Podľa konvenčnej múdrosti sú kovy najtrvanlivejšie a najodolnejšie materiály. Existujú však zliatiny, ktoré môžu po deformácii obnoviť svoj tvar bez pôsobenia vonkajšieho zaťaženia. Vyznačujú sa aj ďalšími jedinečnými fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami, ktoré ich odlišujú od konštrukčných materiálov.
Podstata fenoménu
Účinok tvarovej pamäte zliatin spočíva v tom, že vopred zdeformovaný kov sa spontánne obnoví v dôsledku zahriatia alebo jednoducho po vyložení. Tieto nezvyčajné vlastnosti si vedci všimli už v 50. rokoch minulého storočia. 20. storočie Už vtedy bol tento jav spojený s martenzitickými premenami v kryštálovej mriežke, počas ktorých dochádza k usporiadanému pohybu atómov.
Martenzit v materiáloch s tvarovou pamäťou je termoelastický. Táto štruktúra pozostáva z kryštálov vo forme tenkých dosiek, ktoré sú natiahnuté vo vonkajších vrstvách a stlačené vo vnútorných. "Nositeľmi" deformácie sú medzifázové, dvojčatné a medzikryštalické hranice. Po zahriatí deformovanézliatiny, objavia sa vnútorné napätia, ktoré sa snažia vrátiť kovu jeho pôvodný tvar.
Povaha spontánneho zotavenia závisí od mechanizmu predchádzajúcej expozície a teplotných podmienok, za ktorých prebiehala. Najväčší záujem je o mnohonásobnú cyklickosť, ktorá môže predstavovať niekoľko miliónov deformácií.
Kovy a zliatiny s efektom tvarovej pamäte majú ďalšiu jedinečnú vlastnosť - nelineárnu závislosť fyzikálnych a mechanických vlastností materiálu od teploty.
Odrody
Vyššie uvedený proces môže mať niekoľko podôb:
- superplasticita (superelasticita), pri ktorej môže kryštálová štruktúra kovu odolávať deformáciám, ktoré výrazne prekračujú medzu klzu v normálnom stave;
- jednoduchá a reverzibilná tvarová pamäť (v druhom prípade sa efekt opakovane reprodukuje počas tepelného cyklovania);
- priama a spätná transformačná ťažnosť (akumulácia napätia počas ochladzovania, respektíve zahrievania, keď prechádza martenzitickou transformáciou);
- reverzibilná pamäť: pri zahrievaní sa najskôr obnoví jedna deformácia a potom pri ďalšom zvýšení teploty ďalšia;
- orientovaná transformácia (akumulácia deformácií po odstránení zaťaženia);
- pseudoelasticita - zotavenie nepružných deformácií z elastických hodnôt v rozsahu 1-30%.
Návrat do pôvodného stavu pre kovy s efektomtvarová pamäť môže byť taká intenzívna, že ju nemožno potlačiť silou blízkou pevnosti v ťahu.
Materiály
Zo zliatin s takýmito vlastnosťami sú najbežnejšie titán-nikel (49–57 % Ni a 38–50 % Ti). Majú dobrý výkon:
- vysoká pevnosť a odolnosť proti korózii;
- významný faktor obnovy;
- veľká hodnota vnútorného napätia pri návrate do pôvodného stavu (až 800 MPa);
- dobrá kompatibilita s biologickými štruktúrami;
- efektívna absorpcia vibrácií.
Okrem niklu titánu (alebo nitinolu) sa používajú aj ďalšie zliatiny:
- dvojzložkové - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- trojzložkové - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si a ďalší.
Zliatinové prísady môžu výrazne posunúť teplotu martenzitickej transformácie, čo ovplyvňuje redukčné vlastnosti.
Priemyselné využitie
Aplikácia efektu tvarovej pamäte umožňuje riešenie mnohých technických problémov:
- tvorba tesných potrubných zostáv podobných metóde rozšírenia (prírubové spoje, samouťahovacie spony a spojky);
- výroba upínacieho náradia, uchopovačov, posúvačov;
- dizajn"superspružiny" a akumulátory mechanickej energie, krokové motory;
- vytváranie spojov z rôznych materiálov (kov-nekov) alebo na ťažko dostupných miestach, keď je zváranie alebo spájkovanie nemožné;
- výroba opätovne použiteľných energetických prvkov;
- tesnenie puzdra mikroobvodov, zásuvky na ich pripojenie;
- výroba regulátorov teploty a snímačov v rôznych zariadeniach (požiarne hlásiče, poistky, ventily tepelných motorov a iné).
Vytvorenie takýchto zariadení pre kozmický priemysel (samousadzovacie antény a solárne panely, teleskopické zariadenia, nástroje pre inštalačné práce vo vesmíre, pohony otočných mechanizmov - kormidlá, uzávery, poklopy, manipulátory) má veľkú perspektívu. Ich výhodou je absencia impulzných záťaží, ktoré narúšajú priestorovú polohu v priestore.
Aplikácia zliatin s tvarovou pamäťou v medicíne
V oblasti medicínskych materiálov sa kovy s týmito vlastnosťami používajú na výrobu technologických zariadení, ako sú:
- krokové motory na naťahovanie kostí, narovnávanie chrbtice;
- filtre pre krvné náhrady;
- zariadenia na fixáciu zlomenín;
- ortopedické pomôcky;
- svorky na žily a tepny;
- časti pumpy pre umelé srdce alebo obličku;
- stenty a endoprotézy na implantáciu do krvných ciev;
- ortodontické drôty na korekciu chrupu.
Nevýhody a vyhliadky
Napriek svojmu veľkému potenciálu majú zliatiny s tvarovou pamäťou nevýhody, ktoré obmedzujú ich široké uplatnenie:
- drahé chemické komponenty;
- zložitá výrobná technológia, potreba použiť vákuové zariadenie (aby sa predišlo zahrnutiu nečistôt dusíka a kyslíka);
- fázová nestabilita;
- nízka obrobiteľnosť kovov;
- ťažkosti s presným modelovaním správania štruktúr a výroby zliatin s požadovanými charakteristikami;
- starnutie, únava a degradácia zliatin.
Sľubným smerom vo vývoji tejto oblasti technológie je vytváranie povlakov z kovov s efektom tvarovej pamäte, ako aj výroba takýchto zliatin na báze železa. Kompozitné štruktúry umožnia spojenie vlastností dvoch alebo viacerých materiálov v jednom technickom riešení.
