Formminneseffekt

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 20 juni 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Formminneseffekten  är ett fenomen att återgå till sin ursprungliga form vid upphettning , vilket observeras i vissa material efter preliminär deformation.

Introduktion

En av de grundläggande uppfattningarna om fenomenen i den yttre världen av människor  är hållbarheten och tillförlitligheten hos metallprodukter och strukturer som stabilt behåller sin funktionella form under lång tid , såvida de naturligtvis inte utsätts för superkritisk påverkan.

Det finns dock ett antal material , metallegeringar , som, när de värms upp efter preliminär deformation , uppvisar fenomenet att återgå till sin ursprungliga form.

Fenomen

För att förstå formminneseffekten räcker det att se dess manifestation en gång (se fig. 1). Vad händer?

  1. Det finns en metalltråd .
  2. Denna tråd är böjd.
  3. Vi börjar värma tråden.
  4. Vid uppvärmning rätas tråden ut och återställer sin ursprungliga form.

Kärnan i fenomenet

Varför händer det här? (Se fig. 2)

  1. I initialtillståndet har materialet en viss struktur. I figuren indikeras det med vanliga rutor .
  2. Under deformation (i detta fall böjning ) sträcks materialets yttre skikt och de inre komprimeras (de mellersta förblir oförändrade). Dessa långsträckta strukturer är martensitiska plåtar, vilket inte är ovanligt för metallegeringar. Ovanligt, i material med formminne, är martensit termoelastisk.
  3. Vid uppvärmning börjar termoelasticiteten hos martensitplattor att uppstå, det vill säga inre spänningar uppstår i dem , som tenderar att återställa strukturen till sitt ursprungliga tillstånd, det vill säga att komprimera de långsträckta plattorna och sträcka de tillplattade.
  4. Eftersom de yttre långsträckta plattorna komprimeras och de inre tillplattade sträcks, genomgår materialet som helhet autodeformation i motsatt riktning och återställer sin ursprungliga struktur och därmed dess form.

Egenskaper för formminneseffekten

Formminneseffekten kännetecknas av två kvantiteter.

  1. Ett legeringsmärke med en strikt konsekvent kemisk sammansättning.
  2. Temperaturer för martensitiska transformationer .

I processen för manifestation av formminneseffekten är martensitiska transformationer av två typer involverade - direkt och omvänd. Följaktligen manifesterar var och en av dem sig i sitt eget temperaturområde: M H och M K  - början och slutet av den direkta martensitiska omvandlingen vid kylning, A H och A K  - början och slutet av den omvända martensitomvandlingen vid uppvärmning.

Martensitiska omvandlingstemperaturer är en funktion av både legeringens kvalitet (legeringssystemet) och dess kemiska sammansättning . Små förändringar i legeringens kemiska sammansättning (avsiktliga eller som ett resultat av äktenskap ) leder till en förändring av dessa temperaturer (se fig. 4).

Detta innebär behovet av strikt efterlevnad av den kemiska sammansättningen av legeringen för en entydig funktionell manifestation av formminneseffekten, vilket översätter metallurgisk produktion till sfären av högteknologi .

Formminneseffekten visar sig i flera miljoner cykler ; den kan förstärkas genom preliminära värmebehandlingar .

Reversibla formminneseffekter är möjliga när ett material vid en temperatur "minns" en form och vid en annan temperatur - en annan.

Ju högre temperatur den omvända martensitiska transformationen är, desto mindre uttalad blir formminneseffekten. Till exempel observeras en svag formminneseffekt i legeringar av Fe–Ni (5–20 % Ni)-systemet, där temperaturen för den omvända martensitiska transformationen är 200–400 ˚C.

Bland de funktionella egenskaperna hos formminnet är fenomenet med den så kallade orienterade transformationsdeformationen av stor teoretisk och praktisk betydelse. Innebörden av detta ärftliga fenomen är följande. Om en under stress kyld kropp avlastas i det område av temperaturer där plasticiteten för den direkta martensitiska transformationen realiseras och temperaturminskningen inte stoppas, kommer fortsatt kylning inte alltid att orsaka makroskopisk deformation. Tvärtom, oftast fortsätter deformationen att ackumuleras, som om materialet knappast lossades. I andra fall är det en intensiv avkastning på kylning. Sådana egenskaper, av vilka den första vanligtvis kallas orienterad transformationsdeformation, den andra - onormal återkomst av deformation, är förknippade med tillväxten av martensitkristaller som bildas under belastning - i fallet med deformation av orienterad transformation, kristaller med positiv orientering och i fallet med onormal avkastning - negativ orientering. Dessa fenomen kan initieras, i synnerhet, av orienterade mikrostress.

Superelasticitet

Ett annat fenomen som är nära relaterat till formminneseffekten är superelasticitet - egenskapen hos ett material som utsätts för belastning för en spänning som avsevärt överstiger sträckgränsen , för att helt återställa sin ursprungliga form efter att belastningen har tagits bort [1] . Superelasticitet observeras i temperaturintervallet mellan början av den direkta martensitiska transformationen och slutet av den omvända.

Shape Memory Materials

Titannickelid

Ledaren bland material med formminne när det gäller tillämpning och studier är titannickelid ( nitinol ), en intermetallisk förening med ekviatomisk sammansättning med 55 % Ni (i vikt). Smältpunkt - 1240-1310 ˚C, densitet - 6,45 g / cm³. Den initiala strukturen av titannickelid, ett stabilt kroppscentrerat kubiskt gitter av CsCl-typ, genomgår en termoelastisk martensitisk transformation under deformation med bildandet av en lågsymmetrisk fas .

Ett element tillverkat av titannickelid kan utföra funktionerna för både en sensor och ett ställdon .

Titannickelid har följande egenskaper:

Nackdelarna med materialet inkluderar dålig tillverkningsbarhet och högt pris:

På den nuvarande nivån av industriell produktion har produkter gjorda av titannickelid (tillsammans med legeringar av Cu-Zn-Al-systemet) funnit bred praktisk tillämpning och marknadsförsäljning.

Andra legeringar

I slutet av 1900-talet hittades formminneseffekten i mer än 20 legeringar. Förutom titannickelid finns formminneseffekten i följande system:

Några forskare[ vem? ] tror att formminneseffekten är fundamentalt möjlig för alla material som genomgår martensitiska transformationer, inklusive sådana rena metaller som titan , zirkonium och kobolt .

Tillverkning av titannickelid

Smältning utförs i en vakuumskalle eller en elektrisk ljusbågsugn med en förbrukningsbar elektrod i en skyddande atmosfär ( helium eller argon ). Laddningen i båda fallen är jodidtitan eller titansvamp , pressad till briketter , och nickelkvalitet H-0 eller H-1. För att få en enhetlig kemisk sammansättning över götets tvärsnitt och höjd rekommenderas dubbel eller trippel omsmältning. Vid smältning i en ljusbågsugn rekommenderas en ström på 1,2 kA, en spänning på 40 V och ett heliumtryck på 53 MPa. Det optimala kylläget för göt för att förhindra sprickbildning är kylning med en ugn (högst 10 ˚C/s). Borttagning av ytdefekter - peeling med smärgelhjul. För en mer fullständig inriktning av den kemiska sammansättningen genom hela götets volym, utförs homogeniseringen vid en temperatur på 950–1000 ˚C i en inert atmosfär.

Tillämpning av material med formminneseffekt

Titannickelkopplingar

Bussningen utvecklades och introducerades först av Raychem Corporation (USA) för att ansluta rören till det hydrauliska systemet för militära flygplan . Det finns mer än 300 000 sådana kopplingar i fightern , men det har aldrig förekommit rapporter om deras haverier. . Utseendet på anslutningshylsan visas i fig. 5. Dess funktionella element är inre utsprång.

Användningen av sådana bussningar är som följer (se fig. 6):

  1. Sleeve i originalskick vid en temperatur på 20 ˚C.
  2. Bussningen placeras i en kryostat , där, vid en temperatur av −196 ˚C, de inre utsprången utvidgas med en kolv .
  3. Kallhylsan blir slät från insidan.
  4. Hylsan tas bort från kryostaten med en speciell tång och sätts på ändarna av de rör som ska anslutas .
  5. Rumstemperatur är uppvärmningstemperaturen för en given sammansättning av legeringen, när den värms upp till vilken allt sker automatiskt: de inre utsprången återställer sin ursprungliga form, rätar ut och skär in i den yttre ytan av de anslutna rören.

Det visar sig en stark vakuumtät anslutning som tål tryck upp till 800 atm. Faktum är att denna typ av anslutning ersätter svetsning . Och det förhindrar sådana brister i svetsen som den oundvikliga uppmjukningen av metallen och ackumuleringen av defekter i övergångszonen mellan metallen och svetsen.

Dessutom är denna anslutningsmetod bra för den slutliga anslutningen vid montering av en struktur, när svetsning blir svåråtkomlig på grund av sammanvävning av noder och rörledningar. Dessa bussningar används inom flyg-, rymd- och fordonsapplikationer . Denna metod används också för att foga ihop och reparera sjökabelrör.

I medicin

Termiskt larm

Andra användningsområden

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Boyko, 1991 , sid. 160.

Litteratur

Länkar