Theo sự khôn ngoan thông thường, kim loại là vật liệu bền và chống chịu tốt nhất. Tuy nhiên, có những hợp kim có thể phục hồi hình dạng sau khi biến dạng mà không cần tác dụng tải trọng bên ngoài. Chúng cũng được đặc trưng bởi các tính chất vật lý và cơ học độc đáo khác để phân biệt chúng với các vật liệu kết cấu.
Bản chất của hiện tượng
Hiệu ứng ghi nhớ hình dạng của hợp kim là kim loại bị biến dạng trước sẽ phục hồi một cách tự nhiên do quá trình nung nóng hoặc đơn giản là sau khi dỡ hàng. Những đặc tính bất thường này đã được các nhà khoa học chú ý ngay từ những năm 1950. Thế kỷ 20 Thậm chí sau đó, hiện tượng này còn liên quan đến sự biến đổi mactenxit trong mạng tinh thể, trong đó có sự chuyển động có trật tự của các nguyên tử.
Mactenxit trong vật liệu ghi nhớ hình dạng là vật liệu nhiệt dẻo. Cấu trúc này bao gồm các tinh thể ở dạng tấm mỏng, được kéo căng ở các lớp bên ngoài và nén ở các lớp bên trong. Các "chất mang" của biến dạng là ranh giới giữa các pha, đôi và giữa các tinh thể. Sau khi đốt nóng biến dạnghợp kim, ứng suất bên trong xuất hiện, cố gắng đưa kim loại trở lại hình dạng ban đầu.
Bản chất của quá trình phục hồi tự phát phụ thuộc vào cơ chế của sự tiếp xúc trước đó và điều kiện nhiệt độ mà nó tiến hành. Mối quan tâm lớn nhất là tính đa chu kỳ, có thể lên đến vài triệu biến dạng.
Kim loại và hợp kim có hiệu ứng bộ nhớ hình dạng có một đặc tính độc đáo khác - sự phụ thuộc phi tuyến tính của các đặc tính vật lý và cơ học của vật liệu vào nhiệt độ.
Giống
Quá trình trên có thể có một số hình thức:
- siêu dẻo (siêu dẻo), trong đó cấu trúc tinh thể của kim loại có thể chịu được các biến dạng vượt quá đáng kể độ bền chảy ở trạng thái bình thường;
- bộ nhớ hình dạng đơn lẻ và có thể đảo ngược (trong trường hợp thứ hai, hiệu ứng được tái tạo nhiều lần trong chu trình nhiệt);
- độ dẻo chuyển đổi thuận và nghịch (tích lũy biến dạng trong quá trình làm mát và gia nhiệt, tương ứng khi đi qua chuyển đổi mactenxit);
- bộ nhớ có thể đảo ngược: khi được làm nóng, một biến dạng đầu tiên được khôi phục, sau đó, với sự gia tăng nhiệt độ hơn nữa, một biến dạng khác;
- biến đổi định hướng (tích lũy các biến dạng sau khi loại bỏ tải trọng);
- pseudoelasticity - phục hồi các biến dạng không đàn hồi từ các giá trị đàn hồi trong khoảng 1-30%.
Trả lại trạng thái ban đầu cho kim loại có hiệubộ nhớ hình dạng có thể rất mãnh liệt đến mức nó không thể bị dập tắt bởi một lực gần với độ bền kéo.
Nguyên liệu
Trong số các hợp kim có tính chất như vậy, phổ biến nhất là titan-niken (49–57% Ni và 38–50% Ti). Họ có hiệu suất tốt:
- độ bền cao và chống ăn mòn;
- yếu tố phục hồi đáng kể;
- giá trị lớn của ứng suất bên trong khi trở về trạng thái ban đầu (lên đến 800 MPa);
- tương thích tốt với cấu trúc sinh học;
- hấp thụ rung động hiệu quả.
Ngoài titan niken (hoặc nitinol), các hợp kim khác cũng được sử dụng:
- hai thành phần - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- ba thành phần - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si và những người khác.
Phụ gia tạo hợp kim có thể làm thay đổi nhiệt độ biến đổi mactenxit rất nhiều, ảnh hưởng đến tính chất khử.
Sử dụng công nghiệp
Ứng dụng của hiệu ứng bộ nhớ hình dạng cho phép giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật:
- tạo ra các cụm ống chặt chẽ tương tự như phương pháp loe (kết nối mặt bích, kẹp và khớp nối tự thắt chặt);
- sản xuất dụng cụ kẹp, kẹp, đẩy;
- thiết kế"supersprings" và bộ tích lũy năng lượng cơ học, động cơ bước;
- tạo mối nối từ các vật liệu khác nhau (kim loại-phi kim) hoặc ở những nơi khó tiếp cận khi không thể hàn hoặc hàn;
- sản xuất các phần tử điện có thể tái sử dụng;
- trường hợp niêm phong các vi mạch, ổ cắm cho kết nối của chúng;
- sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ và cảm biến trong các thiết bị khác nhau (báo cháy, cầu chì, van động cơ nhiệt và các thiết bị khác).
Việc tạo ra các thiết bị như vậy cho ngành công nghiệp vũ trụ (ăng-ten tự triển khai và tấm pin mặt trời, thiết bị kính thiên văn, công cụ lắp đặt trong không gian vũ trụ, bộ truyền động cho cơ chế quay - bánh lái, cửa chớp, cửa sập, bộ điều khiển) có triển vọng lớn. Ưu điểm của chúng là không có tải xung động làm xáo trộn vị trí không gian trong không gian.
Ứng dụng của hợp kim ghi nhớ hình dạng trong y học
Trong khoa học vật liệu y tế, các kim loại có các đặc tính này được sử dụng để chế tạo các thiết bị công nghệ như:
- động cơ bước giúp kéo giãn xương, thẳng cột sống;
- bộ lọc thay thế máu;
- thiết bị để cố định gãy xương;
- dụng cụ chỉnh hình;
- kẹp cho tĩnh mạch và động mạch;
- bộ phận bơm cho tim hoặc thận nhân tạo;
- stent và endoprostes để cấy vào mạch máu;
- dây chỉnh nha để nắn chỉnh răng.
Nhược điểm và triển vọng
Mặc dù có tiềm năng lớn, hợp kim bộ nhớ hình dạng có những nhược điểm hạn chế việc áp dụng rộng rãi của chúng:
- thành phần hóa học đắt tiền;
- công nghệ sản xuất phức tạp, cần sử dụng thiết bị chân không (để tránh lẫn tạp chất nitơ và oxy);
- giai đoạn không ổn định;
- khả năng gia công thấp của kim loại;
- khó khăn trong việc mô hình hóa chính xác hoạt động của cấu trúc và sản xuất hợp kim với các đặc tính mong muốn;
- lão hóa, mệt mỏi và xuống cấp của hợp kim.
Một hướng đầy hứa hẹn trong sự phát triển của lĩnh vực công nghệ này là tạo ra các lớp phủ từ kim loại với hiệu ứng ghi nhớ hình dạng, cũng như sản xuất các hợp kim như vậy dựa trên sắt. Cấu trúc tổng hợp sẽ cho phép kết hợp các đặc tính của hai hoặc nhiều vật liệu trong một giải pháp kỹ thuật.
