Эффект памяти формы

В сети достаточно много видеороликов, демонстрирующих работу сплавов с памятью формы. В большей степени, они сводятся к следующему: деталь из СПФ деформируется со значительным изменением формы, далее деформированная деталь подвергается нагреву, в процессе которого восстанавливается исходная форма конструкции. Способность к восстановлению исходной недеформированной формы после неупругого деформирования при нагреве выше определенной температуры, называется эффектом памяти формы. Данная особенность обнаружена у сплавов систем Au-Cd, Cu-Zn-Al и некоторых других. В практических приложениях, наибольшее распространение получили сплавы на базе системы Ni-Ti (нитинол), использующиеся в медицинской, авиационной, электротехнической и других отраслях промышленности (рис. 1).

Рис. 1 — Примеры использования СПФ в медицине

Высокотемпературная аустенитная фаза имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку B2 типа СsСl и характеризуется более высокими значениями модуля упругости: например, для нитинола E_A = 84000 МПа. В мартенситном состоянии структура материала варьируется в зависимости от некоторых дополнительных условий. В частности, мартенситная фаза может иметь несколько типов кристаллических решеток: R-мартенсит с ромбоэдрической структурой, орторомбическая фаза В19, искаженная орторомбическая фаза В19’. При переходе материала в мартенситную фазу происходит значительное снижение модуля упругости: для нитинола жесткость снижается в три раза до E_M=28000 МПа.

При определенном сочетании температуры и механических напряжений в СПФ возможно прохождение обратимых бездиффузионных фазовых превращений аустенитной фазы в мартенситную (прямое мартенситное превращение A → M) и обратно, из мартенситной в аустенитную (обратное мартенситное превращение M → A). Данный процесс удобно описывать на основе диаграммы фазового состава с введением скалярной переменной — объемной доли мартенситной фазы q ∈ [0,1]. На рис. 2 представлена зависимость объемной доли мартенсита от температуры. При охлаждении материала ниже температуры T < M_s⁰ начинается преобразование аустенита в мартенсит, т. е. прямое мартенситное превращение (A → M). Завершение прямого превращения, то есть переход всего объема в мартенситную фазу (q = 1 ), происходит при снижении температуры до значения T = M_f⁰. При последующем нагреве мартенситной фазы сплава до температуры A_s⁰ происходит обратное превращение (M → A). Фазовое превращение продолжается до достижения температуры значения A_f⁰, при которой материал полностью переходит в исходное аустенитное состояние: q = 0.

Рис. 2 — Диаграмма фазового состава

Для СПФ температуры фазовых переходов M_s⁰, M_f⁰, A_s⁰, A_f⁰ являются основными характеристиками, определяющими работоспособность материала, которые зависят как от его состава, так и от обработки. По степени важности их можно сравнить с пределом текучести и прочности стальной продукции. Диапазон их возможных значений достаточно широк и подбирается для каждого конкретного изделия. Важно гарантировать точные значения температур фазовых переходов относительно температурного режима эксплуатации. Например, несоблюдение данного требования для материала стента приведёт к тому, что он не раскроется в сосуде в ходе операции.

С практической точки зрения, проблему с точностью определения температур фазовых переходов осложняет тот факт, что они существенным образом зависят от уровня действующих напряжений. В соответствии с термодинамическим уравнением Клаузиуса–Клапейрона, увеличение действующих напряжений приводит к смещению диаграммы фазового состава вправо, в сторону более высоких температур (рис. 3). Как правило, данная зависимости имеет линейный характер, однако требует экспериментальной проверки и учета при проектировании.

Рис. 3 — Влияние действующих напряжений на температуры фазовых переходов

Зависимости интервалов температур от напряжений приводят к возможности развития фазовых превращений только за счет изменения напряжения при изотермическом нагружении. Поведение материала в таких процессах существенно зависит от положения температуры начала нагружения относительно интервалов температур фазовых превращений. Ниже приведены возможные варианты диаграмм деформирования СПФ в зависимости от температуры, при которой происходит механическое нагружение (рис. 4).

Рис. 4 — Варианты диаграмм деформирования СПФ в изотермическом режиме при различной температуре

Рис. 5 — Демонстрация эффекта памяти формы

Легко представить, что, приближая температуру обратного фазового превращения к температуре тела человека, можно добиться повторения трюка с ложкой из художественного фильма «Матрица» :)

Рис. 6 — Кадр из фильма «Матрица»

Если сплавы с памятью формы вызовут интерес у пользователей портала, то мы продолжим цикл статей, посвященных данной теме. Продемонстрируем их принципиальные отличия от стальной продукции, покажем, какие свойства и как именно, уже сейчас используются в промышленности.