Материалы с памятью формы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Казанский национальный исследовательский технологический университет"

Реферат на тему

"Материалы с памятью формы"

Выполнила: Салахова Айгуль

Проверил: доцент Догадкин В.Н.

Казань, 2018

Содержание

Введение

1. Сплавы с эффектом памяти формы

2. Механизм эффекта памяти формы

3. Мартенситное превращение

4. Нитинол

Заключение

Список литературы

Введение

Материалы с памятью формы (МПФ) были открыты в конце 60-х годов этого века. Уже через 10 лет (конец 70-х начало 80-х) появляется множество сообщений в научных журналах, описывающих различные возможности их применения. В настоящее время для МПФ определенны функциональные свойства: одно- и двухсторонний эффект памяти, псевдо - или суперэластичность, высокая заглушающая способность.

МПФ уже нашли широкое применение в медицине, в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности. Кроме сплавов на основе Ni-Ti, мартенситные превращения существуют например в таких системах, как Pt-Ti, Pt-Ga, Pt-Al.

В зависимости от температуры мартенситного превращения и механических свойств, сплавы обладающие памятью формы имеют широкий диапазон применения.

1. Сплавы с эффектом памяти формы

Новый материал с памятью остается целым даже после десятков миллионов раз трансформации его формы. Это достижение может наконец проложить путь для широкого применения материалов с памятью формы.

Рис.1 Сплавы с эффектом памяти формы

В теории, металлы с памятью формы должны стать революцией в каждой части технологической индустрии. Металл с памятью - это материал, который после его изгиба или другой деформации может восстановить начальную форму после воздействия на него теплом или электричеством. Такие футуристические материалы существуют уже на протяжении десятилетий. Основным недостатком металлов с памятью формы было их скорое изнашивание. В зависимости от сплава, такие металлы постепенно теряют возможность восстанавливать форму после трансформации от нескольких раз до нескольких тысяч. Поэтому до этих пор практическое использование металлов с памятью формы было не целесообразно.

Материаловед Manfred Wuttig из Мэрилендского университета говорит, что открытие, сделанное его командой, является итогом долгой изнурительной работы по поиску прочного металла с памятью формы. Статья, которая детально описывает данное открытие опубликована авторами в журнале Science . Образец представляет собой тонкую пленку из сплава титана и никеля (никелид титана или нитинол) с малым содержанием меди.

Ученые обнаружили металлический сплав с эффектом памяти формы случайно, и то, как полученный материал держит форму длительное время без износа еще неясно. Исследователи предложили возможные причины прочности материала. Нужно сначала понять, как работает материал с памятью формы. Для простоты, представьте, что атомы, которые составляют материал, могут создавать две разные атомные конфигурации в зависимости от того, воздействует ли на них тепло, электричество или магнитное поле. Для примера, вообразите, что металл с памятью формы состоит из атомов, расположенных таким образом, что они формируют кубическую структуру при комнатной температуре. Под действием приложенного к металлу тепла, эти атомы реорганизуются и уже образуют гексагональную упаковку, как пчелиные соты, что поменяет форму металла. При прекращении нагрева атомы возвращаются в начальное положение и снова образуют кубическую решетку. металл деформация титан

Как правило, материалы с памятью формы, при переходе их атомов между двумя конфигурациями, приобретают микродефекты. В новом сплаве титана и никеля с малым содержанием меди и кобальта, по-видимому, эти дефекты практически не возникают.

Возможно, причина, по которой сплав остается прочным, состоит в наличии связи титана и меди, которые, распределенные по всему объему, укрепляют материал. Такие титан-медные блоки удерживают прочную конструкцию при обеих конфигурациях атомов, в которую затем располагаются другие атомы.

2. Механизм эффекта памяти формы

Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. Был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы - эффект памяти формы (ЭПФ) - может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться. Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 - 1300 МПа. Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях. В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы. Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рис.2. При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза. При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается при некоторой температуре Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак - Мн или Ан - Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рисунок 2,а и б)

Рис. 2 - Зависимость фазового состава сплава от температуры:

а - широкий гистерезис; б - узкий гистерезис

Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: То - температура термодинамического равновесия; Мд - температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад - температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рисунок 2, б) температура Мд может оказаться выше температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе - ниже этой температуры (рисунок 2, а). Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. Е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд(но выше Ак), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рисунке 2 превращение аустенит - мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается эффект так называемой сверхупругости, очевидно связанный с этими явлениями. В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения превращения мартенсита в аустенит. Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti - Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu - А 1 - Ni и Сu - Al - Zn. Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti - Ni с ЭПФ разного состава приведены в таблице 1 и на рисунке 3.

Таблица 1. Характеристические температуры сплавов Ti-Ni

Рис. 3 - Зависимость температур прямого и обратного мартенситного превращений от состава сплава Ti - Ni 9

Из таблицы 1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti - Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку. Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К. Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению Мн и Мк вплоть до -196°С, а введение Zr, Та, Nb - к их повышению (до +100°С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений.

3. Мартенситное превращение

Чтобы понять феномен явления его достаточно один раз увидеть. Для эксперимента можно взять металлическую проволоку и изогнуть ее, а затем нагреть. Проволока от нагрева начинает распрямляться и затем восстанавливает свою исходную форму. Данный феномен происходит потому что при деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние в свою очередь сжимаются, при этом средние вовсе остаются неизменными. Такие вытянутые структуры называют мартенситными пластинами, которые не являются чем-то необычным для металлических сплавов. Здесь необычность проявляется в другом: в мартенсит термоупругий в материалах с памятью формы. И начинает проявляться эта термоупругость мартенситных пластин при именно при нагреве, когда появляется внутреннее напряжение, стремящееся вернуть в исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает свою исходную форму, так ка в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении. Все металлы и сплавы имеют свою кристаллическую решетку, параметры которой заданы изначально. Но может осуществляться перестройка этой кристаллической решетки в связи с изменением температуры и давления. В данном случае говорят, что происходит полиморфное превращение, то есть смена типа кристаллической решетки (происходит ее перестройка).

Полиморфное превращение может осуществляться при помощи двух способов: воздействия высоких температур, при которой подвижность атомов возрастает и мартенситного превращения. Что бы понять сущность первого способа можно представить в виде атомов детские кубики, а в виде кристаллической решетки- здание из этих кубиков-атомов. Чтобы осуществить полиморфное превращение, то есть построить из этих же кубиков, но уже другое здание необходимо просто разобрать старое и собрать новое здание. Поскольку путь каждого кубика при перестройке совершенно не связан с другими, то он может оказаться абсолютно в любом месте нового здания. Перестройка решетки по такой схеме может произойти только в случае, когда диффузия, то есть подвижность атомов достаточно высока, для того чтобы осуществить перемещение их на совершенно новые места. Однако, для того чтобы произвести перестройку кристаллической решетки, когда температура полиморфного превращения не достаточно высока, нужно применять бездиффузионный способ. При изучении закалки - одного из древнейших и основных процессов термической обработки стали был и обнаружен такой бездиффузионный способ. В результате закалки образуется фаза с новой кристаллической решеткой, то есть мартенсит. Именно поэтому второй способ смены типа кристаллической решетки (полиморфного превращения) получил название мартенситного превращения. Мартенситное превращение является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Данный способ характерен для сталей, чистых металлов, полупроводников, цветных сплавов и полимеров всегда в случае перестройки решетки при отсутствии диффузии. Если вернуться к примеру с кубиками-атомами, то в случае с мартенситным превращением особенность заключается в том, что отсутствует диффузия и поэтому старое здание невозможно просто разобрать. Здесь кубики перемещаются без разрушения межатомных связей, то есть не отрываясь друг от друга и почти одновременно из старых положений в новые. Мартенситное превращение потому иногда называют сдвиговым, что такое согласованное и коллективное перемещение носит характер сдвига. Именно кооперативный сдвиг атомов приводит к неизбежному изменению формы объема сплава, а изменение формы и является главной особенностью мартенситного превращения. С данной особенностью и связан эффект памяти сплавов, однако не все сплавы, которые претерпевают мартенситное превращение, могут обладать памятью. При мартенситном превращении изменение формы является необходимым условием, но все же недостаточным для проявления памяти. Можно выделить три основных события в истории изучения мартенситных превращений, оказавших непосредственное влияние на формировании нового направления, которое занимается изучением эффекта памяти формы в сплавах и применением данного эффекта. Первое из этих трех событий произошло в 1949 году, когда была опубликована статья Г.В. Курдюмова и Л.Г. Хандроса "О термоупругом равновесии при мартенситных превращениях" в журнале "Доклады Академии наук СССР". В данной статье описывалась особенность мартенситного превращения в медном сплаве. Она заключалась в том, что при охлаждении этого медного сплава мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве и вовсе постепенно исчезали. В данном случае, если провести аналогию с пружиной, можно сказать, что она способна останавливать рост кристалла прежде, чем разрушится сама. Подпружиненным оказывается кристалл мартенсита, что в свою очередь и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой. Получается, что если охлаждать, то граница будет смещаться в одну сторону, а если нагревать- в другую, т.е. обратную. Описанное явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле. Стоит отметить, что изменением формы сопровождается и термоупругое мартенситное превращение, только в данном случае изменение имеет обратимый характер. И именно такое превращение и обеспечивает память металлов. Второе событие относят к 1958 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе было представлено устройство двух американских ученых: Т. Рида и Д. Либермана. Основой такого устройства служил тонкий длинный стержень из золото-кадмиевого сплава. Один его конец был жестко закреплен в стойке в горизонтальном положении, а на другой вешали груз и под тяжестью он изгибался. Однако необычным было то, что когда стержень нагревали, то он выпрямлялся и спокойно поднимал груз, если же его охлаждали, то он снова становился изогнутым. Таким способом было наглядно продемонстрированно свойство памяти формы у металлов. В начале 60-х годов в Америке произошло третье ключевое событие, когда в результате поиска прочного, относительно легкого и при этом имеющего способность работать в агрессивных средах, ученые создали сплав никеля с титаном в пропорции один к одному. Данный сплав при обработке проявил свойство памяти формы, о котором даже не подозревали. Эффект памяти проявлялся очень сильно и это открывало широкие перспективы для использования такого сплава. Новый материал получил название нитинол- производное от трех слов: никель, титан и название лаборатории НОЛ. Как стало известно позже, и в данном случае свойство памяти формы основывалось на мартенситном превращении.

4. Нитинол

Сплав титана и никеля практически в равных пропорциях (45% и 55%) принято называть нитинолом или никелидом титана. Данному сплаву присущи такие свойства, как память первоначальной формы и сверхупругость.

Рис.4 Нитинол

Эффект памяти первоначальной формы нитинола выражается в способности при повышении температуры воздействия до порога фазового превращения восстанавливать деформированный профиль в исходное состояние, которое было придано нитинолу при определенной температуре.

Рис.5.Схема эффекта памяти

Сверхупругость проявляется во время перехода при нагревании из одного структурного внутреннего состояния в другое. При достижении значения фазового превращения сплав как пружина принимает первоначальный вид.

Нитинол свое название получил путем сложения названий материалов (Ni - никель и Ti - титан) и лаборатории, где он был впервые получен (nol - Naval Ordnance Laboratory). Это произошло это в 1959 году.

Свойства нитинола

Физические свойства:

· плотность нитинола - 6450 кг/м 3;

· плавление при температуре - 1300°С;

· расширение при нагревании - 6,6·10-6;

· тепловая проводимость - 18 Вт/м·град.;

· упругость (модуль) - 40000 Па;

· сверхупругость - выше стали в 20 раз;

· сопротивление электротехническое - 76 Ом;

· пластичность - высокая.

Нитинол - сплав, обладающий такими технологическими свойствами, как:

· высокая коррозионностойкость;

· высокая прочность;

· запоминание исходного состояния;

· восстановление до исходного состояния до 1 000 000 раз;

· гашение вибраций;

· допустимая деформация - 8%;

· допустимое растяжение - до 12%;

· внутреннее напряжение при восстановлении - 800 МПа;

· предел прочности- 1000 МПа;

· демпфирование - выше чугуна.

Из-за своих свойств нитинол плохо обрабатывается в холодном состоянии. Высокое значение упругости увеличивает силу трения и вызывает повышенный износ при контакте сплава с валами прокатных станов или штампов. При обработке резанием требуются высокотвердые материалы. Низкая теплопроводность препятствует отводу тепла от заготовки.

Сплав нитинол хорошо поддается обработке абразивными материалами - шлифованием, а также электроэрозионной и термической обработке. Резка из листового материала производится абразивным или лазерным способом.

К термической обработке предъявляются особые требования по причине того, что за счет нее производится регулирование температурного диапазона внутренних фазовых изменений. За образование обогащенных никелем фаз отвечает температура и продолжительность выдержки. При снижении количества молекул никеля в матрице повышается температурный предел фазовых изменений.

Способы придания соответствующих качеств нитинолу сочетают в себе холодную и термическую виды обработки. Этим же способом производится регулирование основных свойств нитинола.

Характеристика основного назначения нитинола (восстановление первоначальной формы) подразделяется на следующие типы:

- Свободное восстановление. Измененная форма при низкой температуре восстанавливается при нагревании.

- Принудительное восстановление. Процессы, протекающие внутри сплава аналогичны первому типу, но восстановление происходит при его умышленном подавлении. При этом возникают значительные внутренние напряжения.

- Пружинные. При восстановлении изделия из нитинола происходит динамическое перемещение им другого предмета.

Рис.6.Материалы с памятью формы

Производство нитинола осложнено тем, что трудно выдержать необходимые пропорции материалов, а при плавлении титан легко взаимодействует с кислородом, углеродом и азотом. При взаимодействии молекулы титана покидают кристаллическую решетку, и снижается температурный предел фазовых изменений. Для производства нитинола в настоящих условиях широко используются такие методы плавления как:

- вакуумно-дуговой;

- вакуумно-индукционный.

Плавка вакуумно-дуговым методом осуществляется в среде вакуума, за счет образования дуги при пропускании электрического тока через сырье и плиту. Тигелем служит медная форма, оснащенная водяным охлаждением, которая препятствует проникновению сторонних элементов в расплав.

Плавка вакуумно-индукционным методом осуществляется за счет изменения (индукции) электрических полей, при этом происходит нагрев сырья. Процесс протекает под вакуумом. Тигель для данного плавления изготавливается из чистого углерода, поэтому в сплаве содержание углерода повышено.

В лабораторных условиях не доказано преимущество одного метода плавки над другим.

Также применяются и другие методы плавки:

· плазменно-дуговая;

· электронно-лучевая;

· гарнисажная индукционная;

· термо-вакуумическое осаждение.

Эффект памяти

Эффект памяти формы нитинола стал возможен благодаря изменению кристаллической решетки во время полиморфного превращения из фазы аустенита в фазу мартенсита.

Рис.7.Эффект памяти нитинола

Нагретый сплав имеет исходную фазу - аустенит. При понижении температуры сплава исходная фаза самопроизвольно переходит в дочернюю фазу - мартенсит. Процесс обратимый, поэтому при нагревании холодного нитинола фазовое превращение протекает в обратной последовательности. К тому же скорость превращения занимает доли секунды.

Температурные интервалы между началом и концом фазовых изменений выражены точками Ан, Ак для аустенита и Мн, Мк для мартенсита. Температурный диапазон составляет порядка 30°С.

Рис.8.Температурные интервалы

Обладают эффектом памяти формы и другие сплавы, созданные на основе нитинола. При введении в него химических элементов как Fe, Mn, Cr, V, Ko температурный диапазон мартенситного превращения опускается до значения -190°С. Напротив Zn, No, Ta увеличивают данное значение почти до 100°С.

Применение

Благодаря своим уникальным качествам нитинол получил практическое применение во многих сферах нашей жизни:

· Космическая и авиационная отрасли:

1. антенны для искусственных спутников;

2. плотные соединения (муфты), работающие в вакууме при низких температурах;

· соединения авиационных элементов;

· Системы безопасности:

1. предохранители;

2. тепловые датчики пожарной сигнализации;

· автоматическое открывание рам для теплиц;

1. регулятор температуры;

2. бойлеры;

· Роботизация (5 степеней подвижности одного узла);

· Автомобильная отрасль:

1. датчик температуры охлаждающей жидкости;

2. включение противотуманок;

· Нефтедобывающая отрасль (автоматизированное управление);

· Медицина:

1. сетки;

2. нити;

· костные импланты;

1. штифты;

2. фиксаторы;

3. приспособления для реабилитации;

· Мода;

· Ювелирные украшения.

Заключение

В настоящее время с полной уверенностью можно говорить о создании индустрии материалов с памятью формы и ее ускоренном росте, связанном как с разработкой новых технологий получения, так и использованием материалов с памятью в различных областях техники. Это обусловлено широким спектром физико-механических свойств и связанным с ними функционально-механическим поведением, в основе которого лежат такие свойства как чувствительность, переключаемость, активация, адаптивность, память и восстановление, энергоемкость, демпфирование, преобразование энергии.

Уникальные возможности материалов с ЭПФ, связанные с проявлением эффектов памяти, уже успешно реализованы при создании ряда устройств и техники нового поколения аэрокосмического и автомобильного комплекса, в приборо- и машиностроении, электронике, медицине, биотехнологиях и т.д. Несмотря на то, что использование материалов с ЭПФ в машиностроении имеет большие перспективы, экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости самого материала использовать сплав TiNi как конструкционный материал. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении заданного уровня прочностных характеристик и функционально-механичесих свойств может быть достигнуто за счет использования поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ или малогабаритных конструктивных элементов (пластин, колец, пружин и т.д.). Создание на этой основе комбинированных деталей и конструкций с качественно новыми характеристиками является перспективным направлением.

Список литературы

Размещено на Allbest.ru