Сплавы с эффектом памяти формы

Эффект памяти формы (ЭПФ) заключается в способности некоторых сплавов после предварительной деформации возвращаться к первоначальной форме при нагреве.

В основе ЭПФ лежит явление термоупругого мартенситного превращения (ТУМП), открытое в 1949 г. российским физиком Г.В. Курдюмовым в сплавах Cu–Al–Ni и Cu–Sn. ЭПФ экспериментально обнаружен американскими учеными Л. Чангом и Т. Ридом в 1951 г. в сплаве Au–Cd. На рубеже 1950-х – 1960-х гг. ХХ века этот эффект был обнаружен в практически важных сплавах Ti–Ni и Cu–Al. С тех пор его наблюдали на сплавах многих систем: Cu–Zn, Cu–Zn–Al, Cu–Zn–Si, Cu–Zn–Sn, Cu–Al, Cu–Al–Ni, Cu–Mn–Al, Mn–Cu, Fe–Mn–Si, In–Tl, Ni–Al, Fe–Pt и др.

ЭПФ можно определить как способность металла изменять и восстанавливать свою исходную форму по структурным механизмам, отличным от механизма классической упругой деформации, описываемого законом Гука. Другими словами, этот эффект представляет собой одно из проявлений полной или частичной обратимости неупругой деформации.

Теория мартенситных превращений основывается на фундаментальных представлениях о закономерном характере перестройки кристаллической решетки и когерентности сосуществующих фаз: высокотемпературной – аустенита (А) и низкотемпературной – мартенсита (М).

Для сплавов с ТУМП характерна зависимость фазового состава от температуры (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость фазового состава сплава от температуры: а – широкий гистерезис; б – узкий гистерезис

Из аустенитного состояния при охлаждении сплава с некоторой температуры М_н начинает образовываться мартенсит. По мере дальнейшего охлаждения количество мартенситной фазы увеличивается. Полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре М_к, ниже которой устойчивой остается только мартенситная фаза. При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается с некоторой температуры А_н и полностью заканчивается при температуре А_к. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля, ширина которой по температурной шкале А_к– М_н или А_н–М_к может быть различной для разных сплавов: широкой или узкой (рис. 2.37, а, б). При наличии механических напряжений температуры М_н, М_к, А_н и А_к могут смещаться в сторону более высоких температур, в этом случае их обозначают как

Следует отметить, что при ТУМП (в отличие от обычных мартенситных превращений, например, в сталях) межфазные границы между А и М сохраняют когерентность (на когерентных границах решетка одной фазы плавно переходит в решетку другой фазы) и являются легко подвижными. При охлаждении (прямое превращение) в интервале температур М_н–М_к зарождаются и растут кристаллы мартенсита, а при нагреве (обратное превращение) в интервале температур А_н–А_к кристаллы мартенсита исчезают (превращаются в аустенит) в обратной последовательности.

Для изотропного сплава (при отсутствии внешних напряжений) мартенситные кристаллы, образующиеся при прямом превращении, не имеют преимущественной ориентировки, локальные сдвиговые деформации в среднем по объему компенсируются. В процессе обратного превращения (М→А) перестройка решетки в исходное состояние протекает в обратной последовательности. При этом не наблюдается макроскопического изменения формы материала, за исключением небольшого изменения объема. Так, для сплава TiNi изменение объема составляет ~0,34 %, что на порядок меньше, чем для сталей (~4 %).

При наличии в сплаве ориентированных напряжений (например, при действии внешней нагрузки) мартенситные кристаллы приобретают преимущественную ориентировку, и локальные сдвиговые

деформации приводят к макроскопическому изменению формы образца. В процессе обратного превращения (М→А) решетка перестраивается таким образом, что локальные сдвиговые деформации исчезают и, как следствие, макроскопическое изменение формы не происходит.

Мартенситное превращение может происходить не только при изменении температуры, но и при механическом воздействии. Соответственно, различают термомартенсит и механомартенсит. При этом при анализе фазовых диаграмм (рис. 2.37) вводят температуру термодинамического равновесия Т₀; температуру М_д, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; температуру А_д, выше которой аустенит может появиться не только вследствие нагревания, но и под действием механических напряжений.

Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение сплава при термомеханическом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рис. 1, б) температура М_д может оказаться правее температуры конца аустенитного превращения А_к, а при широком гистерезисе – левее этой температуры (рис. 1, а).

В сплавах с узким гистерезисом механомартенсит термодинамически неустойчив и при разгрузке исчезает (в таких сплавах наблюдается так называемый эффект псевдоупругости). При широком гистерезисе механомартенсит термодинамически устойчив и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезают только после нагрева, т. е. после завершения реакции М→А.

Особенности реализации ЭПФ схематично показаны на рис. 2.

Рис. 2. Схема реализации ЭПФ

Образец деформируют (например, растяжением) при температуре ниже М_д. При достижении напряжения σ_τ^ф образец деформируется пластически (участок АВ). Эта деформация называетсят фазовой (ε^ф), так как она вызвана фазовыми превращениями «аустенит – мартенсит». После разгрузки (участок ВС) фазовая деформация (ε^ф) сохраняется в образце. При нагреве образца в результате протекания обратного мартенситного превращения в интервале температур (А_н– А_к) фазовая деформация восстанавливается (участок СД).

Сплавы с ЭПФ находят разнообразное практическое применение.

Большие перспективы использования этих сплавов связаны с освоением космоса, в частности, с сооружением на орбитальных станциях антенн саморазворачивающейся конструкции. Такая антенна состоит из листа и стержня из сплава с ЭПФ, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление космического аппарата. После запуска аппарата и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя или тепла солнечного излучения, в результате чего она разворачивается и выходит в космическое пространство.

Для размещения на орбитальных станциях различных крупногабаритных агрегатов необходимо доставлять на станцию отдельные части агрегатов и затем монтировать их в условиях открытого космоса. Однако используемые в обычном производстве способы соединения деталей, такие как сварка, пайка, склеивание, клепка и другие, часто оказываются непригодными в космических условиях. С учетом этих особенностей разработаны уникальные технологии соединения деталей в открытом космосе с использованием муфт из сплавов с ЭПФ. В частности, эти технологии успешно использовались при сборке громоздких агрегатов из алюминиевых сплавов, состоящих из трубчатых деталей, которые соединялись между собой с помощью муфты из сплава Ti–Ni (рис. 3). Муфту деформировали с помощью дорна при низкой температуре так, чтобы ее внутренний диаметр был больше наружного диаметра соединяемых элементов. После нагрева выше температуры обратного мартенситного превращения внутренний диаметр муфты восстанавливался до прежнего значения, которое было перед расширением. При этом создавались большие обжимающие усилия, соединяемые элементы пластически деформировались, что обеспечивало их прочное соединение.

Рис. 3. Соединение трубчатых деталей (1) с помощью муфты (2) из сплава с памятью формы: а – до сборки; б – после нагрева

Такие же принципы выполнения монтажных работ могут быть использованы для строительства на больших глубинах крупногабаритных морских подводных сооружений.

Муфты из сплавов с ЭПФ применяют для соединения трубопроводов гидросистем самолетов, атомных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти со дна моря.

Рис. 4. Схема устройства для ремонта трубы с трещиной: 1 – труба; 2 – разъемная вставка; 3, 4 – элементы из материала с ЭПФ (I, II, III – последовательность сборки)

На рис. 4 показана схема устройства для ремонта трубы, находящейся в аварийном состоянии. На участок трубы с трещиной надвигают разъемную вставку, которую обжимают свертывающимися в кольцо спиральными лентами или проволокой из сплава с ЭПФ.

Подобным образом, с помощью муфт из сплавов с ЭПФ, можно скреплять не только трубы, но и стержни, изготовленные из различных материалов, включая, металлы, керамику, стекло, пластмассы. Также можно выполнять опрессовку деталей, используя память формы как свойство инструмента.

Соединения, получаемые с помощью сплавов с ЭПФ, характеризуются высокой прочностью. Например, трубы диаметром 20 мм, скрепленные наружной (стягивающей) или внутренней (распорной) муфтой из сплава Ti–Ni при ее толщине около 2 мм, способны выдерживать внутреннее давление до 200 атм. и более.

Для неподвижного соединения деталей обычно применяются заклепки или болты. Если же невозможно осуществлять какие-либо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметичной пустотелой конструкции), то выполнение операций крепления вызывает трудности. В этих случаях применяются стопоры из сплава с ЭПФ.

В исходном состоянии стопор имеет раскрытый торец (рис. 5, а), а перед осуществлением операции крепления он погружается в сухой лед или жидкий азот и охлаждается, после чего торец выпрямляется (рис. 5, б). Затем стопор вводится в неподвижное отверстие для крепления (рис. 5, в), при нагревании до комнатной температуры происходит восстановление формы, торец расходится (рис. 5, г) и операция крепления завершается.

Рис. 5. Принцип действия стопора с эффектом памяти формы

Сплавы с ЭПФ играют роль силовых элементов блокировочных устройств, срабатывающих как на запирание (собственно блокировка), так и в обратном направлении. Обычно эти устройства представляют собой приводы одноразового срабатывания для приведения в действие исполнительных механизмов (рис. 6).

Рис. 6. Привод разблокировки запирающего (замкового) устройства: а – исходное положение; б – положение после нагрева элемента с ЭПФ; 1 – стопор; 2 – контейнер; 3 – запорная шайба; 4 – пружина с ЭПФ

Сплавы с ЭПФ используют в силовых конструкциях прессов, домкратов. Так, трубчатый силовой элемент пресса с наружным диаметром 14 мм и толщиной стенки 1 мм развивает усилие до 2 т. Для экономии полезного пространства можно использовать устройства комбинированной конструкции, в которых все рабочие элементы являются активными. Примером такого устройства является телескопический малогабаритный домкрат, в котором простые цилиндры развивают деформацию сжатия, а фигурные – деформацию растяжения (рис. 7).

Рис. 7. Телескопический малогабаритный домкрат, состоящий из простых (в) и фигурных (г) цилиндров: а – компактный вид (исходное состояние); б – после восстановление формы; в – элементы, восстанавливающие деформацию сжатия; г – элементы, восстанавливающие деформацию растяжения

Особенностью исполнительных элементов из сплавов с ЭПФ является их миниатюрность, что обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. На действие таких исполнительных механизмов не влияет агрессивная среда. Их можно устанавливать в таких средах, как вакуум или вода, при этом нет необходимости в герметизированном подвижном узле, как, например, при установке гидропневматических цилиндров.

Сплавы с ЭПФ могут применяться в простых тепловых двигателях, использующих разность температур горячей и холодной воды или горячей воды и холодного окружающего воздуха. Такие двигатели работают за счет преобразования низкотемпературной бросовой тепловой энергии (например, энергии горячей отходящей воды, геотермической или солнечной энергии) в механическую энергию.

На рис. 8 показан принцип действия двигателя с кривошипношатунным механизмом на основе сплавов с ЭПФ. Двигатель действует с помощью шести спиралей из сплава Ti–Ni. Оси рабочего колеса и кривошипного вала смещены относительно друг друга. Удлинение и сокращение спиралей в зависимости от разности температур горячей и холодной сред (10–20 °С) действуют подобно возвратно-поступательному движению поршня в обычных двигателях и вызывают вращение рабочего колеса.

Рис. 8. Схема двигателя с кривошипно-шатунным механизмом: 1 – спираль из сплава Ti–Ni; 2 – горячая вода; 3 – подшипник; 4 – фиксированные оси

Приводы на основе сплавов с ЭПФ могут эффективно использоваться в робототехнике. Адаптивные захватные устройства, предназначенные для робототехнических систем, способны длительное время удерживать объекты различной формы и разной плотности, например, тяжелые стальные или хрупкие стеклянные (рис. 9).

Рис. 9. Разновидности робототехнических систем с адаптивными захватными устройствами на основе сплавов с эффектом памяти формы

Такие устройства не требуют использования электромеханических, гидравлических или пневматических силовых приводов, просты по конструкции, эффективны при работе в экстремальных условиях, например, в зонах повышенной радиации, в вакууме, в агрессивных средах. Роботы-манипуляторы на основе сплавов с ЭПФ характеризуются плавностью действия, которая обусловлена тем, что заданная величина усилия (силы восстановления формы) определяется регулируемой температурой и не зависит от положения элементов, что приближает действие робота к действию мускульного механизма.

Одной из важнейших областей применения сплавов с ЭПФ является медицина, где они используются для вытяжения костей и лечения переломов, соединения костных фрагментов, при лечении сколиоза и кровеносных сосудов и т.д. Наибольшее распространение в медицинской практике получили сплавы Ti–Ni, которые имеют биологическую совместимость не хуже применяемых обычно коррозионностойких сталей и кобальтохромовых сплавов и могут играть роль функциональных материалов в биологических организмах.

В настоящее время разработано и успешно применяется в клинической практике большое количество разнообразных медицинских устройств, в которых используются сплавы с ЭПФ.

В ортопедической хирургии при проведении операций по коррекции позвоночника обычно используют специальные корректирующие стержни, изготовленные из коррозионно-стойкой стали. Недостатком этих стержней является уменьшение со временем корректирующего усилия. Дополнительная корректировка силы требует повторных операций. Если стержни изготавливать из сплавов с ЭПФ, то их можно установить один раз, т.е. необходимость повторных операций отпадает. Наиболее эффективными для этой цели являются сплавы Ti-Ni с добавками Сu, Fe, Mo, проявляющие после восстановления формы высокую эластичность в интервале температур от 35 до 41 °С. Корректирующие стержни из таких сплавов создают постоянное по величине напряжение воздействия на позвоночник в течение всего периода лечения независимо от смещения точек опоры.

Для фиксации грудино-реберного комплекса служат специальные фиксирующие пластины из сплава Ti–Ni. Такие пластины охлаждаются, приобретая необходимую форму, и вводятся в грудную клетку (рис. 10, а), а затем (благодаря эффекту памяти формы) после нагревания до температуры тела принимают прежнюю форму (рис. 10, б).

Рис. 10. Фиксация грудино-реберного комплекса с помощью пластины из сплава с эффектом памяти формы

В стоматологии для исправления положения зубов обычно применяют проволоку из коррозионно-стойкой стали, создающую упругие усилия. Ее недостаток состоит в снижении упругих усилий в процессе лечения и необходимости периодической коррекции. При изготовлении проволоки брекет-системы (рис. 11) из сплава Ti–Ni обеспечивается оптимальная корректирующая сила в течение всего периода лечения.

Рис. 11. Устройство брекет-системы: 1 – брекет; 2 – проволочная дуга из сплава Ti–Ni; 3 – лигатурный крючок; 4 – пружина; 5 – металлическая и эластичная лигатуры; 6 – петля; 7 – кольцо; 8 – кончик лигатуры; 9 – замок; 10 – конец проволочной дуги

В операциях по зубному протезированию из сплава Ti–Ni изготавливают стоматологические штифты, которые устанавливают в лунки удаленных зубов, где они прочно фиксируются (рис. 12).

В сердечно-сосудистой хирургии для восстановления кровотока в кровеносных сосудах в случаях их местного сужения является эффективным применение спиральных проволочных каркасов, выполненных из сплава Ti–Ni. Такой каркас в специальном устройстве выпрямляется и фиксируется, затем этим же устройством вводится в сосуд через прокол в месте сужения, после чего фиксация снимается. Каркас восстанавливает первоначальную спиральную форму и расширяет местное сужение сосуда.

У больных тромбофлебитом существует опасность отрыва тромбов и закупорки ими сосудов. Таким больным в вены вставляют фильтры-тромболовушки (рис. 13), изготовленные из сплава Ti– Ni, которые под действием температуры крови расправляются и надежно крепятся в кровеносном сосуде.

Рис.12. Стоматологический штифт из сплава с эффектом памяти форм

Рис. 13. Фильтры-тромболовушки из сплава с эффектом памяти формы

Примерами применения сплавов с ЭФП в повседневной жизни являются антенны мобильных телефонов, обладающие большим сопротивлением изгибу, что предохраняет их от случайных повреждений; оправы очков, которые могут подвергаться большим деформациям без разрушения и к тому же возвращаться к первоначальной форме, и т.д.