Volgens de conventionele wijsheid zijn metalen de meest duurzame en resistente materialen. Er zijn echter legeringen die hun vorm kunnen herstellen na vervorming zonder een externe belasting uit te oefenen. Ze worden ook gekenmerkt door andere unieke fysieke en mechanische eigenschappen die ze onderscheiden van structurele materialen.
Essentie van het fenomeen
Het vormgeheugeneffect van legeringen is dat een voorvervormd metaal spontaan herstelt als gevolg van verwarming of gewoon na het lossen. Deze ongebruikelijke eigenschappen werden al in de jaren vijftig door wetenschappers opgemerkt. 20ste eeuw Zelfs toen werd dit fenomeen geassocieerd met martensitische transformaties in het kristalrooster, waarbij er een geordende beweging van atomen is.
Martensiet in materialen met vormgeheugen is thermo-elastisch. Deze structuur bestaat uit kristallen in de vorm van dunne platen, die in de buitenste lagen worden uitgerekt en in de binnenste worden samengeperst. De "dragers" van vervorming zijn interfase-, tweeling- en interkristallietgrenzen. Na het verwarmen van de vervormdelegering, verschijnen er interne spanningen, die proberen het metaal in zijn oorspronkelijke vorm terug te brengen.
De aard van spontaan herstel hangt af van het mechanisme van de vorige blootstelling en de temperatuuromstandigheden waaronder deze plaatsvond. Van het grootste belang is de meervoudige cycliciteit, die kan oplopen tot enkele miljoenen vervormingen.
Metalen en legeringen met een vormgeheugeneffect hebben nog een unieke eigenschap: een niet-lineaire afhankelijkheid van de fysieke en mechanische eigenschappen van het materiaal van de temperatuur.
Rassen
Het bovenstaande proces kan verschillende vormen aannemen:
- superplasticiteit (superelasticiteit), waarbij de kristalstructuur van het metaal vervormingen kan weerstaan die de vloeigrens in de normale toestand aanzienlijk overschrijden;
- enkelvoudig en omkeerbaar vormgeheugen (in het laatste geval wordt het effect herhaaldelijk gereproduceerd tijdens thermische cycli);
- voorwaartse en achterwaartse transformatie ductiliteit (ophoping van spanning tijdens respectievelijk koeling en verwarming bij het passeren van een martensitische transformatie);
- omkeerbaar geheugen: bij verhitting wordt eerst de ene vervorming hersteld en vervolgens, bij een verdere temperatuurstijging, nog een;
- georiënteerde transformatie (accumulatie van vervormingen na verwijdering van de belasting);
- pseudoelasticiteit - herstel van niet-elastische vervormingen van elastische waarden in het bereik van 1-30%.
Terug naar de oorspronkelijke staat voor metalen met het effectvormgeheugen kan zo intens zijn dat het niet kan worden onderdrukt door een kracht die dicht bij de treksterkte ligt.
Materialen
Onder de legeringen met dergelijke eigenschappen zijn titanium-nikkel (49-57% Ni en 38-50% Ti) de meest voorkomende. Ze presteren goed:
- hoge sterkte en corrosieweerstand;
- aanzienlijke herstelfactor;
- grote waarde van interne spanning bij terugkeer naar de begintoestand (tot 800 MPa);
- goede compatibiliteit met biologische structuren;
- effectieve trillingsabsorptie.
Naast titaniumnikkel (of nitinol) worden ook andere legeringen gebruikt:
- tweecomponenten - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- driecomponenten - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si en anderen.
Het legeren van additieven kan de martensitische transformatietemperatuur sterk verschuiven, waardoor de reductie-eigenschappen worden beïnvloed.
Industrieel gebruik
Toepassing van het vormgeheugeneffect maakt het mogelijk om veel technische problemen op te lossen:
- creëren van strakke pijpassemblages vergelijkbaar met de felsmethode (flensverbindingen, zelfspannende clips en koppelingen);
- fabricage van klemgereedschappen, grijpers, pushers;
- design"supersprings" en accumulatoren van mechanische energie, stappenmotoren;
- verbindingen maken van ongelijksoortige materialen (metaal-niet-metaal) of op moeilijk bereikbare plaatsen wanneer lassen of solderen onmogelijk wordt;
- productie van herbruikbare krachtelementen;
- behuizingsafdichting van microschakelingen, stopcontacten voor hun verbinding;
- productie van temperatuurregelaars en sensoren in verschillende apparaten (brandalarmen, zekeringen, kleppen van warmtemotoren en andere).
De creatie van dergelijke apparaten voor de ruimtevaartindustrie (zelfontplooiende antennes en zonnepanelen, telescopische apparaten, gereedschappen voor installatiewerkzaamheden in de ruimte, aandrijvingen voor roterende mechanismen - roeren, luiken, luiken, manipulatoren) heeft grote perspectieven. Hun voordeel is de afwezigheid van impulsbelastingen die de ruimtelijke positie in de ruimte verstoren.
Toepassing van legeringen met vormgeheugen in de geneeskunde
In de medische materiaalkunde worden metalen met deze eigenschappen gebruikt om technologische apparaten te maken, zoals:
- stappenmotoren voor het strekken van botten, het rechttrekken van de wervelkolom;
- filters voor bloedvervangers;
- apparaten voor het repareren van breuken;
- orthopedische apparaten;
- klemmen voor aders en slagaders;
- pomponderdelen voor kunsthart of nier;
- stents en endoprothesen voor implantatie in bloedvaten;
- orthodontische draden voor het corrigeren van het gebit.
Nadelen en vooruitzichten
Ondanks het grote potentieel hebben legeringen met vormgeheugen nadelen die hun wijdverbreide toepassing beperken:
- dure chemiecomponenten;
- gecompliceerde productietechnologie, de noodzaak om vacuümapparatuur te gebruiken (om de opname van stikstof- en zuurstofverontreinigingen te voorkomen);
- fase-instabiliteit;
- lage bewerkbaarheid van metalen;
- moeilijkheden bij het nauwkeurig modelleren van het gedrag van constructies en het vervaardigen van legeringen met gewenste eigenschappen;
- veroudering, vermoeidheid en degradatie van legeringen.
Een veelbelovende richting in de ontwikkeling van dit technologiegebied is het creëren van coatings van metalen met een vormgeheugeneffect, evenals de vervaardiging van dergelijke legeringen op basis van ijzer. Samengestelde structuren maken het mogelijk om de eigenschappen van twee of meer materialen in één technische oplossing te combineren.
