Formhukommelseseffekt
Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den
version , der blev gennemgået den 20. juni 2022; verifikation kræver
1 redigering .
Formhukommelseseffekten er et fænomen med at vende tilbage til sin oprindelige form ved opvarmning , hvilket observeres i nogle materialer efter foreløbig deformation.
Introduktion
En af de grundlæggende opfattelser af menneskers fænomener i den ydre verden er holdbarheden og pålideligheden af metalprodukter og strukturer, der stabilt bevarer deres funktionelle form i lang tid , medmindre de selvfølgelig udsættes for superkritiske påvirkninger.
Der er dog en række materialer , metallegeringer , som, når de opvarmes efter foreløbig deformation , udviser fænomenet med at vende tilbage til deres oprindelige form.
Fænomen
For at forstå formhukommelseseffekten er det nok at se dens manifestation én gang (se fig. 1). Hvad sker der?
- Der er en metaltråd .
- Denne ledning er bøjet.
- Vi begynder at opvarme ledningen.
- Ved opvarmning retter tråden sig ud og genopretter sin oprindelige form.
Essensen af fænomenet
Hvorfor sker dette? (Se fig. 2)
- I den oprindelige tilstand har materialet en vis struktur. På figuren er det angivet med regulære firkanter .
- Under deformation (i dette tilfælde bøjning ) strækkes de ydre lag af materialet, og de indre komprimeres (de midterste forbliver uændrede). Disse aflange strukturer er martensitiske plader, hvilket ikke er usædvanligt for metallegeringer. Usædvanligt er martensit termoelastisk i materialer med formhukommelse.
- Ved opvarmning begynder termoelasticiteten af martensitplader at dukke op, det vil sige, at der opstår interne spændinger i dem , som har tendens til at returnere strukturen til sin oprindelige tilstand, det vil sige at komprimere de aflange plader og strække de fladede.
- Da de ydre aflange plader komprimeres, og de indvendige fladtrykte plader strækkes, gennemgår materialet som helhed autodeformation i den modsatte retning og genopretter sin oprindelige struktur og dermed sin form.
Karakteristika for formhukommelseseffekten
Formhukommelseseffekten er karakteriseret ved to størrelser.
- Et legeringsmærke med en strengt konsistent kemisk sammensætning.
- Temperaturer af martensitiske transformationer .
I processen med manifestation af formhukommelseseffekten er martensitiske transformationer af to typer involveret - direkte og omvendt. Følgelig manifesterer hver af dem sig i sit eget temperaturområde: M H og M K - begyndelsen og slutningen af den direkte martensitiske transformation ved afkøling, A H og A K - begyndelsen og slutningen af den omvendte martensit-transformation ved opvarmning.
Martensitiske omdannelsestemperaturer er en funktion af både legeringens kvalitet (legeringssystemet) og dens kemiske sammensætning . Små ændringer i den kemiske sammensætning af legeringen (tilsigtet eller som følge af ægteskab ) fører til et skift i disse temperaturer (se fig. 4).
Dette indebærer behovet for streng overholdelse af den kemiske sammensætning af legeringen for en utvetydig funktionel manifestation af formhukommelseseffekten, som oversætter metallurgisk produktion til højteknologiske områder .
Formhukommelseseffekten viser sig i flere millioner cyklusser ; det kan forstærkes ved foreløbige varmebehandlinger .
Reversible formhukommelseseffekter er mulige, når et materiale ved en temperatur "husker" en form, og ved en anden temperatur - en anden.
Jo højere temperaturen af den omvendte martensitiske transformation er, jo mindre udtalt er formhukommelseseffekten. For eksempel observeres en svag formhukommelseseffekt i legeringer af Fe-Ni (5-20% Ni) systemet, hvor temperaturen af den omvendte martensitiske transformation er 200-400 ˚C.
Blandt formhukommelsens funktionelle egenskaber er fænomenet den såkaldte orienterede transformationsdeformation af stor teoretisk og praktisk betydning. Betydningen af dette arvelige fænomen er som følger. Hvis et legeme, der er afkølet under stress, aflastes i det område af temperaturer, hvor plasticiteten af den direkte martensitiske transformation realiseres, og temperaturfaldet ikke standses, vil fortsat afkøling ikke altid forårsage makroskopisk deformation. Tværtimod fortsætter deformationen oftest med at akkumulere, som om materialet næppe blev losset. I andre tilfælde er der et intenst udbytte af afkøling. Sådanne egenskaber, hvoraf den første almindeligvis kaldes orienteret transformationsdeformation, den anden - unormal tilbagevenden af deformation, er forbundet med væksten af martensitkrystaller dannet under belastning - i tilfælde af deformation af orienteret transformation, krystaller med positiv orientering og i tilfældet med unormal tilbagevenden - negativ orientering. Disse fænomener kan især initieres af orienterede mikrostress.
Superelasticitet
Et andet fænomen, der er tæt forbundet med formhukommelseseffekten, er superelasticitet - egenskaben af et materiale, der udsættes for belastning til en spænding, der væsentligt overstiger flydespændingen , for fuldstændig at genoprette sin oprindelige form efter at belastningen er fjernet [1] . Superelasticitet observeres i temperaturområdet mellem begyndelsen af den direkte martensitiske transformation og slutningen af den omvendte.
Shape Memory Materials
Titanium nikkelide
Føreren blandt materialer med formhukommelse med hensyn til anvendelse og undersøgelse er titaniumnikkelid ( nitinol ), en intermetallisk forbindelse med ækviatomisk sammensætning med 55 % Ni (efter masse). Smeltepunkt - 1240-1310 ˚C, massefylde - 6,45 g / cm³. Den oprindelige struktur af titaniumnikkelid, et stabilt kropscentreret kubisk gitter af CsCl-typen, gennemgår en termoelastisk martensitisk transformation under deformation med dannelsen af en lavsymmetrisk fase .
Et element lavet af titaniumnikkelid kan udføre funktionerne som både en sensor og en aktuator .
Titanium nikkelid har følgende egenskaber:
Ulemperne ved materialet omfatter dårlig fremstillingsevne og høj pris:
- på grund af tilstedeværelsen af titanium hæfter legeringen let nitrogen og oxygen , for at forhindre oxidation under produktionen er det nødvendigt at bruge vakuum;
- bagsiden af høj styrke er vanskeligheden ved forarbejdning ved fremstilling af dele, især skæring;
- i slutningen af det 20. århundrede var titaniumnikkelid ikke meget billigere end sølv .
På det nuværende niveau af industriel produktion har produkter fremstillet af titaniumnikkelid (sammen med legeringer af Cu-Zn-Al-systemet) fundet bred praktisk anvendelse og markedssalg.
Andre legeringer
I slutningen af det 20. århundrede blev formhukommelseseffekten fundet i mere end 20 legeringer. Ud over titaniumnikkelid findes formhukommelseseffekten i følgende systemer:
- Au-Cd - udviklet i 1951 ved University of Illinois ( USA ); en af pionererne inden for formhukommelsesmaterialer;
- Cu-Zn-Al - sammen med titanium nikkelid har praktiske anvendelser; temperaturer af martensitiske transformationer i området fra -170 til 100 ˚C; sammenlignet med titaniumnikkelid er det ikke udsat for hurtig oxidation i luft, er let forarbejdet og er fem gange billigere, men værre i mekaniske (på grund af forgrovning af korn under varmebehandling), anti-korrosion og teknologiske egenskaber (problemer med kornstabilisering i pulvermetallurgi ), formhukommelseskarakteristika;
- Cu-Al-Ni - udviklet ved Osaka University ( Japan ); martensitiske transformationstemperaturer i området fra 100 til 200 ˚C;
- Fe-Mn-Si er de billigste legeringer i dette system;
- Fe-Ni;
- Cu-Al;
- Cu-Mn;
- Co-Ni;
- Ni-Al.
Nogle forskere[ hvem? ] mener, at formhukommelseseffekten er grundlæggende mulig for ethvert materiale, der gennemgår martensitiske transformationer, herunder sådanne rene metaller som titanium , zirconium og kobolt .
Produktion af titaniumnikkelid
Smeltning udføres i et vakuumkranie eller en lysbueovn med en forbrugselektrode i en beskyttende atmosfære ( helium eller argon ). Ladningen i begge tilfælde er jodid titanium eller titanium svamp , presset til briketter , og nikkel kvalitet H-0 eller H-1. For at opnå en ensartet kemisk sammensætning over tværsnittet og højden af barren anbefales dobbelt eller tredobbelt omsmeltning. Ved smeltning i en lysbueovn anbefales en strøm på 1,2 kA, en spænding på 40 V og et heliumtryk på 53 MPa. Den optimale køletilstand for ingots for at forhindre revnedannelse er afkøling med en ovn (ikke mere end 10 ˚C/s). Fjernelse af overfladefejl - afskalning med smergelhjul. For en mere fuldstændig justering af den kemiske sammensætning i hele barrens volumen udføres homogenisering ved en temperatur på 950-1000 ˚C i en inert atmosfære.
Anvendelse af materialer med formhukommelseseffekt
Titanium nikkel koblinger
Bøsningen blev først udviklet og introduceret af Raychem Corporation (USA) for at forbinde rørene i militærflyets hydrauliske system . Der er mere end 300.000 sådanne forbindelser i jagerflyet , men der har aldrig været rapporter om deres sammenbrud. . Tilslutningsbøsningens udseende er vist i fig. 5. Dens funktionelle elementer er indvendige fremspring.
Brugen af sådanne bøsninger er som følger (se fig. 6):
- Sleeve i original stand ved en temperatur på 20 ˚C.
- Bøsningen placeres i en kryostat , hvor de indvendige fremspring ved en temperatur på −196 ˚C udbredes med et stempel .
- Det kolde ærme bliver glat indefra.
- Muffen fjernes fra kryostaten med en speciel tang og sættes på enderne af rørene , der skal tilsluttes .
- Rumtemperatur er opvarmningstemperaturen for en given sammensætning af legeringen, når den opvarmes, hvortil alt sker automatisk: de indvendige fremspring genopretter deres oprindelige form, retter sig ud og skærer ind i den ydre overflade af de tilsluttede rør.
Det viser sig en stærk vakuumtæt forbindelse, der kan modstå tryk op til 800 atm. Faktisk erstatter denne type forbindelse svejsning . Og det forhindrer sådanne mangler ved svejsningen som den uundgåelige blødgøring af metallet og akkumulering af defekter i overgangszonen mellem metallet og svejsningen.
Derudover er denne forbindelsesmetode god til den endelige forbindelse ved montering af en struktur, når svejsning bliver svær at få adgang til på grund af sammenvævning af knudepunkter og rørledninger. Disse bøsninger bruges i luftfart, rumfart og bilindustrien . Denne metode bruges også til at forbinde og reparere undersøiske kabelrør.
I medicin
Termisk alarm
Andre anvendelser
- Focusu Boro (Japan) bruger titaniumnikkelid i optagerdrev . Indgangssignalet fra optageren omdannes til en elektrisk strøm, som varmer titanium-nikkelid-tråden op. På grund af ledningens forlængelse og afkortning sættes optagerens pen i bevægelse. Siden 1972 er flere millioner sådanne enheder blevet fremstillet (data i slutningen af det 20. århundrede). Da drivmekanismen er meget enkel, er nedbrud yderst sjældne.
- Elektronisk komfur konvektion type. En titaniumnikkelidsensor bruges til at skifte ventilation under mikrobølgeopvarmning og cirkulerende varmluftopvarmning.
- Føleventil til rumklimaanlæg . Justerer vindens retning i klimaanlæggets luftudtag til køling og opvarmning.
- Kaffemaskine . Kogetemperaturdetektion , samt for on-off ventiler og kontakter.
- Elektromagnetisk foodprocessor. Induktionsopvarmning produceres af hvirvelstrømme, der opstår i bunden af gryden under påvirkning af magnetiske felter . For ikke at blive forbrændt vises et signal, som aktiveres af et element i form af en spole af titaniumnikkelid.
- Elektronisk opbevaringstørrer. Betjener klapperne ved regenerering af dehydreringsmidlet.
- I begyndelsen af 1985 begyndte formhukommelseslegeringer, der blev brugt til at fremstille bh - stel , at komme på markedet med succes. Metalrammen i bunden af kopperne er lavet af titanium nikkelid tråd. Her bruges egenskaben superelasticitet. Samtidig er der ingen følelse af tilstedeværelsen af en ledning, indtrykket af blødhed og fleksibilitet. Når den deformeres (under vask), genopretter den let sin form. Salg - 1 million styk om året. Dette er en af de første praktiske anvendelser af formhukommelsesmaterialer.
- Fremstilling af diverse spændeværktøjer .
- Forsegling af mikrokredsløbshuse .
- Den høje effektivitet ved at konvertere arbejde til varme under martensitiske transformationer (i titaniumnikkelid) antyder brugen af sådanne materialer ikke kun som stærkt dæmpende materialer, men også som arbejdsvæske i køleskabe og varmepumper .
- Egenskaben superelasticitet bruges til at skabe højeffektive fjedre og mekaniske energiakkumulatorer.
- Virkningen af formhukommelse bruges også til fremstilling af smykker, for eksempel i smykker i form af en blomst, når de opvarmes, med berøring af kroppen, åbnes blomstens kronblade, hvilket afslører perlen gemt indeni.
- Formhukommelseseffekten bruges også af illusionister, for eksempel i et trick med en buet negl, der retter sig i hænderne på en tryllekunstner eller en af tilskuerne.
Se også
Noter
- ↑ Boyko, 1991 , s. 160.
Litteratur
- Likhachev V. A., Kuzmin S. L., Kamentseva Z. P. Formhukommelseseffekt. - L . : Publishing House of Leningrad State University, 1987.
- Tikhonov A. S., Gerasimov A. P., Prokhorova I. I. Anvendelse af formhukommelseseffekten i moderne maskinteknik. - M . : Mashinostroenie, 1981. - 81 s.
- Likhachev V. A., Malinin V. G. Strukturel-analytisk styrketeori. -. - St. Petersborg:: Nauka, 1993. - 441 s. — ISBN 5-02-024754-6 .
- V. N. Khachin. Form hukommelse. - M . : Viden, 1984. - 64 s. — (“Viden”, “Fysik”.).
- Ootsuka K., Shimizu K., Suzuki Y. Formhukommelseslegeringer: Pr. fra japansk / Ed. H. Funakubo. M.: Metallurgi, 1990. - 224 s.
- S. V. Shishkin, N. A. Makhutov. Beregning og design af bærende strukturer på legeringer med formhukommelseseffekt. - Izhevsk: Scientific and Publishing Center "Regular and Chaotic Dynamics", 2007. - 412 s. - ISBN 978-5-93972-596-5 .
- Malygin G. A. Slørede martensitiske overgange og plasticitet af krystaller med formhukommelseseffekten // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2001, v. 171, nr. 187-212.
- Vasiliev A. N. , Buchelnikov V. D. , Takagi T. , Khovailo V. V. , Estrin E. I. Shape-memory ferromagnets // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, v. 173, nr. 6, s. 577-608.
- Kagan M. Yu. , Klaptsov A. V. , Brodsky I. V. , Kugel K. I. , Sboychakov A. O. , Rakhmanov A. L. Småskala faseseparation og elektrontransport i manganitter // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, vol. 183, s. nr. 877-883.
- Buchelnikov V. D. , Vasiliev A. N. , Koledov V. V. , Taskaev S. V. , Khovailo V. V. , Shavrov V. G. Magnetisk formhukommelseslegeringer: faseovergange og funktionelle egenskaber // Uspekhi fizicheskikh Nauk , 2006, nr. 1876, s. 900-906.
- Voronov V. K. , Podoplelov A. V. Fysik ved årtusindskiftet: kondenseret tilstand, 2. udgave, M.: LKI, 2012, 336 sider, ISBN 978-5-382-01365-7
- Boiko V. S., Garber R. I., Kosevich A. M. Reversibel plasticitet af krystaller. — M .: Nauka, 1991. — 280 s.
- Zaimovsky V. A., Kolupaeva T. L. Usædvanlige egenskaber ved almindelige materialer. — M .: Nauka, 1984.
Links