VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование свойств металлов с памятью формы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира — это стойкость и надежность металлических изделий и конструкций, стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям. Однако существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – металлы с памятью формы.
Данная работа посвящена металлам с памятью форм, их использованию в технике и исследованию некоторых свойств таких металлов.
Проблема исследования заключается в том, что, несмотря на то что учёные уже неплохо изучили металлы с памятью форм, в технике такие металлы находит все большее применение.
С научной точки зрения актуальность состоит в ознакомлении со свойствами металлов с памятью форм и постановкой эксперимента для изучения некоторых физических закономерностей, возникающих при этом.
Актуальность с личной точки зрения, состоит в расширении моих знаний о физических свойствах металлов. В процессе работы над проектом я смог исследовать одно из физических свойств металлов с памятью форм в школьной лаборатории.
Учебное исследование реализуется в предметных рамках физики, химии.
Объект исследования: Металлический сплав с памятью форм.
Предмет исследования: Некоторые физические свойства, возникающие в металлах с памятью форм.
Гипотеза исследования: Металлы с памятью форм обладают рядом уникальных физических свойств, которые широко применяется в различных областях науки и техники.
На основании выше изложенного мы ставим пред собой следующие цели:
- изучить данное явление при помощи научных источников;
- создать экспериментальную установку для изучения некоторых свойств металлов с памятью форм;
- исследовать некоторые физические закономерности, свойственные металлам с памятью форм;
- рассказать и продемонстрировать учащимся нашего лицея результаты исследования.
Для реализации поставленной цели, мною были выдвинуты следующие задачи:
Теоретические:
Изучить источники информации по теме работы;
Провести классификацию научной информации;
Обобщить изученную информацию.
Практические
Создать экспериментальную установку;
Исследовать некоторые физические закономерности, свойственные металлам с памятью форм;
Рассказать и продемонстрировать учащимся мой проект.
Практическая значимость: в конце работы будет проведено исследования металла с памятью форм, которое может быть использована на уроках физики, химии и технологии.
МЕТАЛЛЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
Эффект памяти формы — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.
Наиболее ярким представителем металлических материалов с памятью формы является сплав никеля и титана (никелид титана, другое его название - нитинол). Он является наиболее изученным из сплавов, хотя на конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов.
Данный эффект в металлах и сплавах имеет не только научное, но и практическое значение. Так, в ряде случаев его применение обеспечивает решение очень сложных технических проблем. Форма элементов может быть различной в зависимости от назначения (пластина, пружина, стержень и т.д.). При растяжении-сжатии элемента на его материал действуют силы кручения-изгиба, что позволяет получать большие деформации при незначительном изменении температур превращения внутри самого материала. В настоящее время эффект памяти формы находит применение в приборостроении, судостроении, космической отрасли и др. Впервые сплав с памятью формы был применен в самолете в 1971 году в ВМС США. Это стало большим достижением [1, 2].
Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление:
1. Есть металлическая проволока;
2. Эту проволоку изгибают;
3. Начинаем нагревать проволоку;
4. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.
Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений. Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях и может проявляться несколько миллионов циклов. Эффект памяти формы сплава можно усиливать предварительными термообработками. Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда металл с памятью формы при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую [4].
МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ:
1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами) [8].
2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В материалах с памятью формы мартенсит является термоупругим.
3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние.
4. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.
В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют прямые и обратные мартенситные превращения. Мартенситное превращение ‐ полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием [4].
Под прямым мартенситным превращением понимают превращение из высокотемпературной гранецентрированной кубической фазы (аустенит) в низкотемпературную объемно‐центрированную кубическую фазу (α‐ мартенсит). Обратное превращение – из объемно‐центрированной кубической фазы в гранецентрированную кубическую.
Никелид титана — лидер среди материалов с памятью формы по применению и по изученности.
Никелид титана обладает:
— превосходной коррозионной стойкостью,
— высокой прочностью,
— хорошими характеристиками формозапоминания,
— хорошей совместимостью с живыми организмами,
— высокой демпфирующей (поглощением шума и вибрации) способностью материала.
ПРИМЕНЕНИЕ
В медицине:
Жизненно важной отраслью для человека является медицина. В этой области металлы с эффектом памяти формы нашли свое применение. С помощью таких металлов научились создавать фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, зажимы для защемления слабых вен, стержни для коррекции позвоночника при сколиозе, оправы для очков, ортопедические импланты, проволоки для исправления зубного ряда и еще огромное множество других полезных и жизненно необходимых медицинских устройств [6].
В промышленности:
Применение эффекта памяти формы позволяет решать многие технические задачи, такие как:
создание герметичных трубных узлов аналогично методу развальцовки (фланцевые соединения, самозатягивающиеся обоймы и муфты);
изготовление зажимных инструментов, захватов, толкателей; проектирование «суперпружин» и аккумуляторов механической энергии, шаговых двигателей;
создание соединений из разнородных материалов (металл-неметалл) или в труднодоступных местах, когда применение сварки или пайки становится невозможным;
изготовление силовых элементов многоразового действия; корпусная герметизация микросхем, гнезда для их присоединения;
производство регуляторов и датчиков температуры в различных приборах (пожарная сигнализация, предохранители, клапаны тепловых машин и другие)[7].
В космической отрасли:
Большие перспективы имеет создание подобных аппаратов для космической промышленности (саморазворачивающиеся антенны и солнечные батареи, телескопические устройства, инструмент для монтажных работ в открытом космосе, приводы поворотных механизмов – рулей, заслонок, люков, манипуляторов). Их преимуществом является отсутствие импульсных нагрузок, которые вносят нарушения в пространственное положение в космосе [7].
Феноменология эффекта памяти формы у металлов проявляется при нагреве до температуры мартенситного превращения после предварительного охлаждения.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ.
Для выявления зависимостисвойств металла с памятью форм путем измерения показаний температуры нагревания металла и времени, за которое металл принимает исходную форму, была сделана установка.
Нагрев происходит с помощью горячей воды. Данные температуры измеряются с помощью датчика температуры, время замеряется секундомером. Металлическая деформированная скрепка помещается в калориметр, заливается горячей водой разной температуры. Измеряется время, за которое металл принимает первоначальную форму. Диаметр проволоки – 0,2мм.
|
Температура (Градусы Цельсия) |
Время (Секунды) |
|
|
1 |
98 |
0,84 |
|
2 |
75 |
0.9 |
|
3 |
65 |
1,05 |
|
4 |
58 |
1,36 |
Таблица 1. Зависимость времени восстановления формы от температуры нагревания металла
График 1. Зависимость времени восстановления формы от температуры нагревания металла
Вывод: Скорость, с которой металл принимает исходную форму зависит от температуры нагревания. Чем выше температура, тем быстрее металл достигнет исходной формы. Следовательно, можно регулировать скорость и время, изменяя температуру. И зная температуру рассчитать время, необходимое на возвращение в исходную форму.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ:
Вегера Ж.Г. Эффекты структурной организации коллоидных частиц и микрочастиц дисперсного немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при её взаимодействии с электрическими и магнитными полями. Дис. канд. физ.-мат. наук. - Ставрополь, 2004.
Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 3 – Электричество и магнетизм. Москва, 2016.
Лихачев В.А. и др. Эффект памяти формы. Л., Издательство ЛГУ.1987. 216
Тихонов А.С. и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М., Машиностроение. 1981. 81 с.
Хачин В.Н. Память формы. М., Знание.1984. 62 с.
Сплавы с памятью формы в медицине. / В.Э. Гюнтер, В.В. Котенко, М.З. Миргазизов, В.К. Поленичкин, И.А. Витюгов, В.И. Итин, Р.В. Зиганьшин, Ф.Т. Темерханов. Томск: Изд-во Томского университета. 1986. 208 с.
Сверхэлластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине. Справочно-библиографические издание./ С.А Муслов, В.А. Андреев, А.Б. Бондарев, П.Ю. Сухочев. М., Издательский дом «Фолиум». 2010. 456 с.
Вебсайт ООО «НиТиМет Компани». [Электронный ресурс] NiTiMET COMPANY. URL: http://www.niti-met.ru/index.php (дата обращения: 12.11.2018).
Сплавы с памятью формы [Электронный ресурс]// Википедия. 2013. URL: http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения: 12.02.2013).
Журнал «Наука и жизнь» №11.-2002 - http://www.nkj.ru/archive/articles/4971/
http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/smerchi_i_tornado.html (Энциклопедия кругосвет)
http://technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/izobreteniya_i_innovatsii/innovatsionnyie_tornado-tehnologii (Техника молодёжи)