Saskaņā ar parasto gudrību metāli ir visizturīgākie un izturīgākie materiāli. Tomēr ir sakausējumi, kas pēc deformācijas var atgūt savu formu, nepieliekot ārēju slodzi. Tiem ir raksturīgas arī citas unikālas fizikālās un mehāniskās īpašības, kas tos atšķir no konstrukcijas materiāliem.
Parādības būtība
Sakausējumu formas atmiņas efekts ir tāds, ka iepriekš deformēts metāls spontāni atjaunojas karsēšanas rezultātā vai vienkārši pēc izkraušanas. Šīs neparastās īpašības zinātnieki pamanīja jau pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados. 20. gadsimts Jau toreiz šī parādība bija saistīta ar martensīta pārvērtībām kristāla režģī, kuru laikā notiek sakārtota atomu kustība.
Martensīts formas atmiņas materiālos ir termoelastīgs. Šī struktūra sastāv no kristāliem plānu plākšņu veidā, kas ārējos slāņos ir izstiepti, bet iekšējos saspiesti. Deformācijas "nesēji" ir starpfāzu, dvīņu un starpkristalītu robežas. Pēc sildīšanas deformētasakausējums, parādās iekšējie spriegumi, cenšoties atgriezt metālam tā sākotnējo formu.
Spontānas atveseļošanās raksturs ir atkarīgs no iepriekšējās iedarbības mehānisma un temperatūras apstākļiem, kādos tā notika. Vislielāko interesi rada daudzkārtējais cikliskums, kas var sasniegt vairākus miljonus deformāciju.
Metāliem un sakausējumiem ar formas atmiņas efektu ir vēl viena unikāla īpašība - materiāla fizikālo un mehānisko īpašību nelineāra atkarība no temperatūras.
Šķirnes
Iepriekšminētajam procesam var būt vairāki veidi:
- superplastiskums (superelastība), kurā metāla kristāliskā struktūra var izturēt deformācijas, kas normālā stāvoklī ievērojami pārsniedz tecēšanas robežu;
- viena un atgriezeniska formas atmiņa (pēdējā gadījumā efekts tiek atkārtoti reproducēts termiskās cikla laikā);
- transformācijas elastība uz priekšu un atpakaļgaitu (sprieguma uzkrāšanās attiecīgi dzesēšanas un sildīšanas laikā, izejot cauri martensīta transformācijai);
- atgriezeniskā atmiņa: uzkarsējot, vispirms tiek atjaunota viena deformācija, bet pēc tam, temperatūrai paaugstinot vēl vienu;
- orientēta transformācija (deformāciju uzkrāšanās pēc slodzes noņemšanas);
- pseidoelastība - neelastīgo deformāciju atgūšana no elastības vērtībām 1-30% robežās.
Atgriezties sākotnējā stāvoklī metāliem ar efektuformas atmiņa var būt tik intensīva, ka to nevar nomākt spēks, kas ir tuvu stiepes izturībai.
Materiāli
No sakausējumiem ar šādām īpašībām visizplatītākais ir titāna-niķelis (49–57% Ni un 38–50% Ti). Viņiem ir labs sniegums:
- augsta izturība un izturība pret koroziju;
- nozīmīgs atkopšanas faktors;
- liela iekšējā sprieguma vērtība, atgriežoties sākotnējā stāvoklī (līdz 800 MPa);
- laba saderība ar bioloģiskajām struktūrām;
- efektīva vibrāciju absorbcija.
Papildus titāna niķelīdam (vai nitinolam) tiek izmantoti arī citi sakausējumi:
- divkomponentu - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- trīskomponentu - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si un citi.
Leģējošās piedevas var ievērojami mainīt martensīta transformācijas temperatūru, ietekmējot reducēšanas īpašības.
Rūpnieciskai lietošanai
Formas atmiņas efekta pielietošana ļauj atrisināt daudzas tehniskas problēmas:
- stingru cauruļu mezglu izveide, kas ir līdzīgi uzliesmojuma metodei (atloku savienojumi, pašsavienojoši skavas un savienojumi);
- spīlēšanas instrumentu, satvērēju, stūmēju ražošana;
- dizains"superatsperes" un mehāniskās enerģijas akumulatori, pakāpju motori;
- savienojumu veidošana no dažādiem materiāliem (metāls-nemetāls) vai grūti sasniedzamās vietās, kad metināšana vai lodēšana kļūst neiespējama;
- atkārtoti lietojamu spēka elementu ražošana;
- mikroshēmu korpusa blīvējums, ligzdas to pieslēgšanai;
- temperatūras regulatoru un sensoru ražošana dažādās ierīcēs (ugunsgrēka signalizācijas, drošinātāji, siltumdzinēja vārsti un citas).
Šādu kosmosa industrijas ierīču (pašizvērstošas antenas un saules paneļi, teleskopiskās ierīces, instrumenti uzstādīšanas darbiem kosmosā, piedziņas rotācijas mehānismiem - stūres, slēģi, lūkas, manipulatori) izveidei ir lielas perspektīvas.. To priekšrocība ir impulsu slodzes trūkums, kas traucē telpisko stāvokli telpā.
Formas atmiņas sakausējumu pielietojums medicīnā
Medicīnas materiālu zinātnē metālus ar šīm īpašībām izmanto tādu tehnoloģisku ierīču ražošanai kā:
- pakāpju motori kaulu stiepšanai, mugurkaula iztaisnošanai;
- filtri asins aizstājējiem;
- ierīces lūzumu fiksēšanai;
- ortopēdiskās ierīces;
- skavas vēnām un artērijām;
- sūkņa daļas mākslīgajai sirdij vai nierēm;
- stenti un endoprotēzes implantācijai asinsvados;
- ortodontiskie vadi zobu korekcijai.
Trūkumi un izredzes
Neskatoties uz to lielo potenciālu, formas atmiņas sakausējumiem ir trūkumi, kas ierobežo to plašo ieviešanu:
- dārgas ķīmijas sastāvdaļas;
- sarežģīta ražošanas tehnoloģija, nepieciešamība izmantot vakuuma iekārtas (lai izvairītos no slāpekļa un skābekļa piemaisījumu iekļaušanas);
- fāzes nestabilitāte;
- zema metālu apstrādājamība;
- grūtības precīzi modelēt konstrukciju darbību un ražot sakausējumus ar vēlamajām īpašībām;
- novecošanās, sakausējumu nogurums un degradācija.
Daudzsološs virziens šīs tehnoloģiju jomas attīstībā ir pārklājumu veidošana no metāliem ar formas atmiņas efektu, kā arī šādu sakausējumu ražošana uz dzelzs bāzes. Kompozītmateriālu konstrukcijas ļaus vienā tehniskā risinājumā apvienot divu vai vairāku materiālu īpašības.
