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?
- Je tam kovový drát .
- Tento drát je ohnutý.
- Začneme zahřívat drát.
- Při zahřátí se drát narovná a obnoví svůj původní tvar.
Podstata jevu
Proč se tohle děje? (Viz obr. 2)
- Ve výchozím stavu má materiál určitou strukturu. Na obrázku je to označeno pravidelnými čtverečky .
- 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.
- 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.
- 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.
- Značka slitiny s přísně konzistentním chemickým složením.
- 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:
- velmi vysoká odolnost proti korozi ;
- vysoká pevnost ;
- dobré vlastnosti tvarové paměti; vysoký poměr obnovy tvaru a vysoká obnovovací síla ; deformace až do 8% může být plně obnovena; zotavovací napětí v tomto případě může dosáhnout 800 MPa;
- dobrá biologická kompatibilita;
- vysoká tlumicí schopnost.
Nevýhody materiálu zahrnují špatnou vyrobitelnost a vysokou cenu:
- díky přítomnosti titanu slitina snadno váže dusík a kyslík , aby se zabránilo oxidaci během výroby, je nutné použít vakuum;
- odvrácenou stranou vysoké pevnosti je obtížnost zpracování při výrobě dílů, zejména řezání;
- na konci 20. století nebyl nikl titanu o mnoho levnější než stříbro .
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:
- Au-Cd - vyvinuto v roce 1951 na University of Illinois ( USA ); jeden z průkopníků materiálů s tvarovou pamětí;
- Cu-Zn-Al - spolu s niklidem titanu má praktické využití; teploty martenzitických přeměn v rozsahu od −170 do 100 ˚C; ve srovnání s titanniklidem nepodléhá rychlé oxidaci na vzduchu, snadno se zpracovává a je pětkrát levnější, ale horší v mechanických (kvůli hrubnutí zrna při tepelném zpracování), antikorozních a technologických vlastnostech (problémy se stabilizací zrna v práškové metalurgii ), charakteristiky tvarové paměti;
- Cu-Al-Ni - vyvinutý na univerzitě v Osace ( Japonsko ); teploty martenzitické transformace v rozsahu od 100 do 200 ˚C;
- Fe-Mn-Si jsou nejlevnější slitiny tohoto systému;
- Fe-Ni;
- Cu-Al;
- Cu-Mn;
- Co-Ni;
- Ni-Al.
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):
- Rukáv v původním stavu při teplotě 20 ˚C.
- Průchodka je umístěna v kryostatu , kde se při teplotě −196 ˚C vnitřní výčnělky rozšíří pístem .
- Studený rukáv se zevnitř vyhladí.
- Objímka se z kryostatu vyjme speciálními kleštěmi a nasadí se na konce spojovaných trubek .
- 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
- Focusu Boro (Japonsko) používá nikl titanu v mechanikách rekordéru . Vstupní signál rekordéru je přeměněn na elektrický proud, který zahřívá titanový niklový drát. Díky prodlužování a zkracování drátu se pero zobcové flétny uvádí do pohybu. Od roku 1972 bylo vyrobeno několik milionů takových jednotek (údaje z konce 20. století). Protože je hnací mechanismus velmi jednoduchý, poruchy jsou extrémně vzácné.
- Elektronický sporák konvekční typ. Titanový niklový senzor slouží ke spínání ventilace při mikrovlnném ohřevu a cirkulačním horkovzdušném ohřevu.
- Snímací ventil pro pokojovou klimatizaci . Nastavuje směr větru ve výstupu vzduchu z klimatizace pro chlazení a topení.
- Kávovar . Detekce teploty varu , stejně jako pro on-off ventily a spínače.
- Elektromagnetický kuchyňský robot. Indukční ohřev je produkován vířivými proudy , které vznikají na dně pánve pod vlivem magnetických polí . Aby nedošlo k popálení, objeví se signál, který je aktivován prvkem v podobě cívky niklu titanu.
- Elektronická skladovací sušička. Ovládá klapky při regeneraci dehydratačního činidla.
- Počátkem roku 1985 se na trh začaly s úspěchem dostávat slitiny s tvarovou pamětí používané k výrobě podprsenkových rámů . Kovový rám ve spodní části košíčků je vyroben z titanového niklového drátu. Zde se využívá vlastnosti superelasticity. Zároveň není cítit přítomnost drátu, dojem měkkosti a pružnosti. Při deformaci (při praní) snadno obnoví svůj tvar. Prodej - 1 milion kusů ročně. Jedná se o jednu z prvních praktických aplikací materiálů s tvarovou pamětí.
- Výroba různých upínacích nástrojů .
- Těsnění pouzder mikroobvodů .
- Vysoká účinnost přeměny práce na teplo při martenzitických přeměnách (v niklidu titanu) naznačuje použití takových materiálů nejen jako vysoce tlumících materiálů, ale také jako pracovní kapaliny chladniček a tepelných čerpadel .
- Vlastnost superelasticity se využívá k vytváření vysoce účinných pružin a akumulátorů mechanické energie.
- Efektu tvarové paměti se využívá i při výrobě šperků, například u šperků v podobě květiny, kdy se při zahřátí dotykem těla otevřou okvětní lístky květiny a odhalí drahokam ukrytý uvnitř.
- Efekt tvarové paměti využívají i iluzionisté například v triku se zahnutým hřebíkem, který se sám narovná v rukou kouzelníka nebo některého z diváků.
Viz také
Poznámky
- ↑ Bojko, 1991 , str. 160.
Literatura
- Likhachev V. A., Kuzmin S. L., Kamentseva Z. P. Efekt tvarové paměti. - L . : Nakladatelství Leningradské státní univerzity, 1987.
- Tikhonov A. S., Gerasimov A. P., Prokhorova I. I. Aplikace efektu tvarové paměti v moderním strojírenství. - M .: Mashinostroenie, 1981. - 81 s.
- Likhachev V. A., Malinin V. G. Strukturně-analytická teorie pevnosti. -. - Petrohrad:: Nauka, 1993. - 441 s. — ISBN 5-02-024754-6 .
- V. N. Chachin. Tvarová paměť. - M. : Knowledge, 1984. - 64 s. — („Znalosti“, „Fyzika“.).
- Ootsuka K., Shimizu K., Suzuki Y. Slitiny s tvarovou pamětí: Per. z japonštiny / Ed. H. Funakubo. M.: Hutnictví, 1990. - 224 s.
- S. V. Shishkin, N. A. Makhutov. Výpočet a návrh nosných konstrukcí na slitinách s efektem tvarové paměti. - Iževsk: Vědecké a vydavatelské centrum "Pravidelná a chaotická dynamika", 2007. - 412 s. - ISBN 978-5-93972-596-5 .
- Malygin G. A. Rozmazané martenzitické přechody a plasticita krystalů s efektem tvarové paměti // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2001, v. 171, no. 187-212.
- Vasiliev A. N. , Buchelnikov V. D. , Takagi T. , Khovailo V. V. , Estrin E. I. Feromagnetika s tvarovou pamětí // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, v. 173, č. 6, s. 577-608.
- Kagan M. Yu. , Klaptsov A. V. , Brodsky I. V. , Kugel K. I. , Sboychakov A. O. , Rakhmanov A. L. Malá fázová separace a transport elektronů v manganitech // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, vol. 873, p no. 877-883.
- Buchelnikov V. D. , Vasiliev A. N. , Koledov V. V. , Taskaev S. V. , Khovailo V. V. , Shavrov V. G. Magnetické slitiny s tvarovou pamětí: fázové přechody a funkční vlastnosti // Uspekhi fizicheskikh Nauk , 2006, vol. 176, p. no. 900-906.
- Voronov V. K. , Podoplelov A. V. Fyzika na přelomu tisíciletí: kondenzovaný stav, 2. vyd., M.: LKI, 2012, 336 stran, ISBN 978-5-382-01365-7
- Boiko V. S., Garber R. I., Kosevich A. M. Reverzibilní plasticita krystalů. — M .: Nauka, 1991. — 280 s.
- Zaimovsky V. A., Kolupaeva T. L. Neobvyklé vlastnosti běžných materiálů. — M .: Nauka, 1984.
Odkazy