Efekt tvarové paměti

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 20. června 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Efekt tvarové paměti  je jev návratu do původního tvaru při zahřátí , který je pozorován u některých materiálů po předběžné deformaci.

Úvod

Jedním ze základních vnímání jevů vnějšího světa lidmi  je odolnost a spolehlivost kovových výrobků a konstrukcí, které si dlouhodobě stabilně zachovávají svou funkční formu , pokud ovšem nejsou vystaveny nadkritickým vlivům.

Existuje však řada materiálů , kovových slitin , které po zahřátí po předběžné deformaci vykazují jev návratu do původního tvaru.

Fenomén

K pochopení efektu tvarové paměti stačí jednou vidět jeho projev (viz obr. 1). Co se děje?

  1. Je tam kovový drát .
  2. Tento drát je ohnutý.
  3. Začneme zahřívat drát.
  4. Při zahřátí se drát narovná a obnoví svůj původní tvar.

Podstata jevu

Proč se tohle děje? (Viz obr. 2)

  1. Ve výchozím stavu má materiál určitou strukturu. Na obrázku je to označeno pravidelnými čtverečky .
  2. Při deformaci (v tomto případě ohybu ) se vnější vrstvy materiálu natahují a vnitřní stlačují (střední zůstávají nezměněny). Tyto podlouhlé struktury jsou martenzitické plechy, což není u kovových slitin neobvyklé. V materiálech s tvarovou pamětí je martenzit neobvykle termoelastický.
  3. Při zahřátí se začíná projevovat termoelasticita martenzitových desek, to znamená, že v nich vznikají vnitřní pnutí , která mají tendenci vracet konstrukci do původního stavu, tedy stlačovat podlouhlé desky a roztahovat zploštělé.
  4. Vzhledem k tomu, že vnější podlouhlé desky jsou stlačeny a vnitřní zploštělé jsou roztaženy, materiál jako celek prochází autodeformací v opačném směru a obnovuje svou původní strukturu a tím i svůj tvar.

Charakteristika efektu tvarové paměti

Efekt tvarové paměti je charakterizován dvěma veličinami.

  1. Značka slitiny s přísně konzistentním chemickým složením.
  2. Teploty martenzitických přeměn .

V procesu projevu efektu tvarové paměti se uplatňují martenzitické přeměny dvou typů – přímé a reverzní. V souladu s tím se každý z nich projevuje ve svém vlastním teplotním rozsahu: MH a M K  - začátek a konec přímé martenzitické přeměny při ochlazení, A H a AK  - začátek a konec zpětné přeměny martenzitu při ohřevu.

Teploty martenzitické transformace jsou funkcí jak třídy slitiny (systému slitiny), tak jejího chemického složení . Malé změny v chemickém složení slitiny (úmyslné nebo v důsledku sňatku ) vedou k posunu těchto teplot (viz obr. 4).

Z toho vyplývá nutnost přísného dodržování chemického složení slitiny pro jednoznačný funkční projev efektu tvarové paměti, který převádí hutní výrobu do sféry špičkových technologií .

Efekt tvarové paměti se projevuje v několika milionech cyklů ; může být zpevněna předběžnými tepelnými úpravami .

Jsou možné reverzibilní efekty tvarové paměti, kdy si materiál při jedné teplotě „pamatuje“ jeden tvar a při jiné teplotě jiný.

Čím vyšší je teplota reverzní martenzitické transformace, tím méně výrazný je efekt tvarové paměti. Například slabý efekt tvarové paměti je pozorován u slitin systému Fe–Ni (5–20 % Ni), ve kterých jsou teploty reverzní martenzitické transformace 200–400 ˚C.

Z funkčních vlastností tvarové paměti má velký teoretický i praktický význam fenomén tzv. orientované transformační deformace. Význam tohoto dědičného jevu je následující. Pokud je těleso chlazené pod napětím odlehčeno v oblasti teplot, kde se realizuje plasticita přímé martenzitické přeměny a pokles teploty se nezastaví, další ochlazování ne vždy způsobí makroskopickou deformaci. Naopak nejčastěji se deformace dále hromadí, jako by materiál nebyl téměř vyložen. V ostatních případech dochází k intenzivnímu návratu chlazení. Takové vlastnosti, z nichž první se běžně nazývá deformace orientované transformace, druhá - anomální návrat deformace, jsou spojeny s růstem krystalů martenzitu vzniklých pod zatížením - v případě deformace orientované transformace krystaly pozitivní orientace, a v případ anomálního návratu - negativní orientace. Tyto jevy mohou být iniciovány zejména orientovanými mikronapětími.

Superelasticita

Dalším jevem úzce souvisejícím s efektem tvarové paměti je superelasticita - vlastnost materiálu vystaveného namáhání namáháním výrazně převyšujícím mez kluzu , po odstranění zatížení zcela obnovit svůj původní tvar [1] . Superelasticita je pozorována v teplotním rozsahu mezi začátkem přímé martenzitické přeměny a koncem zpětné.

Materiály tvarové paměti

Nikelid titanu

Lídrem mezi materiály s tvarovou pamětí z hlediska aplikace a studia je titan-niklid ( nitinol ), intermetalická sloučenina ekviatomického složení s 55 % Ni (hmot.). Teplota tání - 1240-1310 ˚C, hustota - 6,45 g / cm³. Počáteční struktura niklidu titanu, stabilní tělesně centrovaná kubická mřížka typu CsCl, prochází během deformace termoelastickou martenzitickou transformací za vzniku fáze s nízkou symetrií .

Prvek vyrobený z niklu titanu může plnit funkci senzoru i aktuátoru .

Nikelid titanu má následující vlastnosti:

Nevýhody materiálu zahrnují špatnou vyrobitelnost a vysokou cenu:

Na současné úrovni průmyslové výroby našly výrobky z niklu titanu (spolu se slitinami systému Cu-Zn-Al) široké praktické uplatnění a odbyt na trhu.

Ostatní slitiny

Na konci 20. století byl efekt tvarové paměti zjištěn u více než 20 slitin. Kromě niklu titanu se efekt tvarové paměti vyskytuje v následujících systémech:

Někteří badatelé[ kdo? ] věří, že efekt tvarové paměti je v zásadě možný u všech materiálů procházejících martenzitickou transformací, včetně takových čistých kovů, jako je titan , zirkonium a kobalt .

Výroba niklu titanu

Tavení se provádí ve vakuové lebkové nebo elektrické obloukové peci s tavnou elektrodou v ochranné atmosféře ( helium nebo argon ). Vsázka je v obou případech jodid titanová nebo titanová houba lisovaná do briket a nikl H-0 nebo H-1. Pro získání jednotného chemického složení po průřezu a výšce ingotu se doporučuje dvojité nebo trojité přetavení. Při tavení v obloukové peci se doporučuje proud 1,2 kA, napětí 40 V a tlak helia 53 MPa. Optimální režim chlazení pro ingoty, aby se zabránilo praskání, je chlazení v peci (ne více než 10 ˚C/s). Odstranění povrchových vad - loupání smirkovým kotoučem. Pro úplnější vyrovnání chemického složení v celém objemu ingotu se homogenizace provádí při teplotě 950–1000 ˚C v inertní atmosféře.

Aplikace materiálů s efektem tvarové paměti

Titan-niklové spojky

Pouzdro bylo poprvé vyvinuto a představeno společností Raychem Corporation (USA) pro připojení potrubí hydraulického systému vojenských letadel . Ve stíhačce je více než 300 000 takových spojení , ale nikdy nebyly hlášeny jejich poruchy. . Vzhled spojovací objímky je na Obr. 5. Jeho funkčními prvky jsou vnitřní výstupky.

Použití takových pouzder je následující (viz obr. 6):

  1. Rukáv v původním stavu při teplotě 20 ˚C.
  2. Průchodka je umístěna v kryostatu , kde se při teplotě −196 ˚C vnitřní výčnělky rozšíří pístem .
  3. Studený rukáv se zevnitř vyhladí.
  4. Objímka se z kryostatu vyjme speciálními kleštěmi a nasadí se na konce spojovaných trubek .
  5. Pokojová teplota je teplota ohřevu pro dané složení slitiny, při zahřátí se vše děje automaticky: vnitřní výstupky obnoví svůj původní tvar, narovnají se a zaříznou do vnějšího povrchu spojovaných trubek.

Ukazuje se silné vakuově těsné spojení, které vydrží tlaky až 800 atm. Ve skutečnosti tento typ spojení nahrazuje svařování . A zabraňuje takovým nedostatkům svaru , jako je nevyhnutelné měknutí kovu a hromadění defektů v přechodové zóně mezi kovem a svarem.

Tento způsob spojení je navíc dobrý pro konečné spojení při sestavování konstrukce, kdy se svařování stává obtížně přístupným kvůli prolínání uzlů a potrubí. Tato pouzdra se používají v letectví, kosmonautice a automobilovém průmyslu . Tato metoda se také používá pro spojování a opravy podmořských kabelových trubek.

V lékařství

Tepelný alarm

Další použití

Viz také

Poznámky

  1. Bojko, 1991 , str. 160.

Literatura

Odkazy