Знак Вопроса 1997 № 04 - страница 55
).
В этой температурной области (области II) материал деформируют до получения исходной плоскостной формы. Таким образом осуществлен процесс так называемого прямого мартенситного превращения. Схематично процесс прямого и обратного мартенситного превращения показан на рис. 20.
При достижении некоторой температуры мартенситный кристалл приобретает определенные размеры, после чего рост мартенситного кристалла прекращается и устанавливается термоупругое неустойчивое равновесие между кристаллом мартенсита и исходной фазой. Дальнейшее охлаждение вызывает увеличение разности химически свободных энергий и приводит к дальнейшему росту мартенситного кристалла. Сплавы, обладающие ЭПФ, достаточно легко деформируются при температурах ниже Мк — температуры окончания мартенситного превращения при охлаждении.
Восстановить заданную форму образца, которая была ему придана при температуре Т>ф > М>н, можно при нагреве его до температуры А>к — соответствующей окончанию обратного мартенситного превращения.
Обратное мартенситное превращение обусловлено упругой энергией, накопленной в результате предшествующего прямого мартенситного превращения. Важно отметить, что в процессе нагрева, если образцу препятствуют восстановить заданную форму, внутри него возникают достаточно большие напряжения. Причем, если для деформации ниже М>к требуются небольшие напряжения, то при нагреве до более высоких температур (Т > А>к) возникают большие восстанавливающие форму напряжения. Именно эти напряжения разрывают нитки, связывающие согнутую проволоку, в рассмотренном в начале данного раздела примере.
Весь процесс прямого и обратного мартенситного превращения можно представить в виде замкнутого цикла (рис. 20), в процессе которого форма образца из материала с ЭПФ как бы следует за температурой: при нагреве Т > М>н заготовка получает определенную форму, при охлаждении до температуры Т < А>к образец становится плоским, а при последующем нагреве вновь обретает форму, приданную ему при Т>ф > М>н.
При дальнейшем цитировании эффект повторяется вновь. Исследования показали, что эффект памяти формы в сплавах может наблюдаться многократно. Например, нитинол может обеспечить несколько миллионов циклов без каких-либо заметных необратимых изменений в структуре и свойствах материала.
Можно представить себе некий генератор или «двигатель», действующий в указанном температурном режиме и использующий энергию, высвобождающуюся при восстановлении формы образца. Важно только для получения механической работы в процессе нагрева обеспечить необходимый подвод тепловой энергии.
С появлением сплавов с эффектом памяти формы конструкторы получили возможность использовать в своих разработках следующие уникальные свойства этих материалов:
— эффект изменения формы;
— усилия, восстанавливающие форму;
— эффект изменения формы с восстанавливающими эту форму усилиями.
Наиболее перспективными областями техники, где материалы с памятью формы находят широкое применение, являются космическая, авиационная, радиоэлектронная и электротехническая промышленность, медицинское оборудование, приборостроение и т. д. Чтобы отчетливее представить себе значение материалов с ЭПФ, рассмотрим некоторые конкретные примеры их практического использования.
Первоначально сплавы с ЭПФ использовались в качестве однонаправленных элементов памяти при создании соединительных муфт трубопроводов. Для муфты использовался сплав Ti — Ni — Fe, температура окончания мартенситного превращения которого значительно ниже комнатной (см. табл. 6). Внутренний диаметр муфты изготавливался приблизительно на 4 % меньше, чем наружный диаметр соединяемых труб. Перед соединением муфта погружалась в жидкий воздух и выдерживалась при низкой температуре (Т>ф = — 150 °C). В таком состоянии в муфту вводили специальный дорн с определенной конусностью, с помощью которого расширялся внутренний диаметр муфты на 7–8 %. В расширенную таким образом муфту, температура которой поддерживалась низкой, вводятся с двух сторон соединяемые трубы (рис. 21-1). Затем удаляется устройство для поддержания низкой температуры, после чего температура муфты повышается до комнатной. Внутренний диаметр муфты восстанавливается до того диаметра, который муфта имела перед расширением (рис. 21-2). Происходило прочное соединение труб. Свыше 100 тысяч таких муфт используется для соединения трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14 (США); каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено.