История и перспективы развития материалов с памятью формы

Санкт-Петербургский  государственный университет

Математико-механический факультет

 

 

 

 

Реферат по истории механике

на тему «История и перспективы  развития материалов с памятью формы  »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнила

       студентка 352 группы

Аншукова Ксения

Проверил: Сабанеев В.С.

Санкт-Петербург

2011

Оглавление:

1. Введение …………………………………………………………………. 3
2. Основные этапы развития материалов с памятью формы…………….  3
1. Первый этап…………………………………………………………..  3
2. Второй этап...........................................................................................  4
3. Третий этап…………………………………………………………… 5
3. Применение материалов с памятью формы……………………………  5
4. Заключение……………………………………………………………….  7
5. Список литературы………………………………………………………  8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение.

Эффект  памяти формы (ЭПФ) в металлах, открытие которого по праву рассматривается  как одно из самых значительных достижений материаловедения, в настоящее время  интенсивно исследуется и ряде случаев  успешно применяется в технике.

До  недавнего времени неупругую  деформацию рассматривали как пластическую и считали ее необратимой. Исследованиями последних десятилетий установлено, что существует обширный класс материалов, у которых элементарный акт пластичности осуществляется за счет обратимого мартенситного превращения и ряда других процессов, коренным образом изменяющих закономерности неупругого деформирования. У этих сплавов, в частности, может наблюдаться полная или частичная обратимость неупругой деформации, называемая эффектом памяти формы. Металлы, обладающие этим эффектом, относятся к числу наиболее ярких представителей материалов со специальными свойствами: высокие обычные механические характеристики, сопротивление усталости, коррозионная стойкость и необычные свойства, такие как термомеханическая память, реактивное напряжение.

2.Основные этапы развития  материалов с памятью формы.

Открытие  эффекта памяти формы в целом  восходит к 1932 году, когда шведский исследователь Арне Оландер первым заметил это свойство в золото-кадмиевых  сплавах. В истории изучения мартенситных превращений можно выделить три ключевых события, которые оказали непосредственное влияние на формирование нового направления, занимающегося изучением и применением эффекта памяти формы в сплавах.

2.1 Событие первое.

 В 1949 году в журнале  «Доклады Академии наук СССР»  появилась статья Г. В. Курдюмова  и Л. Г. Хандроса «О термоупругом  равновесии при мартенситных  превращениях». Ее авторы в  одном из медных сплавов обнаружили  ранее неизвестную особенность  мартенситного превращения.

Здесь придется обратиться к считавшейся классической картине  мартенситного превращения. Свободная  энергия рождающихся кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы. Именно это стимулирует развитие мартенситного перехода. Однако появляются и силы препятствующие. Прежде всего  это повышение свободной энергии  из-за возникновения границы раздела  старой и новой фаз. Кроме того, растущие кристаллы мартенситной фазы вынуждены деформировать окружающую матрицу, которая, конечно, сопротивляется этому. В результате возникает упругая  энергия, которая препятствует дальнейшему  росту кристаллов. Накопление упругой  энергии подобно пружине, сжимающейся  по мере роста кристалла. Когда эта  энергия превысит предел упругости, происходит как бы разрушение пружины, что вызывает интенсивную деформацию материала в окрестности границы  раздела фаз. Рост кристалла прекращается. Этот процесс может происходить исключительно быстро, подобно взрыву, и тогда отдельные кристаллы мартенсита вырастают практически мгновенно до своих конечных размеров. В сталях мартенситное превращение происходит именно так.

Обратный переход мартенсита в аустенит (так называется высокотемпературная  фаза стали, из которой он образовался) уже не может произойти по обратному  «взрывному» механизму. Пружина  была сломана, границы между фазами нарушены, и теперь обратная бездиффузионная, сдвиговая перестройка решетки  затруднена. Нужен значительный перегрев сплава, чтобы в недрах мартенсита начали зарождаться и расти кристаллы  аустенита. При этом их исходная форма, как правило, не восстанавливается (атомы не попадают на свои прежние  места).

Особенность мартенситного  превращения, которую наблюдали  в медном сплаве, состояла в том, что при его охлаждении мартенситные кристаллы росли медленно, а при  нагреве постепенно исчезали. Если продолжить аналогию с пружиной, то можно сказать, что в данном случае она успевает остановить рост кристалла  прежде, чем сама разрушится. Кристалл мартенсита оказывается как бы подпружиненным, что и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним  и исходной фазой: при охлаждении граница смещается в одну сторону, при нагреве — в обратную.

Вскоре авторы обнаружили также, что граница между фазами ведет себя аналогично, если охлаждение и нагрев заменить соответственно приложением  и снятием нагрузки.

Новое явление получило название термоупругого равновесия фаз в  твердом теле.

Термоупругое мартенситное превращение также сопровождается изменением формы, но в данном случае это изменение носит (что очень  существенно) обратимый характер: исходная форма кристаллов аустенита восстанавливается. И, как стало ясно в дальнейшем, именно такое превращение в основном и обеспечивает память металлов.

2.2 Событие второе.

В 1958 году на Всемирной выставке в Брюсселе американские ученые Т. Рид и Д. Либерман представили интересное устройство. Основной его частью был тонкий (диаметром 3 мм) длинный (100 мм) стержень из золото-кадмиевого сплава (66% золота). Одним концом он был жестко закреплен в стойке и находился в горизонтальном положении. На свободный конец стержня подвешивали груз (около 50 г), под тяжестью которого стержень изгибался. Когда от нагревателя к стержню подводили тепло, он выпрямлялся и поднимал груз, но стоило вентилятору охладить стержень, как он снова изгибался и т. д. Это была действующая модель теплового двигателя, у которого твердое рабочее тело из золото-кадмиевого сплава в результате охлаждения и нагрева обратимо меняло форму, что было прямым следствием термоупругого мартенситного превращения.

Так наглядно было продемонстрировано неизвестное ранее у металлов свойство памяти формы.

2.3 Событие третье.

 В 1962 году Уильям  Бюлер вместе с Фредериком  Вангом открыли свойства нитинола(сплава титана и никеля обладающего высокой коррозионной и эрозионной стойкостью. Процентное содержание титана — 55 %, никеля — 45 %) в ходе исследования в военно-морской лаборатории.

В процессе обработки этот сплав неожиданно проявил свойство, о существовании которого исследователи  даже и не подозревали: предварительно деформированный образец при  нагреве вспоминал свою первоначальную форму.

Открытие в «рядовом»  сплаве уникального свойства (которому именно тогда и дали название «эффект  памяти») восприняли как сенсацию.

Эффект проявлялся настолько  сильно, что буквально захватывало  дух от перспектив его использования. С другой стороны, случайность сделанного открытия не позволила сразу дать правильное объяснение природы эффекта, и это, естественно, сдерживало его  широкое практическое применение.

Нитинол  и его замечательное свойство памяти стали объектом интенсивного изучения. Но только через несколько лет стало ясно, что и в данном случае память сплава — следствие мартенситного превращения.

Под влиянием всех трех событий  к концу шестидесятых годов сформировалась целая область физических исследований и технических применений эффекта  памяти формы в сплавах.

3. Применения материалов с памятью формы

Чаще всего в приборах, в которых используют материалы с памятью формы используют нитинол. Этому способствует не только отличная его память, но и целый комплекс других полезных свойств: высокая коррозионная стойкость, значительная прочность, технологичность.

Сегодня уже четко обозначились области, где применение сплавов  с памятью наиболее перспективно. Прежде всего это энергетика. С  их помощью пытаются создать тепловые двигатели, использующие низкотемпературные источники тепла. В 1977 году в Киеве  на международной конференции по мартенситным превращениям демонстрировался фильм о таких устройствах. Схема  теплового двигателя предельно  проста. Рабочие элементы, выполненные  из нитинола и насаженные по окружности колеса, попадая в холодную воду, принудительно деформируются,—  например, плоские пластины изгибаются в полуокружности. Затем в горячей  воде пластины выпрямляются и при  этом совершают работу. Часть ее идет на деформацию рабочих элементов, находящихся в это время в  холодной воде, а другая часть на привод колеса, которое, в свою очередь, вращает электрогенератор.

Пока существуют лишь модели таких двигателей. Но даже они показывают высокую эффективность превращения  тепла в работу с помощью сплавов  с памятью. При этом надо еще раз  подчеркнуть, что для работы тепловых двигателей используется тепло, которое  пока другими способами превратить в работу сложно и дорого, а часто  и вообще невозможно. Такое тепло, как правило, сегодня «пропадает» (солнечная энергия, геотермальные  источники и тепловые отходы электростанций и др.).

Другое применение сплавов  с памятью — герметизация и  соединение различных деталей. В  частности, применяют втулки из нитинола для соединения трубопроводов. Из сплава делают втулку, внутренний диаметр  которой чуть меньше наружного диаметра трубопровода, охлаждают ее и раздают  по диаметру так, чтобы свободно надеть на концы трубопровода. Затем втулку нагревают, и она восстанавливает (вспоминает) свой первоначальный размер, плотно обжимает трубопровод и тем  самым осуществляет герметичное  соединение. О высокой надежности такого соединения свидетельствует, например, следующий факт. Более 100 тысяч втулок из нитинола было установлено на истребителях F-14 (США) — и ни единого случая разрушения соединений или поломки  при эксплуатации.

С помощью нитинола герметизируют  также корпуса радиотехнических приборов без применения сварки или  пайки. Здесь плоскую крышку предварительно деформируют в полусферу и  свободно устанавливают в корпусе  прибора. При нагреве крышка возвращается к исходной плоской форме, при  этом врезается в пазы корпуса, надежно  изолируя прибор от внешней среды.

Сплавы с памятью находят  применение и в качестве рабочих  элементов различных термочувствительных, сигнальных и исполнительных устройств  и механизмов.

Большой интерес для космической  техники представляют саморазвертывающиеся устройства, например, антенны, сделанные  из нитинола. Изделие, имеющее большие  размеры, свертывают (деформируют) и  в таком компактном виде транспортируют к месту назначения, где после  нагрева оно восстанавливает  свою форму.

Нитинол находит применение и в медицине. За рубежом, например, разрабатываются методы лечения  сколиоза (деформации позвоночника) с  помощью стержня из нитинола.

Оригинальные работы ведутся  Сибирским физико-техническим институтом совместно с Читинским и Томским  медицинскими институтами, Курганским научно-исследовательским институтом экспериментальной и клинической  ортопедии и травматологии. Разработан ряд новых хирургических приспособлений для соединения и сращивания отломков костей, протезирования и пломбирования  зубов. Исследуются также возможности  применения нитинола для создания новых  медицинских инструментов.

Этими примерами, конечно, не исчерпываются все области использования  сплавов с памятью. Послужной  список их профессий, несомненно, шире, - и он непрерывно растет.

Вызывать у сплава мартенситный переход и соответственно управлять  обратимым изменением формы можно  не только с помощью нагрева и  охлаждения или нагрузки. Такую роль может играть электрическое или  магнитное поле. Следовательно, в  принципе возможно создание, например, сплавов с магнитоупругим мартенситным превращением. В таких материалах магнитное поле либо самостоятельно, либо в совокупности с температурой (или нагрузкой) должно стимулировать  мартенситный переход и тем самым  приводить к обратимому изменению  формы, то есть к памяти формы.

Вообще-то сплавы, где магнитным  полем можно вызвать мартенситный переход, известны. Однако мартенсит  в них, как правило, не упругий, а  следовательно, и без памяти. А  в сплавах, где наблюдаются термоупругие переходы, они практически не чувствительны  к изменению напряженности магнитного поля. Но несомненно, что материалы  с магнитомеханической памятью  должны существовать.

Остановимся еще на одном  интересном направлении, которое связано  с изучением сплавов с памятью.

Смена типа кристаллической  решетки при мартенситном превращении, кроме обратимого изменения формы, должна, конечно, вызывать и изменения  всех других свойств, которые определяются строением решетки. Очевидно, что  наряду с необычным механическим поведением сплавы с памятью» должны отличаться и особым комплексом обратимо меняющихся физических свойств. Для  управления ими достаточно незначительно  изменить температуру или приложить  небольшую внешнюю нагрузку. Ситуация уникальная. Теоретически все именно так. А практическая задача состоит  в том, чтобы найти сплавы, где  нужные свойства будут существенно  меняться. Первые успехи в этом направлении  уже есть. Так, экспериментально наблюдали, что при нагружении нитинола выше некоторой величины электрическое  сопротивление его скачком увеличивается  на десятки процентов.