Nach landläufiger Meinung sind Metalle die langlebigsten und widerstandsfähigsten Materialien. Es gibt jedoch Legierungen, die ihre Form nach der Verformung ohne äußere Belastung wiedererlangen können. Sie zeichnen sich auch durch andere einzigartige physikalische und mechanische Eigenschaften aus, die sie von Strukturmaterialien unterscheiden.
Wesen des Phänomens
Der Formgedächtniseffekt von Legierungen besteht darin, dass sich ein vorverformtes Metall durch Erwärmung oder einfach nach Entlastung spontan zurückbildet. Diese ungewöhnlichen Eigenschaften wurden von Wissenschaftlern bereits in den 1950er Jahren bemerkt. 20. Jahrhundert Schon damals wurde dieses Phänomen mit martensitischen Umwandlungen im Kristallgitter in Verbindung gebracht, bei denen es zu einer geordneten Bewegung der Atome kommt.
Martensit in Formgedächtnismaterialien ist thermoelastisch. Diese Struktur besteht aus Kristallen in Form dünner Platten, die in den äußeren Schichten gedehnt und in den inneren gestaucht werden. Die "Träger" der Deformation sind Interphasen-, Zwillings- und Interkristallitgrenzen. Nach dem Erhitzen verformtLegierung entstehen innere Spannungen, die versuchen, das Metall wieder in seine ursprüngliche Form zu bringen.
Die Art der spontanen Erholung hängt vom Mechanismus der vorherigen Exposition und den Temperaturbedingungen ab, unter denen sie stattfand. Von größtem Interesse ist die mehrfache Zyklizität, die mehrere Millionen Deformationen ausmachen kann.
Metalle und Legierungen mit Formgedächtniseffekt haben eine weitere einzigartige Eigenschaft - eine nichtlineare Abhängigkeit der physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Materials von der Temperatur.
Sorten
Der obige Prozess kann verschiedene Formen annehmen:
- Superplastizität (Superelastizität), bei der die Kristallstruktur des Metalls Verformungen standhält, die die Streckgrenze im Normalzustand deutlich überschreiten;
- einfaches und reversibles Formgedächtnis (im letzteren Fall wird der Effekt während der Temperaturwechsel wiederholt reproduziert);
- Vorwärts- und Rückumwandlungsduktilität (Spannungsakkumulation beim Abkühlen bzw. Erhitzen beim Durchlaufen einer martensitischen Umwandlung);
- umkehrbares Gedächtnis: Beim Erhitzen wird zuerst eine Verformung wiederhergestellt, bei weiterer Temperaturerhöhung dann eine andere;
- orientierte Transformation (Akkumulation der Verformungen nach Entlastung);
- Pseudoelastizität - Wiederherstellung unelastischer Verformungen von elastischen Werten im Bereich von 1-30%.
Rückkehr zum ursprünglichen Zustand für Metalle mit dem EffektDas Formgedächtnis kann so intensiv sein, dass es nicht durch eine Kraft nahe der Zugfestigkeit unterdrückt werden kann.
Materialien
Unter den Legierungen mit solchen Eigenschaften sind Titan-Nickel (49–57 % Ni und 38–50 % Ti) die häufigsten. Sie haben eine gute Leistung:
- hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit;
- signifikanter Erholungsfaktor;
- großer Wert der Eigenspannung bei Rückkehr in den Ausgangszustand (bis 800 MPa);
- gute Verträglichkeit mit biologischen Strukturen;
- effektive Schwingungsdämpfung.
Neben Titannickelid (bzw. Nitinol) werden auch andere Legierungen verwendet:
- zweikomponentig - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- Dreikomponenten - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si und andere.
Legierungszusätze können die Martensitumwandlungstemperatur stark verschieben und die Reduktionseigenschaften beeinflussen.
Industrielle Nutzung
Die Anwendung des Formgedächtniseffekts ermöglicht die Lösung vieler technischer Probleme:
- Schaffung dichter Rohrverbindungen ähnlich dem Bördelverfahren (Flanschverbindungen, selbstspannende Schellen und Kupplungen);
- Herstellung von Spannwerkzeugen, Greifern, Drückern;
- Design„Superfedern“und Akkumulatoren mechanischer Energie, Schrittmotoren;
- Erstellen von Verbindungen aus unterschiedlichen Materialien (Metall-Nichtmetall) oder an schwer zugänglichen Stellen, wenn Schweißen oder Löten unmöglich wird;
- Produktion von wiederverwendbaren Leistungselementen;
- Gehäuseversiegelung von Mikrosch altkreisen, Buchsen für deren Verbindung;
- Produktion von Temperaturreglern und Sensoren in verschiedenen Geräten (Feuermelder, Sicherungen, Wärmekraftmaschinenventile und andere).
Die Schaffung solcher Geräte für die Raumfahrtindustrie (selbstausfahrende Antennen und Solarpaneele, Teleskopgeräte, Werkzeuge für Installationsarbeiten im Weltraum, Antriebe für Drehmechanismen - Ruder, Rollläden, Luken, Manipulatoren) hat große Aussichten. Ihr Vorteil ist das Fehlen von Impulsbelastungen, die die räumliche Lage im Raum stören.
Anwendung von Formgedächtnislegierungen in der Medizin
In der medizinischen Materialwissenschaft werden Metalle mit diesen Eigenschaften zur Herstellung technischer Geräte verwendet, wie zum Beispiel:
- Schrittmotoren zum Dehnen von Knochen, Aufrichten der Wirbelsäule;
- Filter für Blutersatzstoffe;
- Vorrichtungen zur Fixierung von Frakturen;
- orthopädische Hilfsmittel;
- Klemmen für Venen und Arterien;
- Pumpenteile für künstliches Herz oder Niere;
- Stents und Endoprothesen zur Implantation in Blutgefäße;
- kieferorthopädische Drähte zur Korrektur des Gebisses.
Nachteile und Perspektiven
Trotz ihres großen Potenzials haben Formgedächtnislegierungen Nachteile, die ihre weite Verbreitung einschränken:
- teure Chemiekomponenten;
- komplizierte Herstellungstechnologie, die Notwendigkeit, Vakuumausrüstung zu verwenden (um den Einschluss von Stickstoff- und Sauerstoffverunreinigungen zu vermeiden);
- Phaseninstabilität;
- geringe Bearbeitbarkeit von Metallen;
- Schwierigkeiten bei der genauen Modellierung des Verh altens von Strukturen und der Herstellung von Legierungen mit den gewünschten Eigenschaften;
- Alterung, Ermüdung und Abbau von Legierungen.
Eine vielversprechende Richtung in der Entwicklung dieses Technologiebereichs ist die Herstellung von Beschichtungen aus Metallen mit Formgedächtniseffekt sowie die Herstellung solcher Legierungen auf Eisenbasis. Verbundstrukturen werden es ermöglichen, die Eigenschaften von zwei oder mehr Materialien in einer technischen Lösung zu kombinieren.
