V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Память металлов – будущее эффективных производств
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Применение металлов и сплавов в качестве имплантируемых в организм материалов имеет давнюю историю. Еще в 2500 году до нашей эры в Финикии использовали для лечения зубов металлические конструкции. В Древнем Риме большое распространение получили искусственные металлические зубы, а металлическая проволока применялась для фиксации костных отломков. Вплоть до конца XVIII века использовались в основном чистые металлы: золото, серебро, медь. В XIX столетии в связи с улучшением технологии выплавки металлов и сплавов распространение получили имплантаты из высококачественных сталей.
В 1925 году впервые в качестве фиксатора использована нержавеющая сталь. Однако внимание травматологов-ортопедов привлек хромо-кобальтовый сплав, который в дальнейшем получил более широкое распространение, чем нержавеющая сталь, вследствие своей биологической инертности. 50–е годы XX столетия ознаменовались применением тантала и титана в качестве имплантатов различного назначения. Тантал является биоэнертным материалом, но широкого распространения не получил из-за большого удельного веса и недостаточной жесткости. В настоящее время его применение ограничено использованием тонкой проволоки. В отличие от тантала титан имеет лучшие физико-механические свойства и характеризуется биологической совместимостью с тканями организма.
Любой природный материал обладает своими уникальными качествами. Так многим металлам присущи такие качества, как твердость, прочность и долговечность. В 70-е годы появились примеры использования нового класса материалов – сплавов с памятью формы, которые принципиально отличаются от упомянутых выше металлических медицинских материалов тем, что они удовлетворяют требованиям высокой прочности и пластичности, упругости и жесткости, гибкости и эластичности, износостойкости и вязкости.
Работы по изучению данного свойства велись и ведутся до сих пор во многих странах. Поэтому тема данной работы весьма актуальна. Для нас кажется весьма привычным и естественным, что пружина всегда возвращается в исходное положение, так же как и изогнутая стальная линейка, и это никого не удивляет. Однако если предел упругости материала будет превышен, то непременно наступит пластическая деформация и тогда предмет уже не примет исходную форму сам, если только не продеформировать материал в противоположном направлении. Но это лишь привычные для нас, общепринятые представления.
Однако не так давно исследователям удалось обнаружить такие сплавы, у которых даже после пластической деформации существует способность «вспоминать» первоначальную форму. Что же это означает? Здесь все просто, металлы могут запоминать собственную форму. После предварительной деформации, при нагреве определенные сплавы могут демонстрировать такое явление, как возврат к своей первоначальной форме. То есть металлы не являясь живыми существами обладают таким особым свойством, которое позволяет им проявлять такую своеобразную память. Так, например, если кусок проволоки такого сплава изогнуть таким образом, чтобы он был в форме буквы «А», а после этого данный кусок проволоки будет смят, то после нагревания этот кусок самостоятельно примет исходную форму, то есть форму буквы «А». Такие опыты удивляют многих и часто воспринимаются как некий фокус.
Цель моей работы:
- изучить технологию производства и свойства сплавов с эффектом памяти;
- изучить основные свойства сплавов, обладающих памятью;
- выделить основные области применения металлов с эффектом памяти формы.
Задачи исследования:
- изучить технологию 3D печати металлом, обладающим памятью;
- провести опыт с пружиной обладающей эффектом памяти.
Глава 1. Теоретическая часть 1.1. Сплавы с эффектом памяти формы
Новый материал с памятью остается целым даже после десятков миллионов раз трансформации его формы. Это достижение может наконец проложить путь для широкого применения материалов с памятью формы.
В теории, металлы с памятью формы должны стать революцией в каждой части технологической индустрии. Металл с памятью — это материал, который после его изгиба или другой деформации может восстановить начальную форму после воздействия на него теплом или электричеством. Такие футуристические материалы существуют уже на протяжении десятилетий. Основным недостатком металлов с памятью формы было их скорое изнашивание. В зависимости от сплава, такие металлы постепенно теряют возможность восстанавливать форму после трансформации от нескольких раз до нескольких тысяч. Поэтому до этих пор практическое использование металлов с памятью формы было не целесообразно.
Команда немецких и американских ученых недавно обнаружила металл, который выдерживает деформацию с последующим процессом восстановления до 10 миллионов раз. Материаловед Manfred Wuttig из Мэрилендского университета говорит, что открытие, сделанное его командой, является итогом долгой изнурительной работы по поиску прочного металла с памятью формы. Статья, которая детально описывает данное открытие опубликована авторами в журнале Science. Образец представляет собой тонкую пленку из сплава титана и никеля (никелид титана или нитинол) с малым содержанием меди.
Ученые обнаружили металлический сплав с эффектом памяти формы случайно, и то, как полученный материал держит форму длительное время без износа еще неясно. Исследователи предложили возможные причины прочности материала. Нужно сначала понять, как работает материал с памятью формы. Для простоты, представьте, что атомы, которые составляют материал, могут создавать две разные атомные конфигурации в зависимости от того, воздействует ли на них тепло, электричество или магнитное поле. Для примера, вообразите, что металл с памятью формы состоит из атомов, расположенных таким образом, что они формируют кубическую структуру при комнатной температуре. Под действием приложенного к металлу тепла, эти атомы реорганизуются и уже образуют гексагональную упаковку, как пчелиные соты, что поменяет форму металла. При прекращении нагрева атомы возвращаются в начальное положение и снова образуют кубическую решетку.
Как правило, материалы с памятью формы, при переходе их атомов между двумя конфигурациями, приобретают микродефекты. В новом сплаве титана и никеля с малым содержанием меди и кобальта, по-видимому, эти дефекты практически не возникают.
Возможно, причина, по которой сплав остается прочным, состоит в наличии связи титана и меди, которые, распределенные по всему объему, укрепляют материал. Такие титан-медные блоки удерживают прочную конструкцию при обеих конфигурациях атомов, в которую затем располагаются другие атомы.
1.2. Механизм эффекта памяти формы
Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. Был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы – эффект памяти формы (ЭПФ) – может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.
Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 – 1300 МПа.
Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях.
В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы.
Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рисунке 1.
При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза.
При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается при некоторой температуре Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак – Мн или Ан – Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рисунок 1, а и б).
Рис. 1 – Зависимость фазового состава сплава от температуры:
а – широкий гистерезис; б – узкий гистерезис
Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: То – температура термодинамического равновесия; Мд – температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад – температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рисунок 1, б) температура Мд может оказаться выше температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе – ниже этой температуры (рисунок 1, а).
Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. Е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд(но выше Ак), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рисунке 1 превращение аустенит – мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается эффект так называемой сверхупругости, очевидно связанный с этими явлениями.
В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. Е. после завершения превращения мартенсита в аустенит.
Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti – Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu – А1 – Ni и Сu – Al – Zn.
Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti – Ni с ЭПФ разного состава приведены в таблице 1 и на рисунке 2.
Таблица 1. Характеристические температуры сплавов Ti-Ni
|
Состав, % (ат.) |
Температура, 0С |
||||
|
Ti |
Ni |
МН |
МК |
АН |
АК |
|
52,8 |
47,2 |
90 |
60 |
100 |
135 |
|
50,0 |
50,0 |
50 |
20 |
55 |
75 |
|
49,5 |
50,5 |
25 |
5 |
35 |
60 |
|
49,25 |
50,75 |
0 |
-20 |
10 |
30 |
|
49,0 |
51,0 |
-55 |
-90 |
-50 |
-25 |
Рис. 2 – Зависимость температур прямого и обратного мартенситного превращений от состава сплава Ti – Ni
Из таблицы 1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti – Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку.
Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К.
Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению Мн и Мк вплоть до –196оС, а введение Zr, Та, Nb – к их повышению (до +100°С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений. 1.3. Феномен и суть явления. Мартенситное превращение
Чтобы понять феномен явления его достаточно один раз увидеть. Для эксперимента можно взять металлическую проволоку и изогнуть ее, а затем нагреть. Проволока от нагрева начинает распрямляться и затем восстанавливает свою исходную форму.
Данный феномен происходит потому что при деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние в свою очередь сжимаются, при этом средние вовсе остаются неизменными.
Такие вытянутые структуры называют мартенситными пластинами, которые не являются чем-то необычным для металлических сплавов. Здесь необычность проявляется в другом: в мартенсит термоупругий в материалах с памятью формы. И начинает проявляться эта термоупругость мартенситных пластин при именно при нагреве, когда появляется внутреннее напряжение, стремящееся вернуть в исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает свою исходную форму, так ка в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении.
Все металлы и сплавы имеют свою кристаллическую решетку, параметры которой заданы изначально. Но может осуществляться перестройка этой кристаллической решетки в связи с изменением температуры и давления. В данном случае говорят, что происходит полиморфное превращение, то есть смена типа кристаллической решетки (происходит ее перестройка). Полиморфное превращение может осуществляться при помощи двух способов: воздействия высоких температур, при которой подвижность атомов возрастает и мартенситного превращения.
Что бы понять сущность первого способа можно представить в виде атомов детские кубики, а в виде кристаллической решетки- здание из этих кубиков-атомов. Чтобы осуществить полиморфное превращение, то есть построить из этих же кубиков, но уже другое здание необходимо просто разобрать старое и собрать новое здание. Поскольку путь каждого кубика при перестройке совершенно не связан с другими, то он может оказаться абсолютно в любом месте нового здания. Перестройка решетки по такой схеме может произойти только в случае, когда диффузия, то есть подвижность атомов достаточно высока, для того чтобы осуществить перемещение их на совершенно новые места.
Однако, для того чтобы произвести перестройку кристаллической решетки, когда температура полиморфного превращения не достаточно высока, нужно применять бездиффузионный способ.
При изучении закалки – одного из древнейших и основных процессов термической обработки стали был и обнаружен такой бездиффузионный способ. В результате закалки образуется фаза с новой кристаллической решеткой, то есть мартенсит. Именно поэтому второй способ смены типа кристаллической решетки (полиморфного превращения) получил название мартенситного превращения.
Мартенситное превращение является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Данный способ характерен для сталей, чистых металлов, полупроводников, цветных сплавов и полимеров всегда в случае перестройки решетки при отсутствии диффузии. Если вернуться к примеру с кубиками-атомами, то в случае с мартенситным превращением особенность заключается в том, что отсутствует диффузия и поэтому старое здание невозможно просто разобрать. Здесь кубики перемещаются без разрушения межатомных связей, то есть не отрываясь друг от друга и почти одновременно из старых положений в новые. Мартенситное превращение потому иногда называют сдвиговым, что такое согласованное и коллективное перемещение носит характер сдвига.
Именно кооперативный сдвиг атомов приводит к неизбежному изменению формы объема сплава, а изменение формы и является главной особенностью мартенситного превращения.
С данной особенностью и связан эффект памяти сплавов, однако не все сплавы, которые претерпевают мартенситное превращение, могут обладать памятью. При мартенситном превращении изменение формы является необходимым условием, но все же недостаточным для проявления памяти.
Можно выделить три основных события в истории изучения мартенситных превращений, оказавших непосредственное влияние на формировании нового направления, которое занимается изучением эффекта памяти формы в сплавах и применением данного эффекта. Первое из этих трех событий произошло в 1949 году, когда была опубликована статья Г.В. Курдюмова и Л.Г. Хандроса «О термоупругом равновесии при мартенситных превращениях» в журнале «Доклады Академии наук СССР».
В данной статье описывалась особенность мартенситного превращения в медном сплаве. Она заключалась в том, что при охлаждении этого медного сплава мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве и вовсе постепенно исчезали. В данном случае, если провести аналогию с пружиной, можно сказать, что она способна останавливать рост кристалла прежде, чем разрушится сама. Подпружиненным оказывается кристалл мартенсита, что в свою очередь и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой. Получается, что если охлаждать, то граница будет смещаться в одну сторону, а если нагревать- в другую, т.е. обратную. Описанное явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле. Стоит отметить, что изменением формы сопровождается и термоупругое мартенситное превращение, только в данном случае изменение имеет обратимый характер. И именно такое превращение и обеспечивает память металлов.
Второе событие относят к 1958 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе было представлено устройство двух американских ученых: Т. Рида и Д. Либермана. Основой такого устройства служил тонкий длинный стержень из золото-кадмиевого сплава. Один его конец был жестко закреплен в стойке в горизонтальном положении, а на другой вешали груз и под тяжестью он изгибался. Однако необычным было то, что когда стержень нагревали, то он выпрямлялся и спокойно поднимал груз, если же его охлаждали, то он снова становился изогнутым. Таким способом было наглядно продемонстрированно свойство памяти формы у металлов.
В начале 60-х годов в Америке произошло третье ключевое событие, когда в результате поиска прочного, относительно легкого и при этом имеющего способность работать в агрессивных средах, ученые создали сплав никеля с титаном в пропорции один к одному. Данный сплав при обработке проявил свойство памяти формы, о котором даже не подозревали. Эффект памяти проявлялся очень сильно и это открывало широкие перспективы для использования такого сплава.
Новый материал получил название нитинол- производное от трех слов: никель, титан и название лаборатории НОЛ. Как стало известно позже, и в данном случае свойство памяти формы основывалось на мартенситном превращении.
Глава 2. Практическая часть
2.1. Нитинол – лидер среди материалов с памятью форм
Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана (нитинол) — интерметаллид эквиатомного состава с 55 % Ni (по массе). Температура плавления — 1240—1310 ˚C, плотность — 6,45 г/см³. Исходная структура никелида титана стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.
Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма.
Никелид титана обладает следующими свойствами:
очень высокой коррозионной стойкостью;
высокой прочностью;
хорошими характеристиками формозапоминания; высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила; деформация до 8 % может полностью восстанавливаться; напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа;
хорошей биологической совместимостью;
высокой демпфирующей способностью.
К недостаткам материала относят плохую технологичность и высокую цену:
из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород, для предотвращения окисления при производстве необходимо использовать вакуумирование;
оборотной стороной высокой прочности является затрудненность обработки при изготовлении деталей, особенно резанием;
в конце XX века никелид титана стоил чуть дешевле серебра.
При современном уровне промышленного производства изделия из никелида титана (наряду со сплавами системы Cu-Zn-Al) нашли широкое практическое применение и рыночный сбыт.
2.2. Опыты по изучению свойств металлов, обладающих памятью Как видно из вышеописанного методика получения таких металлов очень сложная, поэтому имея только пружина и небольшой кусочек металла, изготовленный из нитинола. Я провел опыты, доказывающие прочность и способность металла восстанавливать свою форму всего при температуре 400С Для начала я закрепил пружину в лапке штатива. Измерив массу небольшой фарфоровой корзинке я прикрепил ее к пружине. Потом я растянул пружину, затем поднеся огонь, она вернулась в исходное положение. Я повторил опыт трижды, каждый раз увеличивая нагрузку и результат оказался одинаковым. Эти опыты доказывают, что нитинол довольно прочное соединение, которое способно выдержать давление до 800 атм. Такой тип соединения может заменить собой сварку, предотвращая недостатки сварного шва. Второй опыт я провел из скрепки, сделанной из нитинола. Я изменил форму металла, а затем поместил в его в воду, разогретую доя температуры 400С-500С. Кусочек металла принял свою исходную форму. Эффект памяти первоначальной формы нитинола выражается в способности при повышении температуры воздействия до порога фазового превращения восстанавливать деформированный профиль в исходное состояние, которое было придано нитинолу при определенной температуре. Сверхупругость проявляется во время перехода при нагревании из одного структурного внутреннего состояния в другое. При достижении значения фазового превращения сплав как пружина принимает первоначальный вид. Глава 3. Сферы применения материалов с эффектом памяти
Сферы применения сплавов с памятью формы достаточно различны. Так фирмой «Рейхем Корпорейшен» была разработана и внедрена втулка из никелида титана для соединения в военных самолетах труб гидравлической системы. Способ применения заключался в том, что в исходном состоянии при температуре 20 градусов по Цельсию втулка помещалась в криостат, где уже при температуре минус 196 градусов по Цельсию плунжером развальцовываются внутренние выступы и затем изнутри холодная втулка становится гладкой. Затем втулка вынимается специальными клещами из криостата и надевается на концы соединяемых труб. В данном случае комнатная температура будет служить температурой нагрева для данного сплава, поэтому внутренние выступы будут «вспоминать» свою первоначальную форму и выпрямляться, врезаясь при этом во внешнюю поверхность соединяемых труб.
Металлы с эффектом памяти формы нашли свое применение в такой важной области нашей жизни, как медицина. С помощью металлов с таким свойством, как память формы были разработаны перчатки, которые применяются в процессе реабилитации, фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, зажимы для защемления слабых вен, стержни для коррекции позвоночника при сколиозе, оправа для очков, ортопедические импланты, проволока для исправления зубного ряда и еще огромное множество других полезных и жизненно необходимых медицинских устройств.
Так же свойство эффекта памяти широко применяется в тепловых сигнализациях, а именно в пожарных сигнализациях, противопожарных заслонках, различных сигнальных устройствах для ванн, бойлерных баках тепловой регенерации. Также свойство широко применяется в автомобилестроении, а именно в системах для предотвращения выхлопа газов, которые содержат пары топлива, в устройствах для удаления тепла из радиатора, устройствах для включения противотуманных фар.
Металлы с эффектом памяти применяются и в других различных областях, например, для герметизации корпусов микросхем, изготовления кофеварок, электронных кухонных плит конвекционного типа, чувствительных клапанов кондиционера, при изготовлении электромагнитных кухонных комбайнов, и разнообразных зажимных инструментов. Также сплавы с таким свойством могут быть использованы в качестве рабочего тела холодильников и тепловых насосов.
В космической технике с помощью этих сплавов эффектно решается традиционная проблема экономии места. Свернутые или скрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космического корабля антенны, механизмы стабилизации, солнечные батареи распрямляются или выдвигаются от действия солнечного тепла.
Созданы соединения способами, заменяющими сварку, пайку и другие трансформационные методы. Для соединения двух трубок в топлевном двигателе самолета, берут втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутренний диаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединительных трубок. В жидком азоте деформируем втулку методом раздачи, так что ее внутренний диаметр становится на 4% больше наружного диаметра трубок. Теперь концы трубок мы можем ввести внутрь втулки, которая, отогреваясь до комнатной температуры, сжимается и сжимает концы трубок, обеспечивая прочное и герметичное соединение.
В авиации и кораблестроении уже установлены сотни тысяч таких соединений. Они показали высокую надежность и работают безотказно. Это значительно проще, чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения в труднодоступных местах, когда сварка или пайка вообще невозможны, - например, на дне моря.
Нитинол не ржавеет, он легок и прочен. Не исключено, что в будущем из него будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже после серьезного дорожного происшествия, восстановит форму кузова просто в результате легкого подогрева поврежденных мест.
В самом начале этого реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или иного типа. Строгую периодичность системы ионов называют “дальним порядком”. Например, при многократном повторении в пространстве той комбинации ионов воспроизводится объемно-центрированная кубическая решетка. При наличии дальнего порядка мы можем точно указать координаты любого иона, если знаем его порядковый номер по отношению к произвольно выбранному исходному иону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко определены.
Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию “ближним порядком”. Можно довольно точно указать координаты и количество атомов, окружающих данный атом, но более далеких прогнозов делать уже нельзя. Но в природе существует и другая категория веществ, которые называются аморфными. При охлаждении, когда энергия тепловых колебаний атомов становится столь низкой, что они уже не могут свободно путешествовать, эти вещества сохраняют структуру жидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов. Движение “толпы” как бы постепенно затихает, люди все менее энергично толкают друг друга и, наконец, застывают на своих случайных местах, слегка покачиваясь из стороны в сторону.
Обычное стекло, смола, парафин, асфальт - это примеры природно аморфных материалов, не имеющих правильного кристаллического строения. Такие материалы при нагревании и охлаждении лишь изменяют свою вязкость, но никаких принципиальных изменений во взаимном расположении составляющих их атомов не происходит.
У кристаллических тел подобные изменения свойств при нагреве происходят гораздо более резко, а само плавление - у чистых металлов - идет при строго определенной температуре, так что температура плавления металла является одной из его фундаментальных физических характеристик (констант). Если не меняется внешнее давление и металл хорошо очищен от примесей, то по появлению первой капли при нагреве можно определить температуру с точностью до десятых долей градуса.
Возникает вопрос: нельзя ли и в металлическом сплаве “заморозить” ту атомную структуру которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металл дальнего порядка в твердом состоянии. Ведь тогда можно ожидать значительного изменения всех тех его свойств, которые определяются правильным строением кристаллов.
Металлические порошки с эффектом памяти — самый прочный материал для 3D-печати. Изделия, созданные на металлических 3D-принтерах, по многим параметрам превосходят аналоги, произведенные с помощью традиционных технологий (литье, прокатка и др.).
Основные характеристики изделий из металлического порошка
Повышенная прочность
Любая геометрия
Большой выбор металлов и их сплавов
Шероховатые поверхности
Отсутствие напряженности металла
Любая пост-обработка
Материал поддержки используется для повторной печати
Причина, по которой 3D–печать металлом стала столь популярной, заключается в том, что напечатанные объекты можно выпускать серийно. На самом деле, некоторые из напечатанных деталей так же хороши (если не лучше), как и те, которые изготавливаются традиционными способами.
При традиционном производстве работа с пластиком и металлом может оказаться довольно расточительной — появляется масса отходов, используется немало лишнего материала. Когда авиапроизводитель делает детали из металла, до 90% материала просто обрезается. 3D–напечатанные металлические детали требуют меньше энергии, а количество отходов сокращается до минимума. Немаловажно и то, что конечный напечатанный 3D–продукт оказывается до 60% легче традиционной детали. На одной только авиационной промышленности — главным образом за счет снижения веса и экономии топлива — можно сэкономить миллиарды долларов.
Едва ли в это десятилетие появится возможность печатать жидким металлом в домашних условиях. До 2020 года у вас, вероятно, не появится дома специализированного для этих целей принтера. Но через несколько лет, по мере развития нанотехнологий, мы можем стать свидетелями существенного развития новых приложений. Это может быть 3D–печать проводящим серебром, которое будет испускаться примерно так же, как это происходит в двумерных домашних принтерах. Станет возможным даже смешивать в одном объекте различные материалы вроде пластика и металла. На рисунке 3 представлены образцы, выполненные с помощью металлической 3D печати.
Рис. 3. Образцы, напечатанные с помощью 3D печати металлом
Высокая эффективность превращения работы в тепло при мартенситных превращениях (в никелиде титана) предполагает использование таких материалов не только как высокодемпфирующих, но и в качестве рабочего тела холодильников и тепловых насосов.
Свойство сверхупругости используется для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии.
Также используется эффект памяти формы в изготовлении ювелирных изделий, например, в украшениях в виде цветка, при нагревании которого прикосновением тела лепестки цветка раскрываются, обнажая спрятанный внутри драгоценный камень.
Эффект памяти формы используется и иллюзионистами, например, в фокусе с изогнутым гвоздём, самостоятельно выпрямляющимся в руках фокусника или одного из зрителей.
Заключение
Изучение свойства памяти формы ведется и по сей день во многих странах мира, так как данное свойство имеет огромные перспективы в применении.
Уже сейчас благодаря металлам обладающим свойством памяти появилась возможность пользоваться такими устройствами в медицине, как искусственные мышцы, приводящиеся в действие электрическим током, фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, стержни для коррекции позвоночника; в автомобилестроении, как системы предотвращения выхлопа газов, устройства для включения противотуманных фар; а также устройствами тепловых сигнализаций и другими.
А ведь еще совсем недавно применяемое свойство памяти формы в различных сплавах применялось фокусниками в трюке с изогнутым гвоздем, который сам распрямлялся в руках зрителя, для потехи публики.
На конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана эффект памяти формы обнаружен в следующих системах:
Au—Cd — разработан в 1951 году в Иллинойском университете (США); один из пионеров материалов с памятью формы;
Cu—Zn—Al — наряду с никелидом титана имеет практическое применение; температуры мартенситных превращений в интервале от −170 до 100 ˚C; по сравнению с никелидом титана не подвержен быстрому окислению на воздухе, легко обрабатывается и в пять раз дешевле, но хуже по механическим (вследствие укрупнения зерна при термообработке), противокорозионным и технологическим свойствам (проблемы стабилизации зерна в порошковой металлургии), характеристикам формозапоминания;
Cu—Al—Ni — разработан в Осакском университете (Япония); температуры мартенситных превращения в интервале от 100 до 200 ˚C;
Fe—Mn—Si — сплавы этой системы наиболее дешевые;
Fe—Ni;
Cu—Al;
Cu—Mn;
Co—Ni;
Ni—Al.
Некоторые исследователи полагают, что эффект памяти формы принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситные превращения, в том числе и у таких чистых металлов как титан, цирконий и кобальт.
Удивительный материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную стоматологию без композитных материалов на основе NiTi (те же скобы, которые вставляют детям для выпрямления зубов). Доставленные на орбиту в «свернутом» виде солнечные батареи разворачиваются сами на несколько десятков квадратных метров и т.д. и т.д.. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.
Список литературы
Бойко В. С., Гарбер Р. И., Косевич А. М. Обратимая пластичность кристаллов. — М.: Наука, 1991. — 280 с.
Бучельников В. Д., Васильев А. Н., Коледов В. В., Таскаев С. В., Ховайло В. В., Шавров В. Г. Магнитные сплавы с памятью формы: фазовые переходы и функциональные свойства // Успехи физических наук, 2006, т. 176, № 8, c. 900—906.
Васильев А.Н., Бучельников В.Д., Такаги Т., Ховайло В.В., Эстрин Э.И. Ферромагнетики с памятью формы // Успехи физических наук, 2003г.
Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, 2-е изд., М.: ЛКИ, 2012, 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7
Займовский В. А., Колупаева Т. Л. Необычные свойства обычных материалов. — М.: Наука, 2002.
Каган М. Ю., Клапцов А. В., Бродский И. В., Кугель К. И., Сбойчаков А. О., Рахманов А. Л. Мелкомасштабное фазовое расслоение и электронный транспорт в манганитах // Успехи физических наук, 2003, т. 173, № 8, c. 877—883.
Лихачев В.А. Эффект памяти формы,2000г.
Лихачев В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. -. — СПб.:: Наука, 1993. — 441 с. — ISBN 5-02-024754-6.
Малыгин Г. А. Размытые мартенситные переходы и пластичность кристаллов с эффектом памяти формы // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 2, c. 187—212.
Муслов, С.А. Андреев, А.Б. Бондарев, П.Ю. Сухочев. М.Сверхэлластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине. Справочно-библиографические издание./, Издательский дом «Фолиум». 2010. 456 с.
Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М.: Металлургия, 2004г.. — 224 с.
Тихонов А. С., Герасимов А. П., Прохорова И. И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. — М.: Машиностроение, 2001. — 81 с.
Хачин В.Н.. Память формы. — М.: Знание, 2004г.
Шишкин С.В., Н. А. Махутов. Расчёт и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. — Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. — 412 с. — ISBN 978-5-93972-596-5.
21