Сплавы с памятью формы
Уникальные возможности материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) и их успешная реализация при создании ряда устройств и техники нового поколения. Процесс формирования поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ, его преимущества.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 01.03.2019 |
Размер файла | 182,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Сплавы с памятью формы
Коробкин А.Е., Пашко С.А. (руководитель)
Ростовский-на-Дону колледж радиоэлектроники, информационных и промышленных технологий
Ростов-на-Дону, Россия
В настоящее время одной из ключевых задач науки о материалах является создание новых конструкционных и функциональных материалов и технологий их получения, необходимых для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных секторов экономики. В соответствии с государственной программой РФ «Развитие науки и технологий» на 2013-2020 годы и Федеральной космической программой России на 2006-2015 годы, приоритетным направлением стала разработка интеллектуальных, в том числе с эффектом памяти формы, интерметаллидных, нано-кристаллических и слоистых материалов, с повышенными эксплуатационными свойствами.
Исследования последних лет убедительно показали широкие возможности поверхностного модифицирования материалами с элементами «интеллектуальности», материалами с обратимой фазовой структурой, к числу которых относятся материалы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Формирование поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ, обладающих, помимо высоких механических свойств, высокой демпфирующей способностью и особыми функциональными возможностями могут быть эффективным способом повышения эксплуатационных свойств и ресурса изделий, в том числе машиностроительного назначения.
Исследования. Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX века 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. Почему так происходит? Суть ЭПФ представлена на рисунке 1.
В исходном состоянии в материале существует определенная структура. На рисунке она обозначена правильными квадратами.
При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.
Рис. 1
сплав память форма наноструктурированный
При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.
Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.
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
Cu-А1- Ni и Cu-Al-Zn
Основными характеристиками интеллектуальных материалов на основе материалов с ЭПФ являются:
чувствительность - способность реагировать на изменения в температурном поле;
переключаемость - при достижении температуры фазового превращения осуществлять переключающие операции;
активация - способны создавать большие смещения (обратимая пластичность или псевдоупругость) и значительные активные/реактивные напряжения;
адаптивность - основана на фазовых превращениях
(мартенситного типа), проявляется в различного рода уникальных свойствах (самоорганизация, самозалечивание, самоконтроль и т.п.);
память и восстановление - форма и внутренняя структура могут запоминаться и многократно восстанавливаться;
энергоемкость и преобразование энергии - может запасаться значительное количество энергии и затем преобразовываться в механическую энергию деформации;
демпфирование - большинство сплавов с ЭПФ имеют высокие демпфирующие свойства, обусловленные особенностями микроструктуры и фазовыми превращениями.
Инженерные аспекты использования сплавов с ЭПФ в машиностроении
Несмотря на повышенные показатели функционально-механических свойств, применение соединений из сплавов на основе Ti-Ni в связи с высокой стоимостью сплава ограничивалось, главным образом, наиболее ответственными деталями с минимизацией расхода материала, либо использованием лишь в дорогостоящем оборудовании. Одним из возможных решений была разработка более дешевых СПФ, которые могли бы составить замену сплавам на основе Ti-Ni. Для этих целей использовали добавки третьих элементов (Ti-Ni-Fe(Cu) и др.), но, как известно, для сохранения всех свойств они не должны были превышать 3,4 (ат.)%, что существенно не снижало стоимость. Применяли более дешевые СПФ системы Cu-Zn-(Al, Ni, Al-Mn-Ni) и сплавы с ЭПФ на основе Fe, нержавеющие стали с памятью формы типа Fe-Mn-Si-Cr-Ni , но недостаток этих сплавов заключался в гораздо меньших величинах проявляемых эффектов (восстанавливаемая деформация еr достигает 2-3%,). Тем не менее, в последние годы разработаны новые методы, в частности, соединения труб на основе сплава Fe-Mn-Si, (еr=1-2%). Но существует ряд недостатков, связанных с особенностями специальной подготовки труб, деформирования материала труб, их размерами и т.д. С этой точки зрения уникальность никелида титана неоспорима. Поэтому, в качестве альтернативного решения проблемы, экономичности и ресурсосбережения TiNi, возможно перспективное направление, связанное с использованием технологий инженерии поверхности. Конечной целью в этом случае является замена объемного сплава с ЭПФ - эффективным покрытием, либо слоем, выполняющим те же функции, что и массивный материал.
Тонкие пленки TiNi
С того времени, как было установлено, что тонкие пленки из сплавов с ЭПФ могут восстанавливать большие деформации и генерировать значительные восстанавливающие усилия, они привлекли интерес, особенно в области применений в виде активных элементов микроприводных и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Применительно к МЭМСтехнологиям TiNi имеет уникальные характеристики, в том числе, обладает свойством выдерживать большие ударные и силовые воздействия. Объемный сплав отличается низким уровнем отклика и реагирования, в то время как тонкие пленки СПФ обеспечивают большую плотность энергии. Тонкие пленки из сплавов с ЭПФ (TiNi) в настоящее время встраиваются в структуры микроуровня, профилируются стандартными литографическими технологиями и изготавливаются партиями. Наиболее популярными способами нанесения тонких пленок из сплавов с ЭПФ являются физическое и химическое осаждение из паровой фазы (PVD и CVD), а также напыление, процессы ионного облучения и имплантации. Процессы осуществляются в условиях вакуума в среде технологического газа.
TiNi-адаптивные композиты
В последнее время СПФ-композиты или «интеллектуальные композиты» (smartcomposites) привлекают огромное внимание. Во-первых, это связано с экономией дорогостоящего сырья. Во-вторых, получаемый материал является активным и адаптивным и позволяет эффективно управлять формой разнообразных тонкостенных конструкций - от панелей и использующих их адаптивных неразрезных крыльев летательных аппаратов до сейсмочувствительных датчиков. Разработанные методы построения композитов с памятью формы базируются на формировании одно- и многослойных конструкций с использованием тонких фольг и пленок из
СПФ, либо армировании холоднокатанной тонкой проволокой, волокнами, лентами из СПФ. В результате мартенситного превращения (А>М-перехода) происходит значительное изменение линейных размеров материала при создании реактивных усилий (до 200 МПа), возможно залечивание повреждений и трещин композитов. Для создания адаптивных композиционных материалов с памятью формы чаще всего используют сплавы никелида титана. Наличие высоких демпфирующих характеристик и свойство сверхупругости СПФ используется для повышения сопротивления ударному разрушению композитов, поскольку псевдоупругий материал способен поглощать большую энергию деформации, чем, например, графитовые волокна. Это создает определенные предпосылки использования СПФ в композиции «сталь-TiNi».
Заключение
В настоящее время с полной уверенностью можно говорить о создании индустрии материалов с памятью формы и ее ускоренном росте, связанном как с разработкой новых технологий получения, так и использованием материалов с памятью в различных областях техники. Это обусловлено широким спектром физико-механических свойств и связанным с ними функционально-механическим поведением, в основе которого лежат такие свойства как чувствительность, переключаемость, активация, адаптивность, память и восстановление, энергоемкость, демпфирование, преобразование энергии.
Уникальные возможности материалов с ЭПФ, связанные с проявлением эффектов памяти, уже успешно реализованы при создании ряда устройств и техники нового поколения аэрокосмического и автомобильного комплекса, в приборо- и машиностроении, электронике, медицине, биотехнологиях и т.д. Несмотря на то, что использование материалов с ЭПФ в машиностроении имеет большие перспективы, экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости самого материала использовать сплав TiNi как конструкционный материал. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении заданного уровня прочностных характеристик и функционально-механичесих свойств может быть достигнуто за счет использования поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ или малогабаритных конструктивных элементов (пластин, колец, пружин и т.д.). Создание на этой основе комбинированных деталей и конструкций с качественно новыми характеристиками является перспективным направлением.
Информационные источники
1. https://revolution.allbest.ru/manufacture/00238748_0.html(Дата обращения 30.01.18)
2. http://doc.knigi-x.ru/22tehnicheskie/492479-1-zhm-blednova-stepanenkonauchno-obrazovatelniy-kurs-rol-splavov-effektom-pamyati-formi-sovremennommashinostroenii.php(Дата обращения 30.01.18)
3. https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/366021(Дата обращения 30.01.18)
4. https://goo.gl/KznpXo(Дата обращения 30.01.18)
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".
курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.03.2013Общие положения, классификация и области применения сплавов на основе интерметаллидов. Материалы с эффектом памяти формы. Сплавы на основе алюминидов титана. Сплавы на основе алюминидов никеля. Области использования сплавов на основе интерметаллидов.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 02.06.2014Реализация нанотехнологии на основе материалов с памятью формы. Термомеханические соединения трубопроводов и их конструктивные особенности. Расчёт прочности параметров муфт, взаимозаменяемости конструкций, технологической трудности монтажных работ.
курсовая работа [329,7 K], добавлен 16.11.2015Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии. Технологические варианты плазменного упрочнения деталей. Получение плазмы. Проведение электронно-лучевой и лазерной обработки металлических материалов.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 06.10.2014Структура композиционных материалов. Характеристики и свойства системы дисперсно-упрочненных сплавов. Сфера применения материалов, армированных волокнами. Длительная прочность КМ, армированных частицами различной геометрии, стареющие никелевые сплавы.
презентация [721,8 K], добавлен 07.12.2015Методы получения ферромагнетиков: самосборка аминокислот в полипептидную цепь и катализ химической реакции. Технология получения наноструктурированных магнитных материалов в лабораторных условиях. Использование магнитных наночастиц в биомедицинских целях.
курсовая работа [5,2 M], добавлен 29.08.2013Классификация материалов по функциональному назначению. Схема устройства дуговой электросталеплавильной печи. Процесс плавки стали на углеродистой шихте и преимущества электрических печей перед другими плавильными агрегатами. Особенности сварки меди.
реферат [1007,0 K], добавлен 18.05.2011Роль химии в химической технологии текстильных материалов. Подготовка и колорирование текстильных материалов. Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений. Ухудшение механических свойств материалов.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 03.04.2010Факторы, влияющие на процесс формирования пневмопотока в материалопроводе. Проверка эффективности применения механических колебаний ультразвукового диапазона для равномерного истечения сыпучих материалов из камерных питателей на экспериментальном стенде.
статья [814,7 K], добавлен 23.08.2013Краткая характеристика материалов, применяемых в доменном производстве для получения чугуна. Описание последовательности изготовления формы методом ручной формовки. Особенности конструирования деталей, изготовленных литьем в кокиль и под давлением.
курсовая работа [4,3 M], добавлен 15.01.2015Разработка творческой концепции проекта. Рекомендации к материалам, допустимым к использованию при создании коллекции школьной формы. Рекомендации по выбору цветовой гаммы, по разработке ассортиментного ряда коллекции и аксессуарам. Эскизный проект.
курсовая работа [550,3 K], добавлен 26.11.2014Железоуглеродистые сплавы, физические и химические свойства, строение, полиморфные превращения; производство чугуна и доменный процесс. Термическая обработка стали: отжиг, отпуск, закалка. Медь и её сплавы, область применения, оксиды и гидрооксиды.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 17.10.2009Основные виды неметаллических конструкционных материалов. Древесные материалы, их общая характеристика и классификация. Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов, их назначение, маркировка, основные области применения и условия эксплуатации.
контрольная работа [80,7 K], добавлен 20.07.2012Многослойные и комбинированные материалы являются композиционными материалами. Деление упаковочных материалов на многослойные и комбинированные. Термин "многослойные материалы" относится к группе материалов, состоящих из слоев синтетических полимеров.
реферат [34,5 K], добавлен 15.07.2008Трубная продукция нового поколения для нефтедобывающей отрасли из всевозможных полимерных, композитных материалов, стекловолокна, стеклопластика как альтернатива металлу. Технология применения металлопластиковых труб в нефтедобывающем промысле.
дипломная работа [620,9 K], добавлен 12.03.2008Исследование характеристик современных материалов для изготовления школьной одежды для школьников, обеспечивающих психофизиологический комфорт. Нормативные показатели свойств костюмных тканей. Издержки производства, цены, показатели рентабельности.
курсовая работа [816,3 K], добавлен 26.05.2015Изучение техники изготовления поздравительных открыток вручную с использованием различных подручных материалов. Выбор материалов и оборудования. Технологическая последовательность операций. Расчет расходов на материалы. Экологическое обоснование проекта.
творческая работа [1,2 M], добавлен 06.12.2013Классификация металлов: технические, редкие. Физико-химические свойства: магнитные, редкоземельные, благородные и др. Свойства конструкционных материалов. Строение и свойства сталей, сплавов. Классификация конструкционных сталей. Углеродистые стали.
реферат [24,1 K], добавлен 19.11.2007Эскиз женской сумки. Выбор материалов с указанием физико-механических и гигиенических свойств. Технологический процесс изготовления изделия. Перечень производимых операций, оборудования, инструментов, приспособлений и вспомогательных материалов.
курсовая работа [859,2 K], добавлен 24.10.2009Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Диаграмма состояния Fe–Fe3C. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов, процессы при их структурообразовании. Состав и компоненты структуры стали и чугуна.
презентация [6,3 M], добавлен 14.10.2013