Для большинства людей, в восприятии окружающего мира, одним из устойчивых понятий является – прочность, надежность и устойчивость формы металлических изделий и конструкций из него, которые стабильны в своей форме, если их не подвергают критическому воздействию.

Мифы и заблуждения

Долгие годы процесс неупругой деформации считалась абсолютно необратимым. В шестидесятых годах 20 века американские ученые Уильям Бюлер и Фредерик Ванг открыли целый класс металлических сплавов, процесс неупругой деформации в которых происходит по средствам структурных превращений.

В них при нагревании, после предварительной деформации, происходит процесс возврата к исходной форме.

Активизация такого материала происходит при t приблизительно 40 градусов. Смена температуры воздействует на кристаллическую решетку нитинола, которая изменяет свою конфигурацию, переходя из одной фазы в другую.

Материалы данного класса показали, что процесс неупругого деформирования – вполне обратим.

Произвольная смена форм осуществляется в изотермических условиях и при смене температуры. Явление запоминания формы невозможно подавить значительным силовым воздействием, а степень реактивных напряжений способна приближаться до 1000-1300Мпа.

Эффект памяти формы

Эффект памяти формы —  возобновление изначальной формы под действием тепла, наблюдающееся у определенных материалов в следствии предварительной деформации.

ЭПФ проявляется в следующем- металл, обладающий заданои формой в аустенитном состоянии под воздействием повышенной t, деформируются в следствии снижнной t мартенситных превращений. В следствии перегревания, возобновляется первичный вид металла.

ЭПФ присущ материалам обладающим термоупругими мартенситными превращениями, когерентностью решеток первичной аустенитной и мартенситной фаз, низким значением гистерезиса структурного превращения, а также несущественными сменами объема при превращениях.

НИТИНОЛ

Одним из самых изученных и широко применяемых сплавов обладающих эффектом памяти формы, по праву считается никелид титана, он же нитинол.
Нитинол представляет собой интерметаллическое соединение эквиатомного состава с 55% никеля, 45% титана. t плавления сплава — 1240—1310  C, плотность — 6,45 г/см3.

Никелид титана может быть датчиком или находиться в роли исполнительного механизма.

Другими словами, в этом материале есть свои датчики, которые способны фиксировать внешнее воздействие, проводить обработку, и даже осуществлять контроль над ними в режиме реального времени. Перестройка структуры может осуществляться самостоятельно, или передаваться по ЭВМ, которые программируют, с учетом требований к конструкции, условиям эксплуатации, характеристик материала и т.д.

Свойства нитинола:

• достаточно сильная коррозионностойкость;
• высокая степень:
• прочности;
• запоминания и восстановления формы;
• поглощения энергии вибрации, которая зависит от напряжений в материале.
• уровень деформации в пределах 8 % - абсолютно восстановим;
• степень напряжения восстановления достигает до 800 МПа;
• хорошая биологическая совместимость;
• помимо этого, нитинол в 10 раз эластичнее любого металла.

Существенным минусом никелида титана является плохая технологичность (сложность выдержки пропорций элементов, плавления, переработки, сварки и обработки металла) и большая стоимость.

Малая технологичность заключается в том, что титан, входящий в состав способствует легкому присоединению азота и кислорода и для предотвращения окисления требуется использование вакуумирования.

В следствии высокой степени прочности сплава, затрудняется его обработка для изготовления деталей, а тем более способом резания.
Учитывая особые свойства нитинола, даже при существенно высокой стоимости, масштабное его производство и изделий из него, также, как и сплавов системы Медь-Цинк- Алюминий, нашли широкое применение в различных видах промышленности и рыночный сбыт.

Немножко науки

Как мы уже говорили, нитинол на 55% состоит из никеля и на 45% из титана.
Однако, варьируя проценты их содержания, можно значительно корректировать температуры фазовых переходов и воздействовать на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В различных материалах с ЭПФ период t фазовых переходов находится в пределах от 4,2 до 1300 К.

Гистерезис - (греч.то, что отстает, поздний) некая зависимость изменения физической величины, которая характеризует определенное состояние или свойство тела, от изменения физической величины, характеризующей внешние условия. Гистерезис обусловлен необратимыми изменениями в теле, которые возникают от действия внешних факторов, в результате чего тело, из-за остановки влияния на него, характеризуется так называемыми остаточными характеристиками (остаточным намагничиванием, электризацией, деформацией и т.п).

Рис. 1.3. Влияние t на фазовый состав сплава с обратимыми мартенситными превращениями.

t мартенситных превращений (ТМП) коррелируются с общим составом материала. Обогащение его ткимим элементами, как железо, марганец, хром, ванадий, кобальт способствуют уменьшению Мн и Мк до –1960С, а добавление в содержание цинка, ниобия, тантала– к росту этих значений (до +100С). Медь и кремний имеют несущественное воздействие на t превращений.

Применение металла с памятью

Есть мнение, что ионы никеля могут выходить из состава сплава.

Этот факт делает невозможным  использование нитинола в каждой медицинской отрасли. Поскольку проведенные эксперименты, на счет токсичности и канцерогенности сплавов никеля, имеют неоднозначные результаты. А часть ученых вообще считают его опасным аллергеном, а другие придерживаются мнения ,что он совершенно безопасен для тканей человека.

Даже несмотря на то, что никелид титана наиболее изученный материал с памятью формы, на 100% утверждать о его полной совместимости с клетками и тканями человека мы не можем.

Это интересно
В Канадском Университете Ватерлоо создали сплав способный запомнить сразу более одной ранее заданной формы. Технология создания металла с памятью формы заключается в создании определенных переходных фаз, способных реагировать на различные температуры и могут плавно менять форму предмета. Каждое изменение формы привязано к определенной температуре, что позволяет создавать различные подвижные механизмы, такие как манипуляторы роботов, ловкие, но без сложной кинематики.

ЭПФ широко применяют в:

• медицине,
• стоматологии,
• космическом строительстве,
• изготовлении двигателей,
• при производстве эксклюзивных ювелирных изделий и высокотехнологичной одежды.

1. Украшения декорируют цветками, которые в результате касания тела, раскрывают бутоны, демонстрирую находящийся внутри драгоценный камень.
2. А совсем недавно брэнд СогроNova (Италия) предложил элемент мужской одежды, в котором на пять нейлоновых волокон приходится одна проволока из нитинола.
   "Фишками" такой рубашки были рукава, которые при нагревании до t 35 C закатить, далее охладить и опустить, то при последующем достижении t 35 C рукава закатываются самостоятельно. Но главная ее особенность в том, что после глажки при t 50 C она запоминает форму, и после многократного комканья, при воздействии тепла, до нагревания до той же температуры вновь станет, словно свежевыглаженная.
3. В строительстве космических объектов, при открытии ближнего и дальнего космического пространства, существует ряд сложностей с осуществлением доставки и монтажа различных громоздких конструкций в открытое пространство.
   
   Так вот, из нитинола создают антенны, конструкция которых состоит из листов и стержней, скрученных в спираль и помещенных в специальный люк в спутнике. Когда он выходит на орбиту, антенна нагревается солнечным излучением и отправляется наружу.
   Отдельной сложностью является соединение громоздких космических объектов в просторах космоса, доставка которых возможна исключительно отдельными частями,  а к сожалению стандартные способы объединения элементов, по средствам сварки, пайки, склеивания, клепки и других, в космосе - невозможны, поскольку существуют специальные максимально повышенные требования по технике безопасности.
   Учитывая эту специфику, была разработана эксклюзивная технология по соединению деталей в космосе с задействованием муфт из металла ТН-1.  Ее использовали в процессе соединения конструкции фермы из алюминиевых сплавов длинной в 14,5 м) с поперечным квадратным сечением со сторонами 0,5х0,5 метра. Ферма была выполнена из обособленных трубчатых элементов ф 28 мм, соединенных нитиноловой муфтой, обладающей ЭПФ.

Можно еще много рассказывать о сферах применения нитинола, в строительстве (высотное, сейсмостойкое, гидросторительство( мосты, дамбы, трубопроводы), в машино- и станкостроении, в медицине и стоматологии и т.д., важно то, что за последние 25 лет конструкционные материалы с памятью получили широкое применение именно в авиа-космическом строительсве.

Благодаря открытию материалов с ЭПФ открылись возможности сосдания перспективных самолетов, ракет, больших космических конструкций, обеспечивающих высокие пилотажные характеристики, низкие уровни шума и вибраций, а также гарантирующий полный мониторинг их состояния.

Создание подобных конструкций - шаг к внедрению новых структурных технологий, включающих разработку материалов, испытание, анализ, проектирование, производство и техническое обслуживание

В последенее время создание новых конструкционных (функциональных) материалов, а так же разработка технологий их создания, необходимы для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных секторов промышленности и экономики страны.