Двойная память

По мере охлаждения аустенита в его решетке развиваются процессы, подготавливающие ее перестройку в решетку мартенсита (снижение модуля упругости). Решетка аустенита как бы устойчивость по отношению к смещению атомов в определенных направлениях. Чем ближе подходим к температуре начала мартенситных превращений, тем больше «ослабляется» решетка. Вблизи температуры Мн подготовительные процессы зашли достаточно далеко (немного охладить и произойдет перестройка в решетку мартенсита) достаточно легкого толчка, чтобы вызвать перестройку. Этот толчок дает внешнее напряжение, стремящееся вызвать сдвиг атомов в ослабленных направлениях.

При высокой температуре (вдали от Мн) подвешиваем груз и начинаем охлаждение. Вначале действие груза вызовет небольшую упругую деформацию решетки аустенита (закон Гука). При охлаждении вблизи достаточно Мн наступит момент, это же напряжение вызовет А→М превращение. Последующий нагрев вызовет обратные превращения. (предел упругости высокотемпературной фазы нитинола близок к 1000 МПа, поэтому напряжения возникающие в сплаве, если препятствовать вспомнить форму, имеют такую же величину.)

При нагреве и охлаждении стержня в нем каждый раз будут происходить одни и те же превращения. Каждый раз при охлаждении образуются одни и те же кристаллы мартенсита, «избранные» внешним напряжением, каждый раз они появляются всегда на одном и том же месте. Данное явление объясняется наличием в структуре аустенита неоднородности – границы зерен, дислокации, мелкие частички других фаз, создающие поля внутренних напряжений. Данные напряжения вместе с напряжением, создаваемым внешней силой, способствуют росту кристаллов мартенсита, ориентировка которых лучше всего соответствует равнодействующей всех сил, возникающих в данном участке образца. Циклические переходы аустенита в мартенсит и обратно не проходят бесследно для структуры образца, несмотря на то, что накопленная при охлаждении деформация практически полностью исчезает при нагреве. Структура аустенита «привыкает» к появлению именно этих кристаллов и именно в определенных местах. Вырабатывается вторая память сплава – «память холодной формы». Теперь уже без внешней нагрузки сплав деформируется при охлаждении в том же направлении, а при нагреве восстанавливает исходную форму. Однако если охлаждением под нагрузкой можно получить ~ 10% относительную деформацию, то такой сплав дает деформацию всего 1 – 3%.

Использование сплавов с эффектом памяти

Число сплавов с эффектом памяти формы боле 100, однако, из этого общего числа только сплавы Ti – Ni, Cu – Zn – Al, а также эти сплавы с добавками легирующих элементов пригодны для практического использования. (Оптимальная деформация для сплава Ti – Ni составляет ~ 6%, для сплава Cu – Zn – Al~ 2%; при большом числе циклов работы эти величины уменьшаются соответственно до < 2 и 0,5%.)

1. 1960 г. патент на температурный переключатель из сплава Cd – Ag – Au.

2. Антенна искусственного спутника. Состоит из листа и стержня, выполненных сплава Ti – Ni, свернутых в виде спирали и помещенных в углубления в спутнике. После запуска спутника и выхода на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя и тепла солнечного излучения.

1 – проволока из сплава; 2 – листовой сплав.

3. Соединение труб. Для муфт использовался сплав Ti – Ni – Fe, температура мартенситного превращения которого ниже комнатной (~–150°С). Внутренний диаметр муфты изготавливался примерно на 4 % меньше, чем наружный диаметр соединяемых труб. При соединении муфта погружалась в жидкий воздух и выдерживалась. В таком состоянии в муфту вводился дорн с определенной конусностью и расширялся внутренний диаметр на 7 – 8%. В расширенную муфту, температура которой поддерживается низкой, вводятся с двух сторон соединяемые трубы, удаляется устройство для поддержания низкой температуры, повышается температура до комнатной. Внутренний диаметр муфты восстанавливается до диаметра, который имела муфта перед расширением. Происходит прочное соединение труб. (такие муфты используются для соединения трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14)

4. Стопоры. Для неподвижного соединения деталей обычно применяют заклепки и болты. Если нельзя осуществить выполнение операций на одной из сторон скрепляемых деталей, то использование подобных креплений невозможно. Подобные задачи легко осуществить с использованием сплавов с памятью формы.

Стопоры изготавливают таким образом, чтобы в исходном состоянии имеелся раскрытый конец. Перед осуществлением операции крепления стопор погружается в сухой лед или жидкий воздух и охлаждается, после чего осуществляют выпрямление концов. Стопор вводится в отверстие для крепления. При повышении температуры до комнатной происходит восстановление формы, торцы штифта расходятся, операция закрепления завершается.

5. Исполнительные элементы. Соответствующим способом нагрева и регулированием обеспечивается возвратно-поступательное или вращательное движение исполнительных элементов. Обычно применяется нагрев прямым пропусканием тока. Существуют и другие: нагрев с помощью пропускания горячей и холодной воды, обдув горячим воздухом, высокочастотный индукционный нагрев, инфракрасное и лазерной излучение.

а) микроманипулятор: 1 – силиконовая резина; 2 – проволока;

б) устройство для перемещения образцов в электронном микроскопе (1 и 2 – спирали из сплавов с эффектом памяти).