Знак Вопроса 1997 № 04 - страница 54

стр.

МАТЕРИАЛЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ

Материалы, о которых речь пойдет ниже, наделены на первый взгляд фантастическими свойствами, и то, что происходит с ними у вас на глазах, напоминает фокус, в котором всегда есть что-то загадочное. Представьте себе, что вам дают кусочек металлической довольно пластичной проволоки и предлагают ее согнуть произвольным образом. Затем согнутую проволоку опускают в сосуд с горячей водой (кипятком)!!! Проволока мгновенно распрямляется, становясь жесткой и упругой. Более того, вам предлагают согнутую проволоку связать несколькими витками ниток, препятствующих ее распрямлению. Но и в этом случае согнутая и связанная проволока, погруженная в кипяток, распрямляется, разорвав связывающие ее нитки.

Наблюдаемое явление не может не вызвать недоумения у непосвященных.

Однако ничего сверхъестественного не происходит. На ваших глазах произошла демонстрация эффекта памяти формы (ЭПФ), которым обладают целый ряд металлических сплавов. Создание таких материалов является одним из наиболее значительных достижений современного материаловедения и лишний раз подтверждает мысль о том, что человек, познавший глубину законов природы, может в буквальном смысле творить чудеса.

У истоков открытия эффекта памяти формы стояли ученые — академик Г. В. Курдюмов и доктор физико-технических наук Л. Г. Хандрос. В 1948 г. ими был открыт новый тип мартенситных превращений, так называемые термоупругие мартенситные реакции, лежащие в основе эффекта памяти формы. Однако, как это часто, к сожалению, случается, открытие Курдюмова прошло в России незамеченным и было незаслуженно забыто. Только после того, как в иностранной печати появились работы, посвященные материалам с памятью формы, у нас начались серьезные научные исследования в этой области.

Эффект памяти формы обнаружен у широкого круга сплавов систем титан-никель (Ti — Ni), железо-никель (Fe- Ni), медь-алюминий (Си — Al), серебро-кадмий (Au — Cd)), медь-цинк-алюминий (Си — Zn — Al), медь-алюминий-никель (Си — Al-Ni), железо-никель-титан (Fe — Ni — Ti) и др. Наиболее ярким представителем материалов с памятью формы, получившим наибольшее распространение, является сплав Ni — Ti, так называемый никелид титана, или, в другой терминологии, нитинол. Характеристики основных материалов с эффектом памяти формы приведены в таблице 6.



В настоящее время общепризнанным является тот факт, что эффект памяти формы в сплавах связан с термоупругим мартенситным превращением. Образование мартенситной структуры впервые было подмечено немецким ученым Мартенсом, чьим именем оно названо, при наблюдении за структурой стали, в которой в результате закалки от высокой температуры происходит переход от обычной аустенитной структуры в специфическую мартенситную структуру, сопровождающейся повышением твердости закаленной стали. Эта структура состоит из линзообразных или пластинчатых областей, в которых произошла перестройка атомов в кристаллических зернах аустенита в объемно центрированную тетрагональную решетку мартенсита. При образовании линзообразных или пластинчатых областей в исходной фазе атомы движутся не по отдельности, а как единый комплекс; деформация сдвига осуществляется как бы ряд за рядом, в результате чего происходит перестройка решетки исходной фазы в решетку мартенсита. При подобном превращении сохраняется однозначное соответствие — связь между узлами решетки исходной фазы и решеткой мартенсита. Существование этой связи приводит к упругой энергии, величина которой зависит от величины упругих констант и от способа перестройки решеток.

Феноменологию эффекта памяти можно с помощью рис. 20 объяснить следующим образом.

Образец материала с эффектом памяти формы в виде ленты, проволоки, пластины и т. п. деформируется при температуре Т выше температуры начала мартенситного превращения Мн (на рис. 20 область температур I, где Т > М) с целью придания ему заданной формы. Затем материал охлаждают до температуры, обеспечивающей протекание (полное или частичное) мартенситного превращения в структуре материала (область температур II, где Т <М