Металлы с эффектом формы

Размещено на http://allbest.ru/

МЕТАЛЛЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

Механизм эффекта памяти формы

Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX в. был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы - эффект памяти формы (ЭПФ) - может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.

Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 - 1300 МПа.

Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса структурного превращения, а также малыми изменениями объема при превращениях.

В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы.

Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рисунке 10.1

Рисунок 10.1 - Зависимость фазового состава сплава от температуры: а - широкий гистерезис; б - узкий гистерезис

При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться при некоторой температуре М_н. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре М_к. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза.

При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается при некоторой температуре А_н и полностью заканчивается при температуре А_к. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале А_к - М_н или А_н - М_к может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рисунок 10.1, а и б).

Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: Т_о - температура термодинамического равновесия; М_д - температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; А_д - температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рисунок 10.1, б) температура Мд может оказаться выше температуры конца аустенитного превращения А_к, а при широком гистерезисе - ниже этой температуры (рисунок 10.1, а).

Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т. е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже М_д (но выше А_к), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть. На рисунке 10.1 превращение аустенит - мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах наблюдается эффект так называемой сверхупругости, очевидно связанный с этими явлениями.

В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения превращения мартенсита в аустенит.

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti - Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu - А1 - Ni и Сu - Al - Zn.

Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti - Ni с ЭПФ разного состава приведены в таблице 10.1 и на рисунке 10.2.

деформация память форма сплав

Рисунок 10.2 - Зависимость температур прямого и обратного мартенситного превращений от состава сплава Ti - Ni

Из таблицы 10.1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti - Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур, как по величине, так и по знаку.

Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, можно существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К.

Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование никелида титана железом, марганцем, хромом, ванадием, кобальтом приводит к снижению М_н и М_к вплоть до -196^оС, а введение Zr, Та, Nb - к их повышению (до +100°С). Медь и кремний в довольно широком интервале составов слабо влияют на температуры превращений.

Технология производства и свойства сплавов с эффектом памяти формы

Никелид титана в жидком состоянии легко поглощает газы и взаимодействует со многими веществами. Поэтому его выплавка производится в вакууме или атмосфере чистого инертного газа. К слиткам предъявляются высокие требования по однородности химического состава и чистоте от примесей. Хорошее качество металла достигается применением комбинированного способа плавки, при котором вначале плавка производится в вакуумной гарнисажной печи, после чего полученный электрод вторично переплавляют в электродуговой вакуумной печи в слитки массой до 1 т.

Никелид титана подвергают обработке давлением в интервале температур 700 - 900°С. Нагрев до более высоких температур опасен из-за сильного окисления и образования хрупкого газонасыщенного поверхностного слоя.

Особенно важную роль играет технологическая операция термофиксации. Сложность этой операции обусловлена проявлением эффекта памяти после придания заготовке из никелида титана требуемой формы. Заготовку деформируют при комнатной температуре. Для сохранения формы и размеров производят жесткое фиксирование по всем степеням свободы (заневоливание) с последующим нагревом в вакууме до температуры 650 - 700°С, т. е. до аустенитного состояния. В результате такой операции достигается стабильное состояние структуры и формы, которые объект «запоминает».

Химический состав двух сплавов, наиболее широко используемых на отечественных предприятиях, приведен в таблице 10.2.

Из сплавов никелида титана производят листы толщиной до 10 мм, проволоку, прессованные прутки диаметром до 110 мм и трубы с наружным диаметром до 50 мм.

Основные свойства сплавов никелида титана приведены ниже:

Две характеристики предела текучести обусловлены возможностью разного структурного состояния сплава ТН-1 при комнатной температуре. При стабильно аустенитной структуре поведение никелида титана при нагружении типично для большинства металлов. Если же под напряжением происходит мартенситное превращение и структура становится мартенситно-аустенитной или мартенситной, то кроме условного предела текучести = 400 - 600 МПа наблюдается еще один предел текучести при значительно меньшей величине напряжения, называемый фазовым пределом текучести . Величина зависит от положения температуры деформирования Т_д относительно характеристических температур мартенситных превращений. Установлено, что минимальные значения наблюдаются при Т_д, близкой к М_н. При чисто мартенситной структуре =150 - 200 МПа, при двухфазной - = 200 - 400 МПа. Поэтому для никелида титана характерны три вида диаграмм растяжения (рисунок 10.3).

Для повышения триботехнических характеристик (Трибология (греч. tribos - трение) - научная дисциплина, занимающаяся изучением трения и износа деталей машин и механизмов в присутствии смазочных материалов) проводится химико-термическая обработка, состоящая из оксидирования и азотирования трущихся поверхностей. Сплавы никелида титана свариваются теми же способами, как и другие титановые сплавы: аргоно-дуговым, электронно-лучевым и др.

Рисунок 10.3 - Диаграммы растяжения для сплавов никелида титана с различным структурным состоянием при испытании 1 - стабильный аустенит; 2 - аустенит + мартенсит; 3 - мартенсит

Сплавы на основе никелида титана плохо поддаются механической обработке, особенно сплавы типа ТН-1, в которых интервал прямого мартен-ситного превращения (М_н - М_к) находится вблизи комнатной температуры. В процессе резания происходят структурные превращения в поверхностном слое, приводящие к появлению эффекта памяти и резкому изменению механических свойств. Для механической обработки следует применять твердосплавные резцы с оптимальной геометрией и специальные охлаждающие среды.

Никелид титана в зависимости от состава и условий деформирования может иметь как однократно, так и многократно обратимый ЭПФ. Многократно обратимый эффект памяти проявляется при термоциклировании через интервалы прямого и обратного мартенситных переходов. Этот эффект проявляется как в нагруженном, так и в ненагруженном состоянии материала и сохраняется практически независимо от числа теплосмен.

Помимо никелида титана ЭПФ обнаружен во многих сплавах. Однако, как показали исследования, практическое применение, кроме никелида титана, имеют только сплавы на основе меди, такие как тройные сплавы Cu - Al - Ni и Cu - Zn - Al. Эти сплавы привлекли внимание в связи с резким расширением сферы применения сплавов с ЭПФ и необходимостью обеспечения экономичности их производства. Стоимость сплавов на основе меди по данным японских фирм составляет не более 10 % от стоимости никелида титана.

Основным недостатком сплавов на основе меди является их высокая хрупкость. Сплав Ti - Ni может быть деформирован до разрушения приблизительно на 50 %. Разрушение происходит с образованием шейки и ямочным рельефом, т. е. наблюдается типично вязкое разрушение. Поликристаллические образцы из сплавов на основе меди являются чрезвычайно хрупкими, после деформации на 2 - 3 % происходит интеркристаллитное разрушение. Высокая хрупкость чрезвычайно затрудняет обработку давлением сплавов с ЭПФ на основе меди при комнатной температуре. Кроме того, сплавы на основе меди могут менять температуру превращения и свойства в результате старения при температурах ниже эксплуатационных. Это ограничивает возможность их применения при высоких температурах. Сплавы на основе меди характеризуются более низким сопротивлением усталости.

Эти обстоятельства, а также высокая коррозионная стойкость и стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, несмотря на более высокую стоимость на уровне современной технологии, делают сплавы на основе никелида титана практически незаменимыми для изделий ответственного назначения.

Применение сплавов с эффектом памяти формы

Освоение ближнего и дальнего космоса связано с созданием орбитальных станций и крупным космическим строительством. Необходимо сооружение таких громоздких объектов, как солнечные батареи и космические антенны. На рисунке 10.4 приведена схема космического аппарата с антеннами саморазворачивающейся конструкции.

Рисунок 10.4 - Схема космического аппарата с самотрансформирующимися элементами: 1 - антенна; 2 - механический стабилизатор; 3 - излучатель энергии; 4 - солнечная батарея

Антенны состоят из листа и стержня из сплава Ti - Ni, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусственном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя или тепла солнечного излучения, в результате чего она выходит в космическое пространство.

Для размещения различных технических объектов, жилых и производственных модулей необходимо строительство в условиях открытого космического пространства больших платформ. Доставка в открытый космос громоздких агрегатов технически возможна только по частям с последующими монтажными работами. Используемые в массовом производстве способы соединения деталей, такие как сварка, пайка, склеивание, клепка и другие, непригодны в космических условиях. Особые требования предъявляются к обеспечению исключительно высокой техники безопасности.

С учетом этих особенностей в нашей стране была создана уникальная технология соединения элементов в открытом космосе с использованием муфты из сплава ТН-1. Эта технология была успешно использована при сборке конструкции фермы из алюминиевых сплавов общей длиной 14,5 м и поперечным сечением в виде квадрата со стороной 0,5 м. Ферма состояла из отдельных трубчатых деталей диаметром 28 мм, которые соединялись между собой с помощью муфты из металла с памятью формы (рисунок 10.5).

Рисунок 10.5 - Соединение трубчатых деталей (1) с помощью муфты (2) из металла с памятью формы: а - до сборки; б - после нагрева

Муфту с помощью дорна деформировали при низкой температуре таким образом, чтобы ее внутренний диаметр был больше наружного диаметра соединяемых элементов. После нагрева выше температуры обратного мартенситного превращения внутренний диаметр муфты восстанавливался до того диаметра, который муфта имела перед расширением. При этом генерировались значительные обжимающие реактивные усилия, соединяемые элементы пластически деформировались, что обеспечивало их прочное соединение. Сборка фермы и установка ее на астрофизическом модуле «Квант» орбитального комплекса «Мир» была произведена в 1991 г. всего за четыре выхода в открытый космос и заняла в общей сложности около суток.

Эти же принципы строительства могут быть использованы для монтажа на больших глубинах крупногабаритных морских подводных конструкций.

Муфты для термомеханического соединения труб применяют во многих конструкциях (рисунок 10.6).

Рисунок 10.6 - Соединение труб с использованием эффекта памяти формы: 1 - введение труб после расширения муфты; 2 - нагрев

Их используют для соединения трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14, причем каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено. Преимуществом муфт, изготовленных из сплавов с памятью формы, помимо их высокой надежности, является отсутствие высокотемпературного нагрева (в отличие от сварки). Поэтому свойства материалов вблизи соединения не ухудшаются. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атомных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти со дна моря, причем для этих целей используются муфты большого диаметра - порядка 150 мм. В некоторых случаях для изготовления муфт применяется также сплав Сu - Zn - А1.

Материалы с ЭПФ могут быть использованы не только для монтажа, но и для ремонта трубопроводов, находящихся в аварийном состоянии (рисунок 10.7).

Рисунок 10.7 - Схема устройства для ремонта трубы с трещиной: 1 - труба; 2 - разъемная вставка; 3, 4 - элементы из материала с ЭПФ (I, II, III - последовательность сборки)

На участок трубы с трещиной надвигают разъемную вставку, которую обжимают свертывающимися в кольцо спиральными лентами или проволокой из материала с ЭПФ.

Для неподвижного соединения деталей обычно применяются заклепки и болты. Однако, если невозможно осуществлять какие-либо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметичной пустотелой конструкции), выполнение операций крепления вызывает трудности. Стопоры из сплава с эффектом памяти формы позволяют в этих случаях осуществить крепление с использованием пространственного восстановления формы.

Стопоры изготавливаются из сплава с эффектом памяти формы, причем в исходном состоянии стопор имеет раскрытый торец (рисунок 10.8, а).

Рисунок 10.8 - Принцип действия стопора с эффектом памяти формы

Перед осуществлением операции крепления стопор погружается в сухой лед или жидкий азот и в достаточной степени охлаждается, после чего выпрямляются торцы (рисунок 10.8, б). Стопор вводится в неподвижное отверстие для крепления (рисунок 10.8, в), при повышении температуры до комнатной происходит восстановление формы, торцы штифта расходятся (рисунок 10.8, г), и операция крепления завершается.

Сплавы с ЭПФ используют в качестве силовых элементов блокировочных устройств, срабатывающих, как на запирание (собственно блокировка), так и в обратном направлении. Обычно это приводы одноразового срабатывания для приведения в действие исполнительных механизмов (рисунок 10.9).

Рисунок 10.9 - Приводы одноразового срабатывания для расстыковки блоков космических кораблей (сверху) и разблокировки запирающего (замкового) устройства (внизу): а - исходное положение; б - положение после нагрева элемента с ЭПФ; 1 - стопор; 2 - контейнер; 3 - запорная шайба; 4 - пружина с ЭПФ

Сплавы с ЭПФ используют в силовых конструкциях прессов, домкратов. Трубчатый силовой элемент пресса с наружным диаметром 14 мм и толщиной стенки 1 мм развивает усилие до 2 т. С целью экономии полезного пространства можно использовать комбинированные конструкции, в которых все рабочие элементы являются активными. Примером такой конструкции является телескопический малогабаритный домкрат, в котором простые цилиндры развивают деформацию сжатия, а фигурные - деформацию растяжения (рисунок 10.10).

Рисунок 10.10 - Телескопический малогабаритный домкрат, состоящий из простых (в) и фигурных (г) цилиндров: а - компактный вид (исходное состояние); б - после восстановление формы; в - элементы, восстанавливающие деформацию сжатия; г - элементы, восстанавливающие деформацию растяжения

Особенностью исполнительных элементов из сплавов с памятью является их миниатюрность. Это обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. На действие таких исполнительных механизмов не влияет среда или атмосфера, а влияет только температура. Следовательно, возможна установка этих элементов в таких средах, как вакуум или вода, при этом нет необходимости в герметизированном подвижном узле, как при установке двигателей или гидропневматических цилиндров.

Материалы с ЭПФ могут применяться в простых тепловых двигателях, использующих разность температур горячей и холодной воды или горячей воды и холодного окружающего воздуха. Такие двигатели работают за счет преобразования в механическую энергию низкотемпературной бросовой тепловой энергии, например энергии горячей отходящей воды, геотермической или солнечной энергии.

Принцип действия двигателя с кривошипно-шатунным механизмом на основе сплавов с ЭПФ (рисунок 10.11) такой же, как у обычных бензиновых и дизельных двигателей.

Рисунок 10.11 - Схема двигателя Гинеля с кривошипно-шатунным механизмом; 1 - Спираль из сплава Ti - Ni; 2 - горячая вода; 3 - подшипник; 4 - фиксированные оси

Двигатель действует с помощью шести спиралей из сплава Ti - Ni. Оси рабочего колеса и кривошипного вала смещены одна относительно другой. Удлинение и сокращение спиралей в зависимости от разности температур горячей и холодной сред, составляющей 10 - 20°С, действуют так же, как возвратно-поступательное движение поршня в обычных двигателях, и вызывают вращение рабочего колеса.

Размещено на Allbest.ru