Prema konvencionalnoj mudrosti, metali su najizdržljiviji i najotporniji materijali. Međutim, postoje legure koje mogu povratiti svoj oblik nakon deformacije bez primjene vanjskog opterećenja. Također ih karakteriziraju druga jedinstvena fizička i mehanička svojstva koja ih razlikuju od strukturalnih materijala.
Suština fenomena
Efekat memorije oblika legure je da se prethodno deformisani metal spontano oporavlja kao rezultat zagrijavanja ili jednostavno nakon istovara. Ova neobična svojstva naučnici su primijetili još 1950-ih godina. 20ti vijek Čak i tada, ovaj fenomen je bio povezan sa martenzitnim transformacijama u kristalnoj rešetki, tokom kojih dolazi do uređenog kretanja atoma.
Martenzit u materijalima sa memorijom oblika je termoelastičan. Ova struktura se sastoji od kristala u obliku tankih ploča, koje su rastegnute u vanjskim slojevima, a sabijene u unutrašnjim. "Nosioci" deformacije su međufazne, blizanačke i međukristalitne granice. Nakon zagrijavanja se deformišelegure, pojavljuju se unutrašnja naprezanja koja pokušavaju vratiti metal u prvobitni oblik.
Priroda spontanog oporavka zavisi od mehanizma prethodnog izlaganja i temperaturnih uslova pod kojima se ono odvijalo. Najveći interes je višestruka cikličnost, koja može iznositi nekoliko miliona deformacija.
Metali i legure sa efektom memorije oblika imaju još jedno jedinstveno svojstvo - nelinearnu zavisnost fizičkih i mehaničkih karakteristika materijala od temperature.
Varieties
Navedeni proces može imati nekoliko oblika:
- superplastičnost (superelastičnost), u kojoj kristalna struktura metala može izdržati deformacije koje značajno premašuju granicu tečenja u normalnom stanju;
- pojedinačna i reverzibilna memorija oblika (u potonjem slučaju, efekat se više puta reprodukuje tokom termičkog ciklusa);
- prednja i reverzna transformacija duktilnosti (akumulacija naprezanja tokom hlađenja i grijanja, respektivno, prilikom prolaska kroz martenzitnu transformaciju);
- reverzibilna memorija: kada se zagrije, prvo se obnavlja jedna deformacija, a zatim, uz daljnje povećanje temperature, druga;
- orijentirana transformacija (akumulacija deformacija nakon uklanjanja opterećenja);
- pseudoelastičnost - oporavak neelastičnih deformacija od elastičnih vrijednosti u rasponu od 1-30%.
Povratak u prvobitno stanje za metale sa efektompamćenje oblika može biti toliko intenzivno da se ne može potisnuti silom koja je blizu vlačne čvrstoće.
Materijal
Među legurama sa takvim svojstvima, najčešće su titan-nikl (49–57% Ni i 38–50% Ti). Imaju dobre performanse:
- visoka čvrstoća i otpornost na koroziju;
- značajan faktor oporavka;
- velika vrijednost unutrašnjeg naprezanja pri povratku u početno stanje (do 800 MPa);
- dobra kompatibilnost sa biološkim strukturama;
- efikasna apsorpcija vibracija.
Pored titanijum-niklida (ili nitinola), koriste se i druge legure:
- dvokomponentni - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- trokomponentni - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si i drugi.
Aditivi za legiranje mogu značajno pomaknuti temperaturu martenzitne transformacije, utičući na svojstva redukcije.
Industrijska upotreba
Primjena efekta memorije oblika omogućava rješavanje mnogih tehničkih problema:
- izrada čvrstih cijevnih sklopova sličnih metodi širenja (prirubnički spojevi, samozatezne obujmice i spojnice);
- proizvodnja alata za stezanje, hvataljki, potiskivača;
- dizajn"superopruge" i akumulatori mehaničke energije, koračni motori;
- stvaranje spojeva od različitih materijala (metal-nemetal) ili na teško dostupnim mjestima kada zavarivanje ili lemljenje postane nemoguće;
- proizvodnja višekratnih energetskih elemenata;
- zaptivanje kućišta mikro kola, utičnice za njihovo povezivanje;
- proizvodnja temperaturnih regulatora i senzora u raznim uređajima (požarni alarmi, osigurači, ventili toplotnih motora i drugi).
Izrada ovakvih uređaja za svemirsku industriju (samopokretne antene i solarni paneli, teleskopski uređaji, alati za montažne radove u svemiru, pogoni za rotacione mehanizme - kormila, kapci, poklopci, manipulatori) ima velike perspektive. Njihova prednost je odsustvo impulsnih opterećenja koja remete prostornu poziciju u prostoru.
Primjena legura sa memorijom oblika u medicini
U nauci o medicinskim materijalima, metali sa ovim svojstvima se koriste za izradu tehnoloških uređaja kao što su:
- stepper motori za istezanje kostiju, ispravljanje kičme;
- filteri za zamjene krvi;
- uređaji za fiksiranje fraktura;
- ortopedski aparati;
- stezaljke za vene i arterije;
- dijelovi pumpe za vještačko srce ili bubreg;
- stenti i endoproteze za implantaciju u krvne sudove;
- ortodontske žice za ispravljanje denticije.
Nedostaci i izgledi
Uprkos svom velikom potencijalu, legure sa memorijom oblika imaju nedostatke koji ograničavaju njihovu široku primjenu:
- skupe hemijske komponente;
- komplikovana proizvodna tehnologija, potreba za korištenjem vakuumske opreme (kako bi se izbjeglo uključivanje nečistoća dušika i kisika);
- fazna nestabilnost;
- niska obradivost metala;
- poteškoće u preciznom modeliranju ponašanja struktura i proizvodnje legura sa željenim karakteristikama;
- starenje, zamor i degradacija legura.
Obećavajući pravac u razvoju ove oblasti tehnologije je stvaranje premaza od metala sa efektom memorije oblika, kao i izrada takvih legura na bazi željeza. Kompozitne strukture će omogućiti kombinovanje svojstava dva ili više materijala u jednom tehničkom rješenju.
