Tavapärase tarkuse kohaselt on metallid kõige vastupidavamad ja vastupidavamad materjalid. Siiski on sulameid, mis võivad pärast deformatsiooni taastada oma kuju ilma välist koormust rakendamata. Neid iseloomustavad ka muud ainulaadsed füüsikalised ja mehaanilised omadused, mis eristavad neid konstruktsioonimaterjalidest.
Nähtuse olemus
Sulamite kujumäluefekt seisneb selles, et eelnev alt deformeerunud metall taastub kuumutamisel või lihts alt pärast mahalaadimist spontaanselt. Neid ebatavalisi omadusi märkasid teadlased juba 1950. aastatel. 20. sajandil Juba siis seostati seda nähtust martensiitsete transformatsioonidega kristallvõres, mille käigus toimub aatomite korrapärane liikumine.
Martensiit kujumälumaterjalides on termoelastne. See struktuur koosneb õhukeste plaatide kujul olevatest kristallidest, mis on välimistes kihtides venitatud ja sisemistes kihtides kokku surutud. Deformatsiooni "kandjateks" on faasidevahelised, kaksik- ja kristallidevahelised piirid. Pärast kuumutamist deformeerunudsulam, tekivad sisepinged, püüdes taastada metalli algse kuju.
Spontaanse taastumise olemus sõltub eelmise kokkupuute mehhanismist ja temperatuuritingimustest, milles see toimus. Suurimat huvi pakub mitmekordne tsüklilisus, mis võib ulatuda mitme miljoni deformatsioonini.
Kujumäluefektiga metallidel ja sulamitel on veel üks ainulaadne omadus – materjali füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste mittelineaarne sõltuvus temperatuurist.
Sordid
Ül altoodud protsess võib esineda mitmel kujul:
- superplastsus (superelastsus), mille puhul metalli kristallstruktuur talub deformatsioone, mis normaalseisundis oluliselt ületavad voolavuspiiri;
- üks ja pööratav kujumälu (viimasel juhul korratakse efekti termotsükli ajal korduv alt);
- edasi- ja tagurpidimuunduvus (tüve akumuleerumine vastav alt jahutamisel ja kuumutamisel martensiitsetemuunduse läbimisel);
- pöörduv mälu: kuumutamisel taastatakse esm alt üks deformatsioon ja seejärel temperatuuri edasise tõusuga teine;
- orienteeritud teisendus (deformatsioonide kuhjumine pärast koormuse eemaldamist);
- pseudoelastsus - mitteelastsete deformatsioonide taastumine elastsusväärtustest vahemikus 1-30%.
Taastage metallide algsesse olekusse efektkujumälu võib olla nii intensiivne, et seda ei saa maha suruda tõmbetugevusele lähedane jõud.
Materjalid
Selliste omadustega sulamitest on levinumad titaannikkel (49–57% Ni ja 38–50% Ti). Neil on hea jõudlus:
- kõrge tugevus ja korrosioonikindlus;
- märkimisväärne taastumistegur;
- suur sisepinge väärtus algolekusse naasmisel (kuni 800 MPa);
- hea ühilduvus bioloogiliste struktuuridega;
- efektiivne vibratsiooni neeldumine.
Lisaks titaannikeliidile (või nitinoolile) kasutatakse ka muid sulameid:
- kahekomponendiline – Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- kolmekomponentne - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si ja teised.
Legeerivad lisandid võivad oluliselt muuta martensiidi muundumise temperatuuri, mõjutades redutseerimisomadusi.
Tööstuslik kasutamine
Kujumäluefekti rakendamine võimaldab lahendada paljusid tehnilisi probleeme:
- põletusmeetodile sarnaste tihedate torusõlmede loomine (äärikühendused, isepinguvad klambrid ja liitmikud);
- kinnitustööriistade, haaratsite, tõukurite tootmine;
- disainmehaanilise energia "supervedrud" ja akud, samm-mootorid;
- liidete loomine erinevatest materjalidest (metall-mittemetall) või raskesti ligipääsetavates kohtades, kui keevitamine või jootmine muutub võimatuks;
- taaskasutatavate jõuelementide tootmine;
- mikroskeemide korpuse tihendus, pistikupesad nende ühendamiseks;
- temperatuuri regulaatorite ja andurite tootmine erinevates seadmetes (tulekahjusignalisatsioonid, kaitsmed, soojusmasina klapid ja muud).
Selliste seadmete loomisel kosmosetööstusele (isekanduvad antennid ja päikesepaneelid, teleskoopseadmed, kosmoses paigaldustöödeks vajalikud tööriistad, pöördmehhanismide ajamid – roolid, luugid, luugid, manipulaatorid) on suured väljavaated. Nende eeliseks on ruumilist asendit ruumis häirivate impulsskoormuste puudumine.
Kujumälusulamite rakendamine meditsiinis
Meditsiinilises materjaliteaduses kasutatakse nende omadustega metalle tehnoloogiliste seadmete valmistamiseks, näiteks:
- sammumootorid luude venitamiseks, lülisamba sirgendamiseks;
- vereasendajate filtrid;
- murdude fikseerimise seadmed;
- ortopeedilised seadmed;
- klambrid veenide ja arterite jaoks;
- pumbaosad tehissüdame või -neeru jaoks;
- stendid ja endoproteesid veresoontesse implanteerimiseks;
- ortodontilised juhtmed hambumuse korrigeerimiseks.
Puudused ja väljavaated
Hoolimata oma suurest potentsiaalist on kujumälusulamitel puudusi, mis piiravad nende laialdast kasutuselevõttu:
- kallid keemiakomponendid;
- keeruline tootmistehnoloogia, vajadus kasutada vaakumseadmeid (lämmastiku ja hapniku lisandite vältimiseks);
- faasi ebastabiilsus;
- metallide madal töödeldavus;
- raskused soovitud omadustega struktuuride ja sulamite käitumise täpsel modelleerimisel;
- sulamite vananemine, väsimine ja lagunemine.
Selle tehnoloogiavaldkonna arengu paljutõotav suund on kujumäluefektiga metallidest katete loomine, samuti selliste rauapõhiste sulamite valmistamine. Komposiitstruktuurid võimaldavad ühendada kahe või enama materjali omadused ühes tehnilises lahenduses.
