorfna transformacija u kojoj dolazi do promjene relativnog rasporeda atoma koji čine kristal njihovim uređenim kretanjem, a relativni pomaci susjednih atoma su mali u usporedbi s međuatomskom udaljenosti. Restrukturiranje kristalne rešetke u mikroregijama obično se svodi na deformaciju njezine ćelije, a završna faza martenzitne transformacije je jednoliko deformirana početna faza. Veličina deformacije je mala (~1-10%) i, sukladno tome, energetska barijera koja sprječava ravnomjerni prijelaz početne faze u konačnu fazu je mala, u usporedbi s energijom vezanja u kristalu. Nužan uvjet za martenzitnu transformaciju, koja se razvija stvaranjem i rastom područja stabilnije faze u metastabilnoj, je očuvanje uređenog kontakta između faza. Uređena struktura međufaznih granica s malom barijerom za ravnomjeran fazni prijelaz osigurava njihovu nisku energiju i visoku pokretljivost. Kao posljedica toga, višak energije potreban za nukleaciju kristala nove faze (martenzitni kristali) je malen i, uz određena odstupanja od fazne ravnoteže, postaje usporediv s energijom defekata prisutnih u početnoj fazi. Stoga se nukleacija martenzitnih kristala događa većom brzinom i možda neće zahtijevati toplinske fluktuacije. Značajnu ulogu tijekom martenzitne transformacije imaju unutarnja naprezanja koja nastaju zbog elastične prilagodbe kristalnih rešetki koje se spajaju duž granica faza. Elastična polja naprezanja dovode do pomaka ravnotežne točke međudjelovanja faza u odnosu na položaj prave termodinamičke ravnoteže za izolirane, neiskrivljene faze; Sukladno tome, temperatura na kojoj počinje martenzitna transformacija može se značajno razlikovati od prave ravnotežne temperature. Želja da se minimizira energija elastičnog naprezanja određuje morfologiju, unutarnju strukturu i relativni položaj kristala martenzita. Nova faza se formira u obliku tankih ploča, usmjerenih na određeni način u odnosu na kristalografske osi. Ploče, u pravilu, nisu pojedinačni kristali, već paketi planparalelnih domena - područja nove faze koje se razlikuju u orijentaciji kristalne rešetke (blizanci). Interferencija naponskih polja iz različitih domena dovodi do njihovog djelomičnog uništenja. Daljnje smanjenje elastičnih polja postiže se formiranjem ansambala pravilno raspoređenih ploča. Odnosno, kao rezultat martenzitne transformacije nastaje polikristalna faza s osebujnim hijerarhijskim poretkom (sklopovi - ploče - domene) u rasporedu strukturnih komponenti. Povećanje unutarnjih naprezanja tijekom martenzitne transformacije pod određenim uvjetima dovodi do uspostavljanja dvofazne termoelastične ravnoteže, koja se reverzibilno pomiče kada se promijene vanjski uvjeti: pod utjecajem mehaničkih opterećenja ili kada se promijeni temperatura, veličina pojedinačnih kristala i njihova promjena broja. Martenzitne transformacije nalaze se u mnogim kristalnim materijalima: čistim metalima, brojnim legurama, ionskim, kovalentnim i molekularnim kristalima.

Postoje veliki izgledi za reverzibilne promjene oblika tijekom martenzitne transformacije (stvaranje superelastičnih legura koje vraćaju svoj izvorni oblik zagrijavanjem nakon plastične deformacije - efekt pamćenja), kao i povezanost martenzitne transformacije s pojavom supravodljivih svojstava kod nekih metala. . Martenzitne transformacije čine osnovu brojnih strukturnih transformacija, zahvaljujući kojima se uz pomoć toplinske i mehaničke obrade provodi usmjerena promjena svojstava kristalnih materijala.

Značajke poroznih legura titan-niklida.

Prisutnost širokog temperaturnog raspona martenzitne transformacije u poroznom titan niklidu u usporedbi s lijevanim titanom odražava se na temperaturnim krivuljama električnog otpora. Pokazalo se da je martenzitni prijelaz nepotpun u poroznim legurama i da se događa u širem temperaturnom rasponu nego u lijevanim legurama. Dakle, važna značajka poroznog titan niklida u usporedbi s neporoznom (lijevanom) legurom istog sastava je širok temperaturni raspon faznih transformacija. Ona iznosi približno 250 0 C, tj. znatno premašuje raspon (30-40 0 C) transformacija lijevane legure. Povećanje temperaturnog raspona faznih transformacija posljedica je strukture poroznog titanijevog niklida. Faktor veličine je također značajan, budući da se martenzitna transformacija u tankim mostovima i masivnim područjima različito manifestira. Djelovanje ovih čimbenika dovodi do činjenice da fazne transformacije u poroznim materijalima na bazi titan niklida počinju u različitim područjima na različitim temperaturama, proširujući histerezu duž temperaturne osi, odgovarajuće šireći temperaturne raspone transformacija i intervale manifestacije memorije oblika. efekti i superelastičnost u poroznim legurama na bazi niklida titana.

Slika 1. Temperaturne ovisnosti reverzibilnog memorijskog efekta i granice razvlačenja u poroznim (1) i lijevanim (2) legurama na bazi titanijevog niklida.

Slika 1 prikazuje učinak pamćenja oblika u poroznim i lijevanim legurama. U poroznoj leguri, efekt pamćenja oblika očituje se u širem rasponu temperatura nego u lijevanoj leguri, a zaostala plastična deformacija u poroznom materijalu je značajnija (na slici 1.) nego u lijevanom. U lijevanom titan niklidu, gotovo potpuna (do 100%) obnova oblika događa se nakon deformacije za 6 - 8% i naknadnog zagrijavanja iznad temperaturnog raspona MT (slika 1). Povećanjem stupnja deformacije lijevanog titan niklida nastaju dislokacijski defekti koji su, za razliku od martenzitnih transformacija, nepovratni. Stadij reverzibilne deformacije prema martenzitnom mehanizmu zamjenjuje se stadijem nepovratne plastične deformacije. Čak i pri malim opterećenjima nastaju područja u kojima veličina elastične deformacije prelazi granicu. Nasuprot tome, u poroznim legurama, čak i uz minimalne deformacije, stupanj obnove oblika ne prelazi 85%. Stupanj obnove oblika ovisi o poroznosti, raspodjeli veličine pora i razini martenzitnog smičnog naprezanja, tj. povezana s osobitostima deformacije poroznih tijela. Analiza deformacijskih ovisnosti titan niklida s različitim poroznostima pokazuje da granica razvlačenja legure opada s povećanjem poroznosti.

Moskovsko državno sveučilište nazvano po. M.V. Lomonosov

Fakultet za materijale

Tema: “Materijali s memorijom oblika.”

Studentica V godine FNM

Kareeva I.E.

Moskva 2000

Uvod………………………………………………………2
Mehanizam za implementaciju efekta pamćenja oblika…………3
Područja primjene…………………………………………………………..7
Priprema legura s pamćenjem oblika…………………….9
Degradacija…………………………………………………………………..10
Zaključak………………………………………………………………..11
Reference…………………………………………………………..12
Uvod.

Ovisno o temperaturi martenzitne transformacije i mehaničkim svojstvima, legure s pamćenjem oblika imaju širok raspon primjena.
Mehanizam za implementaciju efekta pamćenja oblika.

martenzit.

Martenzit je struktura kristalnih krutina koja nastaje kao rezultat polimorfne transformacije smicanja bez difuzije nakon hlađenja. Ime je dobio po njemačkom metalurgu Martensu (1850. - 1914.).
Kao rezultat deformacije rešetke tijekom ove transformacije, na površini metala pojavljuje se reljef; u volumenu nastaju unutarnja naprezanja i dolazi do plastične deformacije koja ograničava rast kristala.
Brzina rasta doseže 103 m/s i ne ovisi o temperaturi, tako da brzina stvaranja martenzita obično ograničava nukleaciju kristala.
Protudjelovanje unutarnjih naprezanja pomiče nukleaciju kristala znatno ispod točke termodinamičke ravnoteže faza i može zaustaviti transformacije pri konstantnoj temperaturi; stoga količina stvorenog martenzita obično raste s povećanjem prehlađenja. Budući da elastična energija mora biti minimalna, kristali martenzita poprimaju oblik ploča.
Unutarnja naprezanja također se oslobađaju plastičnom deformacijom, pa kristal sadrži mnogo dislokacija (do 1012 cm-2), ili je razbijen u dvojnike debljine 100 - 1000 E. Unutarzrnate granice i dislokacije ojačavaju martenzit. Martenzit je tipičan proizvod niskotemperaturnih polimorfnih transformacija u čistim metalima (Fe, Co, Ti, Zr, Li i drugi), u čvrstim otopinama na njihovoj osnovi, u intermetalnim spojevima (CuZn, Cu3Al, NiTi, V3Si, AuCd).

Martenzitne transformacije.

Ni-Ti intermetalni spojevi sa sastavom bliskim eutektičkom karakterizirani su prijelazom iz kubične (austenitne faze) u monoklinsku
(martenzitna) faza na sobnoj temperaturi. Takve se transformacije obično događaju u legurama pri velikim naprezanjima, ali kao posljedica efekta pamćenja ili superelastičnosti, transformacije se mogu dogoditi i pri niskim naprezanjima. Austenitne Ni-Ti legure pokazuju superelastično ponašanje pod mehaničkim opterećenjima i napetosti (8%) uzrokovane martenzitnom transformacijom. Pri rasterećenju martenzit postaje nestabilan i prelazi u austenit, uz kompenzaciju svih makroskopskih naprezanja.

Martenzitna transformacija je polimorfna transformacija u kojoj dolazi do promjene relativnog rasporeda atoma koji čine kristal njihovim uređenim kretanjem, a relativni pomaci susjednih atoma su mali u usporedbi s međuatomskom udaljenosti. Restrukturiranje kristalne rešetke u mikroregijama obično se svodi na deformaciju njezine ćelije, a završna faza martenzitne transformacije je jednoliko deformirana početna faza. Veličina deformacije je mala (~1-10%) i, sukladno tome, energetska barijera koja sprječava ravnomjerni prijelaz početne faze u konačnu fazu je mala, u usporedbi s energijom vezanja u kristalu. Nužan uvjet za martenzitnu transformaciju, koja se razvija stvaranjem i rastom područja stabilnije faze u metastabilnoj, je očuvanje uređenog kontakta između faza.
Uređena struktura međufaznih granica s malom barijerom za ravnomjeran fazni prijelaz osigurava njihovu nisku energiju i visoku pokretljivost. Kao posljedica toga, višak energije potreban za nukleaciju kristala nove faze (martenzitni kristali) je malen i, uz određena odstupanja od fazne ravnoteže, postaje usporediv s energijom defekata prisutnih u početnoj fazi. Stoga se nukleacija martenzitnih kristala događa većom brzinom i možda neće zahtijevati toplinske fluktuacije. Značajnu ulogu tijekom martenzitne transformacije imaju unutarnja naprezanja koja nastaju zbog elastične prilagodbe kristalnih rešetki koje se spajaju duž granica faza. Elastična polja naprezanja dovode do pomaka ravnotežne točke međudjelovanja faza u odnosu na položaj prave termodinamičke ravnoteže za izolirane, neiskrivljene faze; Sukladno tome, temperatura na kojoj počinje martenzitna transformacija može se značajno razlikovati od prave ravnotežne temperature. Želja da se minimizira energija elastičnog naprezanja određuje morfologiju, unutarnju strukturu i relativni položaj kristala martenzita. Nova faza se formira u obliku tankih ploča, usmjerenih na određeni način u odnosu na kristalografske osi. Ploče, u pravilu, nisu pojedinačni kristali, već paketi planparalelnih domena - područja nove faze, različite u orijentaciji kristalne rešetke
(dvostruki). Interferencija naponskih polja iz različitih domena dovodi do njihovog djelomičnog uništenja. Daljnje smanjenje elastičnih polja postiže se formiranjem ansambala pravilno raspoređenih ploča. Odnosno, kao rezultat martenzitne transformacije nastaje polikristalna faza s osebujnim hijerarhijskim poretkom (sklopovi - ploče - domene) u rasporedu strukturnih komponenti. Povećanje unutarnjih naprezanja tijekom martenzitne transformacije pod određenim uvjetima dovodi do uspostavljanja dvofazne termoelastične ravnoteže, koja se reverzibilno pomiče kada se promijene vanjski uvjeti: pod utjecajem mehaničkih opterećenja ili kada se promijeni temperatura, veličina pojedinačnih kristala i njihova promjena broja. Martenzitne transformacije nalaze se u mnogim kristalnim materijalima: čistim metalima, brojnim legurama, ionskim, kovalentnim i molekularnim kristalima.

Značajke poroznih legura titan-niklida.

Prisutnost širokog temperaturnog raspona martenzitne transformacije u poroznom titan niklidu u usporedbi s lijevanim titanom odražava se na temperaturnim krivuljama električnog otpora. Pokazalo se da je martenzitni prijelaz nepotpun u poroznim legurama i da se događa u širem temperaturnom rasponu nego u lijevanim legurama. Dakle, važna značajka poroznog titan niklida u usporedbi s neporoznom (lijevanom) legurom istog sastava je širok temperaturni raspon faznih transformacija. Ona je približno 250 0 C, tj. znatno premašuje raspon (30-400 C) transformacija lijevane legure. Povećanje temperaturnog raspona faznih transformacija posljedica je strukture poroznog titanijevog niklida. Faktor veličine je također značajan, budući da se martenzitna transformacija u tankim mostovima i masivnim područjima različito manifestira. Djelovanje ovih čimbenika dovodi do činjenice da fazne transformacije u poroznim materijalima na bazi titan niklida počinju u različitim područjima na različitim temperaturama, proširujući histerezu duž temperaturne osi, odgovarajuće šireći temperaturne raspone transformacija i intervale manifestacije memorije oblika. efekti i superelastičnost u poroznim legurama na bazi niklida titana.

Područja upotrebe.

Nemedicinska uporaba.

Prva legura s pamćenjem oblika korištena je u zrakoplovu F-14 1971., bio je to Ni-Ti-Fe. Upotreba Ni-Ti-Nb legure je veliki napredak, ali također Fe-Mn-Si legure su dobile puno pažnje, unatoč nižem povratnom naponu.

Postoje potencijalne primjene za nitinol u proizvodnji robe široke potrošnje. Na primjer, zanimljiv izum: uređaj
- držač za pepeljaru koji zapaljenu cigaretu spušta u pepeljaru, sprječavajući da padne, recimo, na stolnjak.

Pouzdanost uređaja za pamćenje oblika ovisi o njihovom vijeku trajanja.
Važni vanjski parametri za upravljanje radnim ciklusima sustava su vrijeme i temperatura. Važni unutarnji parametri koji određuju fizikalna i mehanička svojstva su: sustav legure, sastav legure, vrsta transformacije i defekti rešetke. Ovi parametri kontroliraju termomehaničku povijest legure. Kao posljedica toga, maksimalni učinak pamćenja bit će ograničen ovisno o broju potrebnih ciklusa.

Svemirski tereti poput solarnih panela ili satelitskih antena trenutno koriste uglavnom pirotehničke metode postavljanja, što stvara mnoge probleme. Korištenje materijala s memorijom oblika će eliminirati sve te probleme i također će pružiti priliku da se opetovano testira rad sustava na terenu.

Nedavna istraživanja legura Ni-Ti pokazala su da super elastično ponašanje rezultira poboljšanom otpornošću na trošenje.
Pseudoelastično ponašanje smanjuje područje elastičnog kontakta tijekom klizanja. Smanjenje površine elastičnog kontakta između dva klizna dijela povećava otpornost materijala na trošenje. Posebna vrsta trošenja je kavitacijska erozija, koja stvara specifične probleme kod hidrauličkih strojeva, brodskih propelera i vodnih turbina. Usporedne studije različitih materijala pokazale su da Ni-Ti legure imaju veću otpornost na kavitacijsku eroziju od konvencionalnih legura. U martenzitnom stanju legura Ni-Ti ima vrlo dobru otpornost na kavitacijsku eroziju. Ali proizvodnja radnih dijelova koji su podložni koroziji u potpunosti od Ni-Ti legure je preskupa, pa je najbolji način da se koristi Ni-Ti legura u kombinaciji s čelikom.

Medicinska uporaba.

U medicini se koristi nova klasa kompozitnih materijala
“biokeramika – titanijev niklid”. U takvim kompozitima jedna komponenta (titanijev niklid) ima superelastičnost i memoriju oblika, dok druga zadržava svojstva biokeramike.

Keramička komponenta može biti porculan, koji se široko koristi u ortopedskoj stomatologiji i koji je krhki materijal. Visoka krhkost porculana posljedica je činjenice da kontaktna naprezanja nastaju na granicama različitih faza i zrna, značajno premašujući razinu prosječnih primijenjenih naprezanja. Relaksacija kontaktnih naprezanja u keramičkom materijalu moguća je ako dođe do disipacije energije u zoni tih naprezanja uslijed fazne transformacije u titan niklidu. Promjena temperature ili primjena opterećenja uzrokuje martenzitnu transformaciju u titan niklidu, što dovodi do učinkovite relaksacije naprezanja u matrici kada je kompozitni materijal opterećen, dopuštajući čvrstoj komponenti da podnese primijenjeno opterećenje. Poznato je da je elastična obnova volumena poroznih kompakta izrađenih od superelastičnog praha titanijevog niklida povezana s kidanjem međučestičnih kontakata i određena je čvrstoćom briketa koja ovisi o poroznosti i veličini sila kontaktne adhezije. Slabljenje tih sila dodavanjem drugih komponenti prahu titan-niklida, kao što je fino dispergirani volfram ili silicij-karbid, značajno povećava elastični učinak, budući da su jaki istoimeni kontakti titan-nikal zamijenjeni suprotnim. Budući da se veličina elastičnog učinka smanjuje sa smanjenjem sadržaja titan niklida u kompaktu, ovisnost o koncentraciji povrata elastičnog volumena obično je ekstremna. U kompozitnom materijalu porculan-titan niklid, komponente slabo međusobno djeluju i nakon sinteriranja, kontakti između keramičkih i metalnih komponenti su oslabljeni. Kada su opterećeni, oni prvi puknu i elastični oporavak volumena se povećava. Kao rezultat toga, deformacija je reverzibilna i kompozit pokazuje svojstva slična superelastičnosti. Biokompatibilnost kompozitnog materijala
“dentalni porculan–titan nikleid” proučavan je histološki, procjenjujući reakciju tkiva kod štakora na implantaciju uzoraka od kompozitnog materijala i porculana pod kožu prednjeg trbušnog zida. Priroda tkivnih reakcija, njihova učestalost i značajke staničnih promjena u oba slučaja pokazali su se nedvosmislenim. Stoga su kompozitni materijali biokeramika-titan niklid biokompatibilni.

Priprema legura s memorijom oblika.

Legure s pamćenjem oblika proizvode se stapanjem pojedinačnih komponenti. Talina se brzo hladi i provodi se obrada na visokoj temperaturi.

Predložena je cijela klasa kompozitnih materijala "biokeramika - titanijev niklid" za medicinu. U takvim materijalima jedna komponenta (titan nikelid) ima memoriju oblika i superelastičnost, dok druga zadržava svojstva biokeramike. Najčešće korištena keramička komponenta je porculan koji ima široku primjenu u ortopedskoj stomatologiji i krhki je materijal. Za izradu ovakvih uzoraka koriste se prahovi titan niklida i porculanske mase koji se nakon miješanja i sušenja sinteriraju u vakuumu.

Degradacija

Martenzitna transformacija u legurama na bazi NiTi je atermički proces čija je brzina u potpunosti određena brzinom promjene temperature blizu termodinamičke ravnoteže faza. Stoga se svi specifični mehanički učinci u NiTi koji prate martenzitnu transformaciju, kao što su memorija oblika i plastičnost transformacije, mogu ostvariti u vrlo kratkim vremenima pod odgovarajućim uvjetima zagrijavanja i hlađenja. U uređajima velike brzine, za ubrzavanje izmjene topline s toplinskim sredstvom (tekućim ili plinovitim), koriste se tanke trake, žice i cijevi mikronskih linearnih dimenzija u poprečnom presjeku. U tom slučaju stanje slobodne površine legure postaje od velike važnosti.
Budući da čak i male varijacije u sastavu dovode do promjena u temperaturnoj kinetici i potpunosti transformacije, segregacija elemenata i oksidacija površine značajno mijenjaju posebna svojstva materijala. Ova okolnost dobiva posebnu važnost zbog potrebe za prethodnom toplinskom ili termomehaničkom obradom materijala.

Istraživanja su pokazala tendenciju titanijevog niklida na slobodnoj površini pod toplinskim utjecajima. U atmosferi koja sadrži kisik, legura oksidira stvarajući oksidni sloj koji uglavnom sadrži TiO2 oksid. Može se pretpostaviti da će, budući da je titan kemijski vrlo aktivan, u okruženju bez kisika atomi titana tvoriti spojeve s bilo kojim neinertnim plinom, na primjer, u atmosferi dušika - nitride. Stvaranje oksida duž granica zrna i na površini može se izbjeći samo toplinskom obradom uzoraka u vakuumu ili u inertnom okruženju.

Popularno u kategoriji: