Металла с памятью формы

Существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – т.н. металлы с памятью формы.

• Описание
• Механизм реализации эффекта памяти формы
• Никелид титана

Описание:

Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира — это стойкость и надежность металлических изделий и конструкций, стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям. Однако существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – т.н. металлы с памятью формы.

1. Эффект памяти формы – явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых металлических материалов после предварительной деформации.
2. Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление:
3. 1. Есть металлическая проволока;
4. 2. Эту проволоку изгибают;
5. 3. Начинаем нагревать проволоку;

4. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений. Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях и может проявляться несколько миллионов циклов.

Эффект памяти формы сплава можно усиливать предварительными термообработками. Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда металл с памятью формы при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.

Памятью формы в разной степени обладают следующие металлы и их сплавы: Ni – Ti, Ni – Al, Ni – Co; Ti – Nb; Au – Cd; Fe – Ni, Fe – Mn – Si; Cu – Al, Cu – Mn, Cu – Al – Ni, Cu – Zn – Al  и др.

Fe – Mn – Si – наиболее дешевый сплав.

Механизм реализации эффекта памяти формы:

1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами).

2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В материалах с памятью формы мартенсит является термоупругим.

3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин,  то есть в них возникают внутренние напряжения,  которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние.

4. 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.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют прямые и обратные мартенситные превращения. Мартенситное превращение ‐ полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием.

Под прямым мартенситным превращением понимают превращение из высокотемпературной гранецентрированной кубической фазы (аустенит) в низкотемпературную объемно‐центрированную кубическую фазу (α‐ мартенсит). Обратное превращение – из объемно‐центрированной кубической фазы в гранецентрированную кубическую.

Никелид титана:

Никелид титана – лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности.

Никелид титана — это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас. % Ni. Температура плавления 1240-1310˚C, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно‐центрированная кубическая решетка при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение.

• Никелид титана обладает:
• – превосходной коррозионной стойкостью,
• – высокой прочностью,
• – хорошими характеристиками формозапоминания,
• – хорошей совместимостью с живыми организмами,
• – высокой демпфирующей (поглощением шума и вибрации) способностью материала.
• карта сайта
• контроль методом магнитной памяти металла
  магнитная память металла приборы
  металл с памятью формы соединение видео купить на очки как называется
  металл с эффектом памяти
  металл имеющий память
  металл обладающий памятью
  дубов метод магнитной памяти металла и приборы контроля неразрушающий контроль
  отчет по магнитной памяти металла
  память металла видео опыт
  физические основы метода магнитной памяти металла скачать
  эффект памяти металлов в литейном производстве
  эффект памяти формы металлов

Производство нитинола — NiTiMet Company

Сверхэластичные Ni-Ti сплавы с эффектом памяти формы — в науке, технике и медицине.

Первое сведения о применении сплавов с памятью формы датируется примерно в XV—XIII вв. до н. э: «… Бог спросил, что он держит в руке. Моисей ответил: «Жезл». «Брось его на землю», — сказал Бог, и жезл внезапно превратился в змея, но когда Моисей взял его в руки, он снова стал жезлом…». Это классический пример применения сплава с памятью формы с многообратимой памятью.

Сегодня библейские легенды превращаются в реальность. Современная история сплавов с памятью формы начинается в конце сороковых годов 20 века, когда когда Курдюмов Г.В. и Хандорсон Л.Г. заметили, что исследуемый ими сплав обладает эффектом памяти формы.

Позже этот эффект был признан открытием и получил имя Курдюмова. Уникальный эффект памяти формы быстро получил известность по всему миру и к настоящему времени разработано более 120 сплавов, обладающих способностью к самовосстановлению.

Это сплавы на основе металлических систем Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-S, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co-Ni, ,Ni-Ti, Ni-Al и других.

Эффекты памяти формы, обратимой памяти формы и сверхупругости в вышеназванных сплавах обусловлены макроскопическим отражением микро- и наноструктурных трансформаций кристаллической решетки при полиморфном аустенитно-мартенситном фазовом превращении первого рода и потому эти свойства сохраняются практически на всю жизнь существования конкретного изделия. В жизни реализация физических процессов в металле реализуется примерно следующим образом.

Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из такого сплава в охлажденном мартенситном состоянии можно придать любую конфигурацию и даже растянуть на 7-8%, в ряде случаев и до 12%, относительной длины, словно резиновый жгут .

Эта конфигурация будет сохраняться до тех пор, пока предмет не нагреют до температуры начала аустенитного превращения, и в процессе нагрева до температуры завершения аустенитного превращения сплав не перейдет в аустенитную фазу, полностью восстанавливая прежнюю форму и реализуя при этом эффект памяти формы.

Если ограничить внешнее воздействие на специальным образом обработанный элемент из сплава с памятью формы лишь нагревом и охлаждением в температурном интервале завершенных аустенитно-мартенситных превращений, то элемент станет самопроизвольно изгибаться, как при нагреве, так и при охлаждении, реализуя эффект обратимой памяти формы.

При этом, как и оптимально загруженные силовые элементы любых металлических конструкций, этот элемент может иметь форму работающей на растяжение тонкой прямолинейной проволоки, которая способна практически бесконечно самопроизвольно деформироваться при нагреве и охлаждении на 2% относительной длины, генерируя при нагреве в сотни раз большие, чем биметаллические элементы той же массы усилия.

Эффект сверхупругости реализуется в изделии из сплава с памятью формы, находящемся в температурной зоне стабильного аустенитного состояния.

Если при этом деформировать изделии из сплава с памятью формы, стимулируя тем самым мартенситное превращение при постоянной температуре путем принудительного силового воздействия, то после устранения этого воздействия элемент, словно пружина, полностью вернет себе исходную форму.

С той лишь разницей, что в отличие от лучших пружин он будет иметь практически неисчерпаемый ресурс, и, имея форму прямолинейной струны, может быть сверхупруго деформирован на 7-8% относительной длины, запасая в десятки раз большую, чем традиционная пружина энергию.

Уникальное сочетание физико-механических свойств позволило использовать сплавы с памятью формы практически во всех областях , где могут использоваться металлические материалы,в том числе, в медицине, космосе, добывающей промышленности, производстве всевозможных температурных датчиков и приводов, робототехнике при создании тепломеханических устройств и отработке уникальных технологий и т.п.

• Медицина:
• — Перчатки, применяемые в процессе реабилитации, и предназначенные для реактивации групп активных мышц с функциональной недостаточностью (межзапястные, локтевые, плечевые, голеностопные и коленные суставы).
• — Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела.

— Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию.

— Зажимы для защемления слабых вен.

— Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током.

— Крепежные штифты и динамические фиксаторы, предназначенные для фиксации протезов на костях (Рис.2).

— Искусственное удлинительное приспособление для так называемых растущих протезов у детей.

— Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости).

— Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе.

— Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика.

— Оправа для очков (нижняя часть). Вследствие эффекта сверхупругоси стеклянные и пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении. Оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании.

1. — Ортопедические имплантаты.
2. — Проволока для исправления зубного ряда.
3. — Нити для наложения хирургических швов.
4. — Пористые конструкции из нитинола для замещений дефектов костей и лечения инфицированных ран.
5. — Сетки для грыжеотсечения у людей и животных.

— Новый класс композиционных материалов «биокерамика-никелид титана» для ортопедической стоматологии (брикеты). В таких композитах одна составляющая (никелид титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая сохраняет свойства биокерамики, в результате чего деформация является обратимой.

Тепловые датчики и сигнализация:

— Пожарная сигнализация (Рис.3), противопожарные заслонки.

• — Сигнальные устройства для ванн.
• — Сетевой предохранитель (защита электрических цепей).
• — Устройство автоматического открывания-закрывания окон в теплицах.
• — Бойлерные баки тепловой регенерации.
• — Электронный контактор.
• — Система для предотвращения выхлопа газов, содержащих пары топлива (в автомобилях).
• — Устройство для удаления тепла из радиатора.
• — Устройство для включения противотуманных фар.
• — Регулятор температуры в инкубаторе.

— Регулирующие клапаны охлаждающих и нагревательных устройств, тепловых машин. Чувствительный клапан комнатного кондиционера (регулирует направление ветра в продувочном отверстии кондиционера).

— Кофеварка. Определение температуры кипения, а также для включения-выключения клапанов и переключателей.

— Электро-магнитный кухонный комбайн. Нагрев производится вихревыми токами, возникающими на дне кастрюли под действием магнитных силовых полей. О нагреве предупреждает сигнал, обусловленный действием термоэлемента из никелида титана.

— Герметизация корпусов микросхем.

— Электронная кухонная плита конвекционного типа. Используется датчик из никелида титана для переключения вентиляции при микроволновом нагреве и нагреве циркуляционным горячим воздухом.

1. — Изготовление разнообразного зажимного инструмента.
2. Космос:
3. — Антенны спутников Земли.

— Соединительные муфты, образующие вакуум-плотные соединения, для работы в открытом космосе. Соединительные муфты используются также в авиационной и автомобильной технике.

Робототехника. Создание роботов с плечевой опорой, локтевым шарниром, запястьем и захватом, имеющих пять степеней свободы. Сгибание запястья, сжимание и разжимание захвата обеспечиваются спиралями из сплава Ti — Ni, а действие шарнира и плечевой опоры — удлинением или сокращением проволоки из того же сплава.

Положение руки и скорость действия регулируются прямым пропусканием тока с модулированной ширин ой импульса. Плавность действия робота обусловлена тем, что заданная величина усилия (силы восстановления памяти формы) соответствует величине регулируемого параметра (току). Действия робота приближаются к действию мускульного механизма.

Добывающая промышленность.Изготовление полностью автоматизированной интеллектуальной скважинной системы.

На существующихпроизводственных мощностях осваивается выпуск высокотехнологичных и высокопроизводительных внутрискважинных устройств на основе конструкций из нитиноловых наноструктурных устройств и пленок, надежных в экстремальных условиях перепадов давлений и температур, компактных, простых в изготовлении и эксплуатации.

Использование данных интеллектуальных скважин сделает рентабельным освоение новых труднодоступных месторождений со сложной геологией, возрождение нефтедобычи на законсервированных скважинах, что в итоге обеспечит снижение эксплуатационных затрат нефтяных компаний, расширение их ресурсной базы и повышение бюджетных доходов.

Свойство сверхупругости сплавов с памятью формы используется для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии, для создания сверхупругих сферических сегментов, срабатывающих при заданных температурах, антеннах для приемопередающей аппаратуры (Рис.4).

Первое массовое применение проволоки из нитинола было осуществлено в текстильной промышленности (каркасы для бюстгальтеров). К 1986 году таких изделий было произведено более 1,5 млн. штук.

Удивительный, высокотехнологичный, простой в изготовлении и использовании материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Диапазон применения этих материалов увеличивается изо дня в день и сулит еще много интересного и важного. И можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.

Для изготовления всех перечисленных выше устройств, да и не только их, используются прутки, трубки, проволока, листы из нитинола, успешно производимые ООО «НиТиМет Компани» (www.niti-met.ru), единственным на сегодняшний день производителем нитинола в Российской Федерации.

1. Ветхий Завет. Казни египетские. Жезл Моисея и жезл гнева Божия (Кн. Исход, гл. 4–11)

2. Лихачев В.А. и др. Эффект памяти формы. Л., Издательство ЛГУ.1987. 216 с.

3. Тихонов А.С. и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М., Машиностроение. 1981. 81 с.

4. Хачин В.Н. Память формы. М., Знание.1984. 62 с.

5. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М., Металлургия. 1990. 224 с.

6. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика». 2007. 412 с.

7. Сплавы с памятью формы в медицине. / В.Э. Гюнтер, В.В. Котенко, М.З. Миргазизов, В.К. Поленичкин, И.А. Витюгов, В.И. Итин, Р.В. Зиганьшин, Ф.Т. Темерханов. Томск: Изд-во Томского университета. 1986. 208 с.

8. Сверхэлластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине. Справочно-библиографические издание./ С.А Муслов, В.А. Андреев, А.Б. Бондарев, П.Ю. Сухочев. М., Издательский дом «Фолиум». 2010. 456 с.

9.

Нитинол: металл с эффектом памяти формы

Для большинства людей, в восприятии окружающего мира, одним из устойчивых понятий является – прочность, надежность и устойчивость формы металлических изделий и конструкций из него, которые стабильны в своей форме, если их не подвергают критическому воздействию.

Долгие годы процесс неупругой деформации считалась абсолютно необратимым. В шестидесятых годах 20 века американские ученые Уильям Бюлер и Фредерик Ванг открыли целый класс металлических сплавов, процесс неупругой деформации в которых происходит по средствам структурных превращений.

В них при нагревании, после предварительной деформации, происходит процесс возврата к исходной форме.

Активизация такого материала происходит при t приблизительно 40 градусов. Смена температуры воздействует на кристаллическую решетку нитинола, которая изменяет свою конфигурацию, переходя из одной фазы в другую.

Материалы данного класса показали, что процесс неупругого деформирования – вполне обратим.

Произвольная смена форм осуществляется в изотермических условиях и при смене температуры. Явление запоминания формы невозможно подавить значительным силовым воздействием, а степень реактивных напряжений способна приближаться до 1000-1300Мпа.

Эффект памяти формы

Эффект памяти формы —  возобновление изначальной формы под действием тепла, наблюдающееся у определенных материалов в следствии предварительной деформации.

ЭПФ проявляется в следующем- металл, обладающий заданои формой в аустенитном состоянии под воздействием повышенной t, деформируются в следствии снижнной t мартенситных превращений. В следствии перегревания, возобновляется первичный вид металла.

• ЭПФ присущ материалам обладающим термоупругими мартенситными превращениями, когерентностью решеток первичной аустенитной и мартенситной фаз, низким значением гистерезиса структурного превращения, а также несущественными сменами объема при превращениях.

НИТИНОЛ

Одним из самых изученных и широко применяемых сплавов обладающих эффектом памяти формы, по праву считается никелид титана, он же нитинол. Нитинол представляет собой интерметаллическое соединение эквиатомного состава с 55% никеля, 45% титана. t плавления сплава — 1240—1310  C, плотность — 6,45 г/см3.

Никелид титана может быть датчиком или находиться в роли исполнительного механизма.

Другими словами, в этом материале есть свои датчики, которые способны фиксировать внешнее воздействие, проводить обработку, и даже осуществлять контроль над ними в режиме реального времени. Перестройка структуры может осуществляться самостоятельно, или передаваться по ЭВМ, которые программируют, с учетом требований к конструкции, условиям эксплуатации, характеристик материала и т.д.

Свойства нитинола:

• достаточно сильная коррозионностойкость;
• высокая степень:
• прочности;
• запоминания и восстановления формы;
• поглощения энергии вибрации, которая зависит от напряжений в материале.
• уровень деформации в пределах 8 % — абсолютно восстановим;
• степень напряжения восстановления достигает до 800 МПа;
• хорошая биологическая совместимость;
• помимо этого, нитинол в 10 раз эластичнее любого металла.

Существенным минусом никелида титана является плохая технологичность (сложность выдержки пропорций элементов, плавления, переработки, сварки и обработки металла) и большая стоимость.

Малая технологичность заключается в том, что титан, входящий в состав способствует легкому присоединению азота и кислорода и для предотвращения окисления требуется использование вакуумирования.

В следствии высокой степени прочности сплава, затрудняется его обработка для изготовления деталей, а тем более способом резания. Учитывая особые свойства нитинола, даже при существенно высокой стоимости, масштабное его производство и изделий из него, также, как и сплавов системы Медь-Цинк- Алюминий, нашли широкое применение в различных видах промышленности и рыночный сбыт.

Немножко науки

Как мы уже говорили, нитинол на 55% состоит из никеля и на 45% из титана. Однако, варьируя проценты их содержания, можно значительно корректировать температуры фазовых переходов и воздействовать на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В различных материалах с ЭПФ период t фазовых переходов находится в пределах от 4,2 до 1300 К.

Гистерезис — (греч.то, что отстает, поздний) некая зависимость изменения физической величины, которая характеризует определенное состояние или свойство тела, от изменения физической величины, характеризующей внешние условия.

Гистерезис обусловлен необратимыми изменениями в теле, которые возникают от действия внешних факторов, в результате чего тело, из-за остановки влияния на него, характеризуется так называемыми остаточными характеристиками (остаточным намагничиванием, электризацией, деформацией и т.п).

Рис. 1.3. Влияние t на фазовый состав сплава с обратимыми мартенситными превращениями

t мартенситных превращений (ТМП) коррелируются с общим составом материала. Обогащение его ткимим элементами, как железо, марганец, хром, ванадий, кобальт способствуют уменьшению Мн и Мк до –1960С, а добавление в содержание цинка, ниобия, тантала– к росту этих значений (до +100С). Медь и кремний имеют несущественное воздействие на t превращений.

Применение металла с памятью

Есть мнение, что ионы никеля могут выходить из состава сплава.

Этот факт делает невозможным  использование нитинола в каждой медицинской отрасли. Поскольку проведенные эксперименты, на счет токсичности и канцерогенности сплавов никеля, имеют неоднозначные результаты. А часть ученых вообще считают его опасным аллергеном, а другие придерживаются мнения ,что он совершенно безопасен для тканей человека.

Даже несмотря на то, что никелид титана наиболее изученный материал с памятью формы, на 100% утверждать о его полной совместимости с клетками и тканями человека мы не можем.

Это интересноВ Канадском Университете Ватерлоо создали сплав способный запомнить сразу более одной ранее заданной формы.

Технология создания металла с памятью формы заключается в создании определенных переходных фаз, способных реагировать на различные температуры и могут плавно менять форму предмета.

Каждое изменение формы привязано к определенной температуре, что позволяет создавать различные подвижные механизмы, такие как манипуляторы роботов, ловкие, но без сложной кинематики.

ЭПФ широко применяют в:

• медицине,
• стоматологии,
• космическом строительстве,
• изготовлении двигателей,
• при производстве эксклюзивных ювелирных изделий и высокотехнологичной одежды.

1. Украшения декорируют цветками, которые в результате касания тела, раскрывают бутоны, демонстрирую находящийся внутри драгоценный камень.
2. А совсем недавно брэнд СогроNova (Италия) предложил элемент мужской одежды, в котором на пять нейлоновых волокон приходится одна проволока из нитинола. «Фишками» такой рубашки были рукава, которые при нагревании до t 35 C закатить, далее охладить и опустить, то при последующем достижении t 35 C рукава закатываются самостоятельно. Но главная ее особенность в том, что после глажки при t 50 C она запоминает форму, и после многократного комканья, при воздействии тепла, до нагревания до той же температуры вновь станет, словно свежевыглаженная.
3. В строительстве космических объектов, при открытии ближнего и дальнего космического пространства, существует ряд сложностей с осуществлением доставки и монтажа различных громоздких конструкций в открытое пространство.

   Так вот, из нитинола создают антенны, конструкция которых состоит из листов и стержней, скрученных в спираль и помещенных в специальный люк в спутнике. Когда он выходит на орбиту, антенна нагревается солнечным излучением и отправляется наружу.

   Отдельной сложностью является соединение громоздких космических объектов в просторах космоса, доставка которых возможна исключительно отдельными частями,  а к сожалению стандартные способы объединения элементов, по средствам сварки, пайки, склеивания, клепки и других, в космосе — невозможны, поскольку существуют специальные максимально повышенные требования по технике безопасности. Учитывая эту специфику, была разработана эксклюзивная технология по соединению деталей в космосе с задействованием муфт из металла ТН-1.  Ее использовали в процессе соединения конструкции фермы из алюминиевых сплавов длинной в 14,5 м) с поперечным квадратным сечением со сторонами 0,5х0,5 метра. Ферма была выполнена из обособленных трубчатых элементов ф 28 мм, соединенных нитиноловой муфтой, обладающей ЭПФ.

Можно еще много рассказывать о сферах применения нитинола, в строительстве (высотное, сейсмостойкое, гидросторительство( мосты, дамбы, трубопроводы), в машино- и станкостроении, в медицине и стоматологии и т.д., важно то, что за последние 25 лет конструкционные материалы с памятью получили широкое применение именно в авиа-космическом строительсве.

1. Благодаря открытию материалов с ЭПФ открылись возможности сосдания перспективных самолетов, ракет, больших космических конструкций, обеспечивающих высокие пилотажные характеристики, низкие уровни шума и вибраций, а также гарантирующий полный мониторинг их состояния.
2. Создание подобных конструкций — шаг к внедрению новых структурных технологий, включающих разработку материалов, испытание, анализ, проектирование, производство и техническое обслуживание
3. В последенее время создание новых конструкционных (функциональных) материалов, а так же разработка технологий их создания, необходимы для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных секторов промышленности и экономики страны.

Чудеса науки: нитинол — металл, запоминающий свою форму!

В химии есть множество интересных веществ, но сегодня поговорим о нитиноле — металле, запоминающем свою форму!

Как это работает?

Если деталь сложной формы подвергнуть нагреву до красного каления (около 400 °C, то она запомнит эту форму. После остывания до комнатной температуры деталь можно деформировать, но при нагреве выше 40 °C она восстановит первоначальную форму.

Эффект памяти нитинола

Происходит это из-за того, что кристаллическая решётка нитинола — металлическая. Это значит, что её очень сложно разрушить, и она способна претерпевать большие изменения. Поэтому как бы мы не издевались над скрепкой из нитинола, она всё равно будет восстанавливаться, причём сразу же!

По химическому строению нитинол — это интерметаллид с формулой TiNi, то есть соединение из двух металлов — титана и никеля — с прочными химическими связями. Не путайте его со сплавом! Сплав — это физическая смесь, которую можно разделить, а интерметаллид — это новое химическое соединение, которое уже не разрушить!

Кстати, первыми нитинол изобрели советские инженеры Г. В. Курдюмов и Л. Г. Хандрос ещё в 1948 году. Но советское руководство заморозило этот проект. К нам нитинол пришёл из США, где спустя 15 лет он был заново изобретён и пущен в производство. Тем не менее, наши учёные удостоились внимания — в 1980 году эффект запоминания памяти был удостоен названия эффекта Курдюмова.

Проволоку из нитинола натянули на два подшипника, и опустили в горячую воду. Она сообщает теплоту нитинолу,он нагревается и движется, потом остывает. и опять от воды нагревается…Проволоку из нитинола натянули на два подшипника, и опустили в горячую воду. Она сообщает теплоту нитинолу,он нагревается и движется, потом остывает. и опять от воды нагревается…

Нитинол — достаточно дорогое соединение. Но скрепка или проволочка из нитинола стоит совсем недорого — всего около 200 рублей, и купить её можно на том же AliExpress ?

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Уланов Л.В. 1
Казначеева И.В. 1

Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Одно из базовых восприятий людьми явлений внешнего мира — это стойкость и надежность металлических изделий и конструкций, стабильно сохраняющих свою функциональную форму продолжительное время, если, конечно, они не подвергаются закритическим воздействиям. Однако существует ряд металлических материалов (металлических сплавов), способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации – металлы с памятью формы.

• Данная работа посвящена металлам с памятью форм, их использованию в технике и исследованию некоторых свойств таких металлов.
• Проблема исследования заключается в том, что, несмотря на то что учёные уже неплохо изучили металлы с памятью форм, в технике такие металлы находит все большее применение.
• С научной точки зрения актуальность состоит в ознакомлении со свойствами металлов с памятью форм и постановкой эксперимента для изучения некоторых физических закономерностей, возникающих при этом.

Актуальность с личной точки зрения, состоит в расширении моих знаний о физических свойствах металлов. В процессе работы над проектом я смог исследовать одно из физических свойств металлов с памятью форм в школьной лаборатории.

1. Учебное исследование реализуется в предметных рамках физики, химии.
2. Объект исследования: Металлический сплав с памятью форм.
3. Предмет исследования: Некоторые физические свойства, возникающие в металлах с памятью форм.
4. Гипотеза исследования: Металлы с памятью форм обладают рядом уникальных физических свойств, которые широко применяется в различных областях науки и техники.
5. На основании выше изложенного мы ставим пред собой следующие цели:
6. — изучить данное явление при помощи научных источников;
7. — создать экспериментальную установку для изучения некоторых свойств металлов с памятью форм;
8. — исследовать некоторые физические закономерности, свойственные металлам с памятью форм;
9. — рассказать и продемонстрировать учащимся нашего лицея результаты исследования.
10. Для реализации поставленной цели, мною были выдвинуты следующие задачи:
11. Теоретические:
12. Изучить источники информации по теме работы;
13. Провести классификацию научной информации;
14. Обобщить изученную информацию.
15. Практические
16. Создать экспериментальную установку;
17. Исследовать некоторые физические закономерности, свойственные металлам с памятью форм;
18. Рассказать и продемонстрировать учащимся мой проект.
19. Практическая значимость: в конце работы будет проведено исследования металла с памятью форм, которое может быть использована на уроках физики, химии и технологии.
20. МЕТАЛЛЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
21. Эффект памяти формы — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.

Наиболее ярким представителем металлических материалов с памятью формы является сплав никеля и титана (никелид титана, другое его название — нитинол). Он является наиболее изученным из сплавов, хотя на конец XX века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов.

Данный эффект в металлах и сплавах имеет не только научное, но и практическое значение. Так, в ряде случаев его применение обеспечивает решение очень сложных технических проблем. Форма элементов может быть различной в зависимости от назначения (пластина, пружина, стержень и т.д.).

При растяжении-сжатии элемента на его материал действуют силы кручения-изгиба, что позволяет получать большие деформации при незначительном изменении температур превращения внутри самого материала. В настоящее время эффект памяти формы находит применение в приборостроении, судостроении, космической отрасли и др.

Впервые сплав с памятью формы был применен в самолете в 1971 году в ВМС США. Это стало большим достижением [1, 2].

• Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление:
• 1. Есть металлическая проволока;
• 2. Эту проволоку изгибают;
• 3. Начинаем нагревать проволоку;

4. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений.

Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях и может проявляться несколько миллионов циклов. Эффект памяти формы сплава можно усиливать предварительными термообработками.

Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда металл с памятью формы при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую [4].

МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ:

1. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (на рисунке обозначена правильными квадратами) [8].

2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В материалах с памятью формы мартенсит является термоупругим.

3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние.

4. 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.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют прямые и обратные мартенситные превращения. Мартенситное превращение ‐ полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием [4].

Под прямым мартенситным превращением понимают превращение из высокотемпературной гранецентрированной кубической фазы (аустенит) в низкотемпературную объемно‐центрированную кубическую фазу (α‐ мартенсит). Обратное превращение – из объемно‐центрированной кубической фазы в гранецентрированную кубическую.

1. Никелид титана — лидер среди материалов с памятью формы по применению и по изученности.
2. Никелид титана обладает:
3. — превосходной коррозионной стойкостью,
4. — высокой прочностью,
5. — хорошими характеристиками формозапоминания,
6. — хорошей совместимостью с живыми организмами,
7. — высокой демпфирующей (поглощением шума и вибрации) способностью материала.
8. ПРИМЕНЕНИЕ
9. В медицине:

Жизненно важной отраслью для человека является медицина. В этой области металлы с эффектом памяти формы нашли свое применение.

С помощью таких металлов научились создавать фильтры для введения в сосуды кровеносной системы, зажимы для защемления слабых вен, стержни для коррекции позвоночника при сколиозе, оправы для очков, ортопедические импланты, проволоки для исправления зубного ряда и еще огромное множество других полезных и жизненно необходимых медицинских устройств [6].

• В промышленности:
• Применение эффекта памяти формы позволяет решать многие технические задачи, такие как:
• создание герметичных трубных узлов аналогично методу развальцовки (фланцевые соединения, самозатягивающиеся обоймы и муфты);
• изготовление зажимных инструментов, захватов, толкателей; проектирование «суперпружин» и аккумуляторов механической энергии, шаговых двигателей;
• создание соединений из разнородных материалов (металл-неметалл) или в труднодоступных местах, когда применение сварки или пайки становится невозможным;
• изготовление силовых элементов многоразового действия; корпусная герметизация микросхем, гнезда для их присоединения;
• производство регуляторов и датчиков температуры в различных приборах (пожарная сигнализация, предохранители, клапаны тепловых машин и другие)[7].
• В космической отрасли:

Большие перспективы имеет создание подобных аппаратов для космической промышленности (саморазворачивающиеся антенны и солнечные батареи, телескопические устройства, инструмент для монтажных работ в открытом космосе, приводы поворотных механизмов – рулей, заслонок, люков, манипуляторов). Их преимуществом является отсутствие импульсных нагрузок, которые вносят нарушения в пространственное положение в космосе [7].

1. Феноменология эффекта памяти формы у металлов проявляется при нагреве до температуры мартенситного превращения после предварительного охлаждения.
2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ.
3. Для выявления зависимостисвойств металла с памятью форм путем измерения показаний температуры нагревания металла и времени, за которое металл принимает исходную форму, была сделана установка.

Нагрев происходит с помощью горячей воды. Данные температуры измеряются с помощью датчика температуры, время замеряется секундомером. Металлическая деформированная скрепка помещается в калориметр, заливается горячей водой разной температуры. Измеряется время, за которое металл принимает первоначальную форму. Диаметр проволоки – 0,2мм.

Таблица 1. Зависимость времени восстановления формы от температуры нагревания металла

График 1. Зависимость времени восстановления формы от температуры нагревания металла

Вывод: Скорость, с которой металл принимает исходную форму зависит от температуры нагревания. Чем выше температура, тем быстрее металл достигнет исходной формы. Следовательно, можно регулировать скорость и время, изменяя температуру. И зная температуру рассчитать время, необходимое на возвращение в исходную форму.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ:

Вегера Ж.Г. Эффекты структурной организации коллоидных частиц и микрочастиц дисперсного немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при её взаимодействии с электрическими и магнитными полями. Дис. канд. физ.-мат. наук. — Ставрополь, 2004.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 3 – Электричество и магнетизм. Москва, 2016.

Лихачев В.А. и др. Эффект памяти формы. Л., Издательство ЛГУ.1987. 216

Тихонов А.С. и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М., Машиностроение. 1981. 81 с.

Хачин В.Н. Память формы. М., Знание.1984. 62 с.

Сплавы с памятью формы в медицине. / В.Э. Гюнтер, В.В. Котенко, М.З. Миргазизов, В.К. Поленичкин, И.А. Витюгов, В.И. Итин, Р.В. Зиганьшин, Ф.Т. Темерханов. Томск: Изд-во Томского университета. 1986. 208 с.

Сверхэлластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине. Справочно-библиографические издание./ С.А Муслов, В.А. Андреев, А.Б. Бондарев, П.Ю. Сухочев. М., Издательский дом «Фолиум». 2010. 456 с.

Вебсайт ООО «НиТиМет Компани». [Электронный ресурс] NiTiMET COMPANY. URL: http://www.niti-met.ru/index.php (дата обращения: 12.11.2018).