Podle běžné moudrosti jsou kovy nejtrvanlivějšími a nejodolnějšími materiály. Existují však slitiny, které mohou po deformaci obnovit svůj tvar bez působení vnějšího zatížení. Vyznačují se také dalšími jedinečnými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi, které je odlišují od konstrukčních materiálů.
Podstata fenoménu
Efekt tvarové paměti slitin spočívá v tom, že předem zdeformovaný kov se samovolně obnoví v důsledku zahřátí nebo jednoduše po vyložení. Těchto neobvyklých vlastností si vědci všimli již v 50. letech minulého století. 20. století Již tehdy byl tento jev spojován s martenzitickými přeměnami v krystalové mřížce, při kterých dochází k uspořádanému pohybu atomů.
Martenzit v materiálech s tvarovou pamětí je termoelastický. Tato struktura se skládá z krystalů ve formě tenkých plátů, které jsou ve vnějších vrstvách nataženy a ve vnitřních stlačeny. "Nositeli" deformace jsou mezifázové, dvojčatové a mezikrystalické hranice. Po zahřátí deformovanéslitiny, objeví se vnitřní pnutí, snažící se vrátit kovu jeho původní tvar.
Povaha spontánního zotavení závisí na mechanismu předchozí expozice a teplotních podmínkách, za kterých probíhala. Největší zájem je o mnohonásobnou cykličnost, která může činit několik milionů deformací.
Kovy a slitiny s efektem tvarové paměti mají další unikátní vlastnost - nelineární závislost fyzikálních a mechanických vlastností materiálu na teplotě.
Odrůdy
Výše uvedený proces může mít několik podob:
- superplasticita (superelasticita), při které krystalová struktura kovu odolá deformacím, které výrazně překračují mez kluzu v normálním stavu;
- jednoduchá a reverzibilní tvarová paměť (v druhém případě se efekt opakovaně reprodukuje během tepelného cyklování);
- dopředná a zpětná transformační tažnost (akumulace napětí během ochlazování a ohřevu při průchodu martenzitickou transformací);
- reverzibilní paměť: při zahřátí se nejprve obnoví jedna deformace a poté s dalším zvýšením teploty další;
- orientovaná transformace (akumulace deformací po odstranění zátěže);
- pseudoelasticita - zotavení nepružných deformací z elastických hodnot v rozsahu 1-30%.
Návrat do původního stavu pro kovy s efektemtvarová paměť může být tak intenzivní, že ji nelze potlačit silou blízkou pevnosti v tahu.
Materiály
Mezi slitinami s takovými vlastnostmi jsou nejběžnější titan-nikl (49–57 % Ni a 38–50 % Ti). Mají dobrý výkon:
- vysoká pevnost a odolnost proti korozi;
- významný faktor obnovy;
- velká hodnota vnitřního napětí při návratu do výchozího stavu (až 800 MPa);
- dobrá kompatibilita s biologickými strukturami;
- efektivní pohlcování vibrací.
Kromě niklu titanu (nebo nitinolu) se používají také další slitiny:
- dvousložkové - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- třísložkový - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si a další.
Legující přísady mohou výrazně posunout teplotu martenzitické transformace, což ovlivňuje redukční vlastnosti.
Průmyslové použití
Použití efektu tvarové paměti umožňuje řešení mnoha technických problémů:
- vytvoření těsných potrubních sestav podobných metodě rozšiřování (přírubové spoje, samoutahovací spony a spojky);
- výroba upínacích nástrojů, chapadel, tlačníků;
- design"superspružiny" a akumulátory mechanické energie, krokové motory;
- vytváření spojů z různých materiálů (kov-nekov) nebo na těžko dostupných místech, když je svařování nebo pájení nemožné;
- výroba opakovaně použitelných energetických prvků;
- těsnění pouzdra mikroobvodů, zásuvky pro jejich připojení;
- výroba regulátorů teploty a senzorů v různých zařízeních (požární hlásiče, pojistky, ventily tepelných motorů a další).
Vytvoření takových zařízení pro vesmírný průmysl (samoumístění antén a solárních panelů, teleskopická zařízení, nástroje pro instalační práce ve vesmíru, pohony pro rotační mechanismy - kormidla, uzávěry, poklopy, manipulátory) má velkou perspektivu. Jejich výhodou je absence impulzních zátěží, které narušují prostorovou polohu v prostoru.
Využití slitin s tvarovou pamětí v lékařství
V lékařských materiálech se kovy s těmito vlastnostmi používají k výrobě technologických zařízení, jako jsou:
- krokové motory pro protahování kostí, narovnávání páteře;
- filtry pro krevní náhražky;
- zařízení pro fixaci zlomenin;
- ortopedické pomůcky;
- svorky na žíly a tepny;
- části pumpy pro umělé srdce nebo ledviny;
- stenty a endoprotézy pro implantaci do krevních cév;
- ortodontické dráty pro korekci chrupu.
Nevýhody a vyhlídky
Navzdory svému velkému potenciálu mají slitiny s tvarovou pamětí nevýhody, které omezují jejich široké přijetí:
- drahé chemické komponenty;
- složitá výrobní technologie, nutnost použití vakuového zařízení (aby se zabránilo zahrnutí nečistot dusíku a kyslíku);
- fázová nestabilita;
- nízká obrobitelnost kovů;
- potíže s přesným modelováním chování struktur a výroby slitin s požadovanými vlastnostmi;
- stárnutí, únava a degradace slitin.
Slibným směrem ve vývoji této oblasti technologie je vytváření povlaků z kovů s efektem tvarové paměti a také výroba takových slitin na bázi železa. Kompozitní struktury umožní kombinovat vlastnosti dvou nebo více materiálů v jednom technickém řešení.
