Металлы с эффектом памяти формы

В работе раскрыта тема по имеющимся на данное время металлам с памятью формы. К реферату прикрепляется хорошая презентация(см. в работах с таким же названием). Защита на отлично ...

Содержание

Введение ………………………………………………………………….……… 3
Глава 1. Механизм реализации эффекта памяти формы ……………….......... 4
1.1 Мартенситное превращение ……………………………………......…. 4
1.2 Исторические этапы ………………………………………………….. 7
1.3 Принцип эффекта …………………………………………………….. 10
1.4 Характеристики и способ получения………………………………... 13
Глава 2. Память состояния - тупиковое направление или перспектива? ... 17
2.1 Материалы с эффектом памяти формы …………………………....... 17
2.2 Области применения ……….………………………………………... 19
Заключение ………………… …………………………………………………. 25
Список литературы ……………………………………………………………. 26
Приложение ……………………………………………………………………. 27

Большинство людей привыкли видеть металлы как наиболее прочные материалы способные выдерживать большие нагрузки без изменения формы. Так же для многих людей свойственно мнение, что однажды деформированный металл уже не вернет себе прежнюю форму. Однако существует ряд металлических материалов способных возвращать себе форму после предварительной деформации - таким металлам присуще свойство памяти формы.

....


Цель данного реферата – рассмотреть сущность имеющихся материалов с эффектом памяти формы, их получение и отличительные свойства.
Задачи:
• изучить материал по данной тематике
• сформировать знания в области материалов с памятью физического состояния
• выявить области применения

В 1962 году Уильям Бюлер вместе с Фредериком Вангом открыли свойства нитинола(сплава титана и никеля обладающего высокой коррозионной и эрозионной стойкостью. Процентное содержание титана — 55 %, никеля — 45 %) в ходе исследования в военно-морской лаборатории. В процессе обработки этот сплав неожиданно проявил свойство, о существовании которого исследователи даже и не подозревали: предварительно деформированный образец при нагреве вспоминал свою первоначальную форму. Открытие в «рядовом» сплаве уникального свойства (которому именно тогда и дали название «эффект памяти») восприняли как сенсацию.Эффект проявлялся настолько сильно, что буквально захватывало дух от перспектив его использования. С другой стороны, случайность сделанного открытия не позволила сразу дать правильное объяснение природы эффекта, и это, естественно, сдерживало его широкое практическое применение. Нитинол и его замечательное свойство памяти стали объектом интенсивного изучения. Но только через несколько лет стало ясно, что и в данном случае память сплава — следствие мартенситного превращения. Под влиянием всех трех событий к концу шестидесятых годов сформировалась целая область физических исследований и технических применений эффекта памяти формы в сплавах.Принцип эффектаСуществуют сотни сплавов с мартенситным превращением. Но далеко не все из них способны вспоминать форму. А сплавов, где этот эффект проявляется настолько сильно, что может иметь практическое значение, вообще известно лишь несколько. В чем же дело?Как уже говорилось, при мартенситном превращении происходит коллективное перемещение атомов в определенном направлении, сопровождающееся самопроизвольной (мартенситной) деформацией материала. Поскольку при таком способе перестройки решетки соседство и межатомные связи подавляющего большинства атомов не нарушаются, то они сохраняют возможность вернуться на свои прежние места, а материал соответственно к исходной форме. Но это лишь возможность, и для ее реализации нужны особые условия.Обратная перестройка структуры в общем случае не обязательно должна происходить путем «попятного» движения атомов. Направлений, которые приводят к исходной архитектуре решетки, может быть несколько. Все определяется сложностью кристаллической решетки мартенсита: чем она сложней, тем меньше этих направлений. Когда решетка мартенсита настолько сложна, что вообще не предоставляет выбора, то остается только один вариант ее обратной перестройки — «попятное» движение атомов на исходные позиции. Только в этом случае мартенситное превращение обеспечивает кристаллу память исходной формы. Но память отдельного кристалла — это еще не память всего объема сплава. И вот почему. Сплав, как правило, имеет поликристаллическое строение, то есть состоит из множества отдельных кристаллитов (зерен), которые отличаются друг от друга ориентацией кристаллических решеток — словно детские кубики, беспорядочно насыпанные в коробку. Поскольку сдвиг атомов при мартенситном превращении происходит в решетке по определенным плоскостям и в определенном направлении, то в силу различной ориентации зерен сдвиги в каждом зерне будут осуществляться в самых разных направлениях. Поэтому после мартенситного превращения, несмотря на значительную деформацию отдельных кристаллов, образец в целом не испытывает заметного изменения формы.Ясно, что заметное изменение формы всего образца произойдет лишь в том случае, если создать определенный порядок в расположении кристаллов. В идеальном случае — сделать так, чтобы все они были ориентированы в одном направлении. Внешняя нагрузка есть та управляющая сила, которая при мартенситном превращении организует преимущественную ориентировку кристаллов.Как это происходит? В момент перехода при охлаждении, когда атомы должны покинуть свои старые места и занять новые, из всех возможных направлений они выберут только такие, которые совпадают с направлением действия внешней силы. Это естественно, поскольку в противном случае атомам пришлось бы совершать дополнительную работу против внешней нагрузки, что с энергетической точки зрения явно невыгодно. Итак, процесс мартенситного превращения заставляет атомы покинуть свои позиции и отправиться в путь, а внешняя нагрузка задает направление движения.В результате такого организованного движения атомов образец в целом испытывает деформацию в направлении действия внешней силы. При охлаждении стержень изгибается в направлении действия груза. При нагреве, когда атомы вынуждены возвращаться на исходные позиции, происходит восстановление первоначальной формы, даже против действия внешней силы (груза), так как других направлений движения у атомов, кроме обратного, попросту нет. Интересно, что внешняя нагрузка может управлять движением атомов не только в процессе самого мартенситного превращения, но и после его завершения. Она способна в этом случае изменить уже сложившуюся ситуацию с хаотически ориентированными кристаллами мартенсита. Под действием нагрузки увеличивается число кристаллов с мартенситной деформацией, совпадающей по направлению с приложенным усилием. Процесс развивается до тех пор, пока все кристаллы не выстроятся, и образец в целом не продеформируется в направлении действия силы. Подчеркнем еще раз, что это происходит без разрыва межатомных связей и нарушения соседства атомов. Поэтому при нагреве они возвращаются на свои исходные позиции, восстанавливая первоначальную форму всего объема материала.В данном случае внешняя нагрузка действует на мартенситные кристаллы, подобно магниту на железные опилки, которые выстраиваются в магнитном поле в строго определенном порядке. Таковы механизмы, благодаря которым реализуемся эффект памяти формы, основанный на термоупругом равновесии фаз и управляющем действии нагрузки.Оказывается, можно «обучить» сплав запоминать две формы и без всякого постоянно действующего источника внешней силы. Идея такого способа предложена советскими учеными и признана изобретением (авторское свидетельство № 501113). Сущность его состоит в специальной термомеханической обработке сплава, создающей внутри материала микронапряжения, действие которых на атомы при мартенситных переходах аналогично действию внешней нагрузки. В результате сплав при охлаждении самопроизвольно принимает одну форму, при нагреве возвращается к исходной и т. д. Например, можно «обучить» пластину сворачиваться в кольцо при охлаждении, а при нагреве разворачиваться, или наоборот.Часто у материалов с памятью формы наблюдается другое необычное свойство — сверхэластичность (резиноподобное поведение). Этот эффект проявляется в том случае, если мартенситное превращение вызывается не охлаждением, а приложением внешней нагрузки. Тогда превращение и «наведение порядка» в расположении кристаллов происходят одновременно. В результате наблюдается значительная деформация сплава, которая исчезает при разгрузке. При этом величина обратимой деформации раз в десять выше, чем у лучших пружинных материалов. Использование таких сплавов открывает новые возможности создания высокоэффективных пружинных амортизаторов, аккумуляторов механической энергии и т. д.Еще одна особенность сплавов с памятью: высокая циклическая прочность, то есть способность выдерживать большие знакопеременные нагрузки без разрушения. Особенно эффективно использование таких материалов при значительных деформациях. В этом случае «долговечность» изделий из сплавов с памятью может быть в тысячи раз больше, чем изделий из традиционных материалов. Вспомним, например, как быстро разрушается любая проволока, когда подвергается гибу-перегибу в одном месте. Сплавы с памятью в принципе могут выдержать любое число таких циклов.Циклическая стойкость обеспечивается все тем же особым механизмом мартенситного превращения, которое не сопровождается нарушением соседства атомов и разрушением межатомных связей, а следовательно, не происходит и накопления дефектов структуры, которые в конечном счете приводят к образованию трещин и разрушению обычных сплавов.Наконец, еще об одном свойстве сплавов с памятью. Оказалось, что им присуща высокая способность рассеивать механическую энергию. Это связано с тем, что при мартенситных превращениях перестройка кристаллической решетки сопровождается выделением или поглощением тепла. Поэтому если внешняя нагрузка вызывает мартенситное превращение, то происходит интенсивный  переход механической энергии в тепло. Кстати, при эффектах памяти наблюдается обратный процесс: превращение тепла в работу.1.4 Характеристики и способ полученияХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВКак уже говорилось ранее, механизмом, определяющим свойства “ памяти формы ”, является обратимое термоупругое мартенситное превращение, сопровождающеся изменением объема, которое носит обратный характер, обеспечивая память.Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.1.Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом.2.Температурами мартенситных превращений.В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют мартенситные превращения двух видов — прямое и обратное. Соответственно, каждое из них проявляется в своем температурном интервале: МН и МК — начало и конец прямого мартенситного превращения при деформации, АН и АК — начало и конец обратного мартенситного превращения при нагреве.Отсюда следует необходимость строгой выдержки химического состава сплава для однозначного функционального проявления эффекта памяти формы, что переводит металлургическое производство в сферу высоких технологий.Эффект памяти формы проявляется несколько миллионов циклов; его можно усиливать предварительными термообработками.Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда материал при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВСплавы с памятью формы получаются путем сплавления индивидуальных компонентов. Расплав быстро охлаждают и проводят высокотемпературную обработку. Предложен целый класс композиционных материалов «биокерамика - никелид титана» для медицины. В таких материалах одна составляющая (никелид титана) обладает памятью формы и сверхэластичностью, а другая – сохраняет свойства биокерамики. В качестве керамической составляющей наиболее часто используется фарфор, который широко используется в ортопедической стоматологии и является хрупким материалом. Для изготовления таких образцов используют порошки никелида титана и фарфоровой массы, которые после смешивания и просушивания спекают в вакууме.Мартенситное превращение в сплавах на основе NiTi является атермическим процессом, скорость которого целиком определяется скоростью изменения температуры вблизи термодинамического равновесия фаз. Поэтому все специфические механические эффекты в NiTi, сопровождающие мартенситное превращение, такие как память формы, пластичность превращения, могут быть реализованы за очень малые времена при соответствующих режимах нагрева и охлаждения. В быстродействующих устройствах для ускорения обменом теплом с теплоагентом (жидким или газообразным) используют тонкомерную ленту, проволоку и трубы с микронными линейными размерами в сечении. В этом случае большое значение приобретает состояние свободной поверхности сплава. Поскольку даже небольшие вариации состава приводят к изменению температурной кинетики и полноты превращения, то сегрегация элементов и окисление поверхности существенно изменяют и специальные свойства материала. Особую важность указанное обстоятельство приобретает вследствие необходимости предварительной термической или термомеханической обработки материала. СТРУКТРА И СВОЙСТВА СПЛАВОВНа сегодняшний день известно уже более десятка сплавов с памятью формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых остается самым распространенным. В них четко выражен эффект памяти формы, причем диапазон температур можно с хорошей точностью регулировать, вводя в сплав различные примеси.Экспериментальные исследования показали, что сплавы на основе никелида титана радикальным образом отличаются от других материалов, физические свойства которых максимально приближают их к тканям организма, благодаря чему конструкции из сплавов на основе никелида титана (TiNiMo) способны длительно функционировать без каких-либо изменений. Исследования, проведенные к настоящему времени, показали, что эти сплавы не токсичны, не вызывают канцерогенного действия на окружающие ткани, имеют высокую коррозийную стойкость в тканях живого организма и высокую степень биологической совместимости.Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект “ памяти формы ” в соединении NiTi может повторяться в течение многих циклов.Свойства мононикелида титана: · высокая прочность: sт=300¸500 МПа; sв=770¸1100 МПа;· пластичность: d=10¸15%;· коррозионная и кавитационная стойкость и демпфирующая способность (хорошо поглощает шум и вибрацию).Кристаллическая решетка нитинола может находиться в одной из двух форм: либо в виде объемно-центрированного куба (ОЦК), такое состояние решетки называется аустенитной формой; либо в виде ромбовидной структуры с центрированными гранями (РГЦ) — мартенситная форма. Переход объемно-центрированного куба в гранецентрированный ромб называется прямым мартенситным превращением, а переход структуры РГЦ в структуру ОЦК — обратным мартенситным превращением. На превращениях этих двух различных кристаллических структур и основано явление эффекта запоминания формы. Его называют также термоупругим мартенситным превращением, или переходом мартенсит—аустенит и обратно.Псевдоупругость — это способность материала с ЭПФ пластически деформироваться при определенных условиях и восстанавливать деформацию при снятии внешней деформирующей нагрузки, как показано на рис. 1Рис. 1 Псевдоупругое механическое поведение на основе сплава TiNiНа участке АВ пластическая деформация обусловлена протеканием реакции «аустенит мартенсит», инициируемой механическим нагружением. Наведенный в данных условиях мартенсит термодинамически неустойчив и при снятии нагрузки превращается в аустенит, что сопровождается исчезновением пластической деформации (участок ВС).Значение псевдоупругой деформации может составлять для разных сплавов от 2 до 8 %, что позволяет изготавливать из сплавов с ЭПФ упругие элементы с существенно более высокими деформационными способностями (например, суперпружины).Эффект псевдоупругости может реализовываться и при других условиях деформирования, например при Т < Мк, с задействованием других механизмов обратимой деформации. Однако внешнее его проявление аналогично рассмотренному.Обратимая деформация. У многих материалов в процессе термоциклирования в ненагруженном состоянии через интервалы прямого и обратного мартенситных превращений при охлаждении деформация накапливается (1), а при нагреве (2) восстанавливается (рис. 2).Рис. 2. Накопление (1) деформации при охлаждении и ее восстановление (2) при нагреве в сплаве с ЭПФ в ненагруженном состоянии после предварительного термоциклирования под нагрузкой через интервал Мк–АкЭто свойство называют обратимой (двусторонней) памятью формы (ОПФ), которое имеет способность не исчезать практически после любого числа теплосмен. Данный эффект может быть инициирован только за счет деформационного воздействия на металл: во-первых, активным пластическим деформированием мартенсита или аустенита в изотермических условиях; во-вторых, термоциклированием материала под нагрузкой через интервал фазовых превращений.Рис. 3 Деформация решетки при обратимом превращении В2-аустенита ↔ В19-мартенсита в никелиде титанаЭффект обратимой памяти формы резко расширяет возможности применения сплавов с ЭПФ в приборах и конструкциях многократного циклического действия. Глава 2. Память состояния - тупиковое направление или перспектива?2.1 Материалы с эффектом памяти формыСреди всех известных материалов с памятью формы наиболее перспективен для техники нитинол. Именно его чаще всего используют в приборах и устройствах разного назначения. Этому способствует не только отличная его память, но и целый комплекс других полезных свойств: высокая коррозионная стойкость, значительная прочность, технологичность. Никелид титана (нитинол)Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана.Никелид титана — это  HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D0%B4" \o "Интерметаллид" интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас.%Ni. Температура плавления 1240—1310˚C, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура никелида титанастабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.Другое название этого сплава, принятое за рубежом, — нитинол происходит от аббревиатуры NiTiNOL, где NOL — это сокращенное название Лаборатории морской артиллерии США, где этот материал был разработан в 1962 году. Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма. При современном уровне промышленного производства изделия из никелида титана (наряду со сплавами системы Cu-Zn-Al) нашли широкое практическое применение и рыночныйсбытДругие сплавыНа конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана эффект памяти формы обнаружен в системах:Au-Cd. Разработан в 1951 году в Иллинойском университете, США. Один из пионеров материалов с памятью формы.Cu-Zn-Al. (Нейзильбер) Наряду с никелидом титана имеет практическое применение. Температуры мартенситных превращений в интервале от −170 до 100˚C. Применяется в промышленности для изготовления деталей точных приборов, медицинских инструментов, паровой и водяной арматуры, ладов для гитар, а также для изготовления государственных наград (орденов и медалей) и ювелирных изделий (в последнее время чаще используют именно нейзильбер, хотя «по инерции» такие сплавы обычно именуют мельхиором, — он некогда широко применялся). Так же, как и мельхиор, нейзильбер похож на серебро, но ещё дешевлеCu-Al-Ni. (Куниаль) Разработан в университете города Осака, Япония. Температуры мартенситных превращения в интервале от 100 до 200˚C.Fe-Mn-Si. Сплавы этой системы наиболее дешевые.Fe-NiCu-AlCu-MnCo-NiNi-Alи др.Некоторые исследователи полагают, что эффект памяти формы принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситные превращения, в том числе и у таких чистых металлов как титан, цирконий и кобальт.Сравнительная характеристика распространённых сплавовДля анализа были взята 2 самых распространенных сплава Никелид титана (патент №:2259415) и (Cu-Zn-Al) Нейзильбер (патент EP1436437 A2) см. приложениеНикелид титанаНейзильбер 1.Превосходной коррозионной стойкостью.2.Высокой прочностью.3.Хорошими характеристиками формозапоминания. Высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила. Деформация до 8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа.4.Хорошая совместимость с живыми организмами.5.Высокая демпфирующая способность материала.Недостатки:1.Из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве надо использовать вакуумное оборудование.2.Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием. (Оборотная сторона высокой прочности).3.Высокая цена. В конце XX века он стоил чуть дешевле серебра.Преимущества (по сравнению с никелидом титана):•Можно выплавлять в обычной атмосфере.•Легко обрабатывается резанием.