Според общоприетото мнение, металите са най-издръжливите и устойчиви материали. Въпреки това, има сплави, които могат да възстановят формата си след деформация, без да прилагат външно натоварване. Те се характеризират и с други уникални физични и механични свойства, които ги отличават от структурните материали.
Същност на феномена
Ефектът на паметта на формата на сплавите е, че предварително деформираният метал се възстановява спонтанно в резултат на нагряване или просто след разтоварване. Тези необичайни свойства са забелязани от учените още през 50-те години на миналия век. 20-ти век Още тогава това явление се свързва с мартензитни трансформации в кристалната решетка, по време на които има подредено движение на атомите.
Мартензитните материали с памет на формата са термоеластични. Тази структура се състои от кристали под формата на тънки плочи, които са опънати във външните слоеве и компресирани във вътрешните. "Носители" на деформация са междуфазни, двойни и междукристални граници. След нагряване на деформиранитесплав, се появяват вътрешни напрежения, които се опитват да върнат метала в първоначалната му форма.
Естеството на спонтанното възстановяване зависи от механизма на предишното излагане и температурните условия, при които е протекло. Най-голям интерес представлява множествената цикличност, която може да възлиза на няколко милиона деформации.
Металите и сплавите с ефект на памет на формата имат още едно уникално свойство - нелинейна зависимост на физико-механичните характеристики на материала от температурата.
Разновидности
Процесът по-горе може да приеме няколко форми:
- суперпластичност (супереластичност), при която кристалната структура на метала може да издържи на деформации, които значително надвишават границата на провлачване в нормално състояние;
- единична и обратима памет на формата (в последния случай ефектът се възпроизвежда многократно по време на термично циклиране);
- пластичност на предната и обратната трансформация (натрупване на напрежение по време на охлаждане и нагряване, съответно, при преминаване през мартензитна трансформация);
- реверсивна памет: при нагряване първо се възстановява една деформация, а след това, с по-нататъшно повишаване на температурата, друга;
- ориентирана трансформация (натрупване на деформации след отстраняване на товара);
- псевдоеластичност - възстановяване на нееластични деформации от еластични стойности в диапазона от 1-30%.
Връщане към първоначалното състояние за метали с ефектапаметта на формата може да бъде толкова интензивна, че да не може да бъде потисната от сила, близка до якостта на опън.
Материали
Сред сплавите с такива свойства най-разпространени са титаниево-никел (49–57% Ni и 38–50% Ti). Те имат добро представяне:
- висока якост и устойчивост на корозия;
- значителен фактор на възстановяване;
- голяма стойност на вътрешното напрежение при връщане в изходно състояние (до 800 MPa);
- добра съвместимост с биологични структури;
- ефективно поглъщане на вибрациите.
В допълнение към титанов никелид (или нитинол), се използват и други сплави:
- двукомпонентни - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- трикомпонентни - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Си и други.
Легиращите добавки могат значително да изместят температурата на мартензитно преобразуване, засягайки свойствата на редукция.
Индустриална употреба
Прилагането на ефекта на паметта на формата позволява решаване на много технически проблеми:
- създаване на стегнати тръбни сглобки, подобни на метода на разширяване (фланцови връзки, самозатягащи се скоби и съединители);
- производство на затягащи инструменти, грайфери, тласкачи;
- дизайн"суперпружини" и акумулатори на механична енергия, стъпкови двигатели;
- създаване на фуги от различни материали (метал-неметал) или на труднодостъпни места, когато заваряването или запояването стане невъзможно;
- производство на захранващи елементи за многократна употреба;
- запечатване на корпуса на микросхеми, гнезда за тяхното свързване;
- производство на температурни контролери и сензори в различни устройства (пожарни аларми, предпазители, клапани на топлинните двигатели и други).
Създаването на такива устройства за космическата индустрия (саморазгръщащи се антени и слънчеви панели, телескопични устройства, инструменти за монтажни работи в космоса, задвижвания на въртящи се механизми - кормила, щори, люкове, манипулатори) има големи перспективи. Предимството им е липсата на импулсни натоварвания, които нарушават пространственото положение в пространството.
Прилагане на сплави с памет на формата в медицината
В медицинските материали, метали с тези свойства се използват за направата на технологични устройства като:
- стъпкови двигатели за разтягане на костите, изправяне на гръбначния стълб;
- филтри за кръвни заместители;
- устройства за фиксиране на фрактури;
- ортопедични уреди;
- скоби за вени и артерии;
- части за помпа за изкуствено сърце или бъбрек;
- стенти и ендопротези за имплантиране в кръвоносни съдове;
- ортодонтски проводници за коригиране на съзъбието.
Недостатъци и перспективи
Въпреки големия си потенциал, сплавите с памет на формата имат недостатъци, които ограничават тяхното широко разпространение:
- скъпи химически компоненти;
- сложна производствена технология, необходимост от използване на вакуумно оборудване (за да се избегне включването на азотни и кислородни примеси);
- фазова нестабилност;
- ниска обработваемост на металите;
- трудности при точното моделиране на поведението на конструкции и производствени сплави с желаните характеристики;
- стареене, умора и разграждане на сплавите.
Обещаваща посока в развитието на тази област на технологиите е създаването на покрития от метали с ефект на памет на формата, както и производството на такива сплави на базата на желязо. Композитните структури ще позволят комбиниране на свойствата на два или повече материала в едно техническо решение.
