Alak memória effektus
Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. június 20-án felülvizsgált
verziótól ; az ellenőrzéshez
1 szerkesztés szükséges .
Az alakmemória-effektus egy olyan jelenség, amely hevítéskor visszanyeri eredeti alakját , ami bizonyos anyagoknál megfigyelhető előzetes deformáció után.
Bevezetés
A külvilág jelenségeiről az emberek egyik alapvető felfogása a fémtermékek és -szerkezetek tartóssága és megbízhatósága, amelyek hosszú ideig stabilan megőrzik funkcionális formájukat , kivéve persze, ha szuperkritikus hatásoknak vannak kitéve.
Vannak azonban olyan anyagok , fémötvözetek , amelyek előzetes deformáció után hevítve azt a jelenséget mutatják, hogy visszatérnek eredeti alakjukba.
Jelenség
Az alakmemória-effektus megértéséhez elég egyszer látni a megnyilvánulását (lásd 1. ábra). Mi történik?
- Van egy fémhuzal .
- Ez a vezeték meg van hajlítva.
- Elkezdjük melegíteni a vezetéket.
- Melegítéskor a huzal kiegyenesedik, visszaállítva eredeti alakját.
A jelenség lényege
Miért történik ez? (Lásd a 2. ábrát)
- A kezdeti állapotban az anyag bizonyos szerkezettel rendelkezik. Az ábrán szabályos négyzetek jelzik .
- A deformáció (jelen esetben hajlítás ) során az anyag külső rétegei megfeszülnek, a belső rétegek összenyomódnak (a középsők változatlanok maradnak). Ezek a hosszúkás szerkezetek martenzites lemezek, ami nem szokatlan a fémötvözetek esetében. Az alakmemóriával rendelkező anyagokban szokatlan módon a martenzit termoelasztikus.
- Hevítéskor a martenzitlemezek hőrugalmassága kezd megjelenni, azaz belső feszültségek keletkeznek bennük , amelyek hajlamosak a szerkezetet visszaállítani az eredeti állapotába, vagyis a megnyúlt lemezeket összenyomni, a lapítottakat megnyújtani.
- Mivel a külső hosszúkás lemezeket összenyomják, a belső lapítottakat pedig nyújtják, az anyag egészében az ellenkező irányú autodeformáción megy keresztül, és visszaállítja eredeti szerkezetét, ezzel együtt formáját.
Az alakmemória effektus jellemzői
Az alakmemória hatást két mennyiség jellemzi.
- Szigorúan egységes kémiai összetételű ötvözetmárka.
- A martenzites átalakulások hőmérsékletei .
Az alakmemória-effektus megnyilvánulási folyamatában kétféle martenzites átalakulás vesz részt - közvetlen és fordított. Ennek megfelelően mindegyik a saját hőmérsékleti tartományában nyilvánul meg: M H és M K - a közvetlen martenzites átalakulás kezdete és vége hűtéskor, A H és A K - a fordított martenzites átalakulás kezdete és vége melegítéskor.
A martenzites átalakulási hőmérséklet az ötvözet minőségétől (ötvözetrendszerétől) és kémiai összetételétől is függ . Az ötvözet kémiai összetételének kis változásai (szándékosan vagy házasság eredményeként ) ezeknek a hőmérsékleteknek az eltolódásához vezetnek (lásd a 4. ábrát).
Ez azt jelenti, hogy szigorúan be kell tartani az ötvözet kémiai összetételét az alakmemória-effektus egyértelmű funkcionális megnyilvánulásához, amely a kohászati termelést a csúcstechnológiák szférájába fordítja .
Az alakmemória effektus több millió ciklusban nyilvánul meg ; előzetes hőkezelésekkel erősíthető .
Reverzibilis alakmemória hatások lehetségesek, amikor egy anyag az egyik hőmérsékleten egy alakra "emlékezik", egy másik hőmérsékleten pedig egy másikra.
Minél magasabb a fordított martenzites transzformáció hőmérséklete, annál kevésbé kifejezett az alakmemória effektus. Például gyenge alakmemória effektus figyelhető meg a Fe–Ni (5–20% Ni) rendszer ötvözeteiben, amelyekben a fordított martenzites átalakulás hőmérséklete 200–400 ˚C.
Az alakmemória funkcionális tulajdonságai közül nagy elméleti és gyakorlati jelentőséggel bír az ún. orientált transzformációs deformáció jelensége. Ennek az örökletes jelenségnek a jelentése a következő. Ha egy feszültség alatt lehűtött testet abban a hőmérsékleti tartományban tehermentesítünk, ahol a közvetlen martenzites átalakulás plaszticitása megvalósul, és a hőmérsékletcsökkenés nem áll meg, a folyamatos hűtés nem mindig okoz makroszkopikus deformációt. Éppen ellenkezőleg, a deformáció leggyakrabban tovább halmozódik, mintha az anyagot alig tehermentesítették volna. Más esetekben a hűtés intenzív megtérülése tapasztalható. Az ilyen tulajdonságok, amelyek közül az elsőt általában orientált transzformációs deformációnak, a másodikat a deformáció rendellenes visszatérésének nevezik, a terhelés hatására kialakuló martenzitkristályok növekedésével járnak együtt - orientált átalakulás deformációja esetén pozitív orientációjú kristályok, ill. az anomális visszatérés esete - negatív orientáció. Ezeket a jelenségeket elsősorban orientált mikrofeszültségek indíthatják el.
Szuperrugalmasság
Az alakmemória-effektussal szorosan összefüggő másik jelenség a szuperrugalmasság – a folyáshatárt jelentősen meghaladó terhelésnek kitett anyag azon tulajdonsága, hogy a terhelés eltávolítása után teljesen visszaállítja eredeti alakját [1] . A szuperelaszticitás a közvetlen martenzites átalakulás kezdete és a fordított átalakulás vége közötti hőmérséklet-tartományban figyelhető meg.
Shape Memory Materials
Titán-nikkelid
Az alakmemóriával rendelkező anyagok közül az alkalmazás és a tanulmányozás tekintetében vezető szerepet tölt be a titán-nikelid ( nitinol ), egy ekviatomikus összetételű intermetallikus vegyület , amely 55 tömeg% Ni-t tartalmaz. Olvadáspont - 1240-1310 ˚C, sűrűség - 6,45 g / cm³. A titán-nikelid kezdeti szerkezete, egy stabil, testközpontú, CsCl típusú köbös rács, a deformáció során termoelasztikus martenzites átalakuláson megy keresztül, és alacsony szimmetriájú fázis képződik .
A titán - nikkelidből készült elem képes ellátni az érzékelő és a működtető funkcióját is .
A titán-nikkelid a következő tulajdonságokkal rendelkezik:
- nagyon magas korrózióállóság ;
- nagy szilárdság ;
- jó alakú memória jellemzők; nagy alakvisszanyerési arány és nagy helyreállító erő ; 8%-ig terjedő deformáció teljesen helyreállítható; a helyreállítási feszültség ebben az esetben elérheti a 800 MPa-t;
- jó biológiai kompatibilitás;
- nagy csillapítóképesség .
Az anyag hátrányai közé tartozik a rossz gyárthatóság és a magas ár:
- a titán jelenléte miatt az ötvözet könnyen megköti a nitrogént és az oxigént , a gyártás során bekövetkező oxidáció megakadályozása érdekében vákuumot kell használni;
- a nagy szilárdság másik oldala a feldolgozás nehézsége az alkatrészek gyártása során, különösen a vágás során;
- a 20. század végén a titánnikelid nem volt sokkal olcsóbb az ezüstnél .
Az ipari termelés jelenlegi szintjén a titán-nikkelidből (a Cu-Zn-Al rendszerű ötvözetekkel együtt) készült termékek széles körű gyakorlati alkalmazásra és piaci értékesítésre találtak
.
Egyéb ötvözetek
A 20. század végén az alakmemória effektust több mint 20 ötvözetben találták meg. A titán-nikkelid mellett az alakmemória effektus a következő rendszerekben is megtalálható:
- Au-Cd - 1951-ben fejlesztették ki az Illinoisi Egyetemen ( USA ); az alakmemóriás anyagok egyik úttörője;
- Cu-Zn-Al - a titán-nikkeliddel együtt gyakorlati alkalmazásai vannak; a martenzites átalakulások hőmérséklete a –170 és 100 ˚C közötti tartományban; a titán-nikelidhez képest nem oxidálódik gyorsan a levegőben, könnyen feldolgozható és ötször olcsóbb, de mechanikai (a szemcsék hőkezelés közbeni durvulása miatt), korróziógátló és technológiai tulajdonságaiban (szemcsestabilizációs problémák) rosszabb. porkohászatban ) , alakmemória jellemzők;
- Cu-Al-Ni - az Osakai Egyetemen ( Japán ) fejlesztették ki; martenzites átalakulási hőmérséklet a 100-200 ˚C tartományban;
- A Fe-Mn-Si a rendszer legolcsóbb ötvözete;
- Fe-Ni;
- Cu-Al;
- Cu-Mn;
- Co-Ni;
- Ni-Al.
Néhány kutató[ ki? ] úgy vélik, hogy az alakmemória effektus alapvetően lehetséges bármilyen martenzites átalakuláson áteső anyag esetében, beleértve az olyan tiszta fémeket is, mint a titán , cirkónium és kobalt .
Titán-nikkelid előállítása
Az olvasztást vákuumkoponyában vagy elektromos ívkemencében, fogyóelektródával, védőatmoszférában ( hélium vagy argon ) végzik. A töltet mindkét esetben titán-jodid vagy titánszivacs , brikettre préselve és H-0 vagy H-1 nikkelminőségű . A tömb keresztmetszetében és magasságában egységes kémiai összetétel elérése érdekében kettős vagy háromszoros újraolvasztás javasolt. Ívkemencében történő olvasztáshoz 1,2 kA áram , 40 V feszültség és 53 MPa héliumnyomás javasolt. A bugák optimális hűtési módja a repedés elkerülése érdekében a kemencével történő hűtés (legfeljebb 10 ˚C/s). Felületi hibák eltávolítása - hámozás csiszolókoronggal. A kémiai összetétel teljesebb összehangolása érdekében a tuskó térfogatában a homogenizálást 950–1000 ˚C hőmérsékleten, inert atmoszférában végezzük.
Anyagok alkalmazása alakmemória hatással
Titanium Nickel Couplings
A perselyt először a Raychem Corporation (USA) fejlesztette ki és vezette be a katonai repülőgépek hidraulikus rendszerének csöveinek összekötésére . Több mint 300 000 ilyen kapcsolat van a vadászgépben , de ezek meghibásodásáról soha nem érkezett jelentés. . Az összekötő karmantyú megjelenése a 2. ábrán látható. 5. Funkcionális elemei belső kiemelkedések.
Az ilyen perselyek használata a következő (lásd 6. ábra):
- A hüvely eredeti állapotában 20 ˚C hőmérsékleten.
- A perselyt egy kriosztátba helyezzük , ahol –196 ˚C hőmérsékleten a belső kiemelkedéseket egy dugattyúval kiszélesítjük.
- A hideghüvely belülről simává válik.
- A kriosztátból speciális fogóval távolítják el a hüvelyt és ráhelyezik a csatlakoztatandó csövek végére .
- A szobahőmérséklet az ötvözet adott összetételéhez tartozó fűtési hőmérséklet, amelyre felmelegítve minden automatikusan megtörténik: a belső kiemelkedések visszaállítják eredeti alakjukat, kiegyenesednek és belevágnak a csatlakoztatott csövek külső felületébe.
Kiderült, hogy egy erős vákuumtömör csatlakozás, amely akár 800 atm nyomást is képes ellenállni. Valójában ez a fajta csatlakozás helyettesíti a hegesztést . És megakadályozza a hegesztés olyan hiányosságait, mint a fém elkerülhetetlen lágyulása és a hibák felhalmozódása a fém és a hegesztés közötti átmeneti zónában.
Ezenkívül ez a csatlakozási mód jó a végső csatlakozáshoz szerkezet összeszerelésekor, amikor a hegesztés nehezen hozzáférhető csomópontok és csővezetékek összefonódása miatt. Ezeket a perselyeket repülési, űrhajózási és autóipari alkalmazásokban használják . Ezt a módszert tenger alatti kábelcsövek csatlakoztatására és javítására is használják.
Az orvostudományban
Hőriasztás
Egyéb felhasználások
- A Focusu Boro (Japán) titán-nikkelidet használ felvevőmeghajtókban . A felvevő bemeneti jele elektromos árammá alakul, amely felmelegíti a titán-nikkelid vezetéket. A vezeték hosszabbítása és rövidülése miatt a felvevő tolla mozgásba jön. 1972 óta több millió ilyen egységet gyártottak (20. század végi adatok). Mivel a meghajtó mechanizmus nagyon egyszerű, a meghibásodások rendkívül ritkák.
- Elektronikus tűzhely légkeveréses típus. A titán-nikkelid érzékelő a szellőzés kapcsolására szolgál mikrohullámú fűtés és keringtetett meleg levegő fűtése közben.
- Érzékelő szelep szobai klímaberendezéshez . Beállítja a szél irányát a légkondicionáló levegőkimenetében a hűtés és fűtés érdekében.
- Kávéfőző . Forráshőmérséklet érzékelése , valamint be-ki szelepekhez és kapcsolókhoz.
- Elektromágneses konyhai robotgép. Az indukciós melegítést az edény alján mágneses mezők hatására fellépő örvényáramok idézik elő . Annak érdekében, hogy ne égjen le, megjelenik egy jel, amelyet egy titán-nikkelid tekercs formájában lévő elem működtet.
- Elektronikus tároló szárító. Működteti a szárnyakat a dehidratálószer regenerálásakor.
- 1985 elején a melltartókeretek készítéséhez használt alakmemóriájú ötvözetek sikerrel jelentek meg a piacon. A csészék alján található fém keret titán-nikkelid huzalból készült. Itt a szuperrugalmasság tulajdonságát használjuk. Ugyanakkor nincs egy vezeték jelenlétének érzete, a puhaság és a rugalmasság benyomása. Ha deformálódik (mosás közben), könnyen visszaadja alakját. Értékesítés - 1 millió darab évente. Ez az alakmemóriás anyagok egyik első gyakorlati alkalmazása.
- Különféle szorítószerszámok gyártása .
- Mikroáramkörök házainak tömítése .
- A martenzites átalakulások során a munka hővé alakításának nagy hatékonysága (titán-nikelidben) azt sugallja, hogy az ilyen anyagokat nem csak erősen csillapító anyagokként, hanem hűtőszekrények és hőszivattyúk munkaközegeként is használják .
- A szuperelaszticitás tulajdonságát rendkívül hatékony rugók és mechanikus energiatárolók létrehozására használják.
- Az alakmemória hatását az ékszerek gyártásánál is alkalmazzák, például a virág formájú ékszerekben, amikor felmelegítve, a test érintésével kinyílnak a virág szirmai, felfedve a benne rejlő drágakövet.
- Az alakmemória effektust az illuzionisták is alkalmazzák, például egy ívelt körmös trükkben, amely egy bűvész vagy valamelyik néző kezében egyenesedik ki.
Lásd még
Jegyzetek
- ↑ Boyko, 1991 , p. 160.
Irodalom
- Likhachev V. A., Kuzmin S. L., Kamentseva Z. P. Alakmemória effektus. - L .: Leningrádi Állami Egyetem Kiadója, 1987.
- Tikhonov A. S., Gerasimov A. P., Prokhorova I. I. Az alakmemória-effektus alkalmazása a modern gépészetben. - M . : Mashinostroenie, 1981. - 81 p.
- Likhachev V. A., Malinin V. G. Az erő szerkezeti-analitikai elmélete. -. - Szentpétervár:: Nauka, 1993. - 441 p. — ISBN 5-02-024754-6 .
- V. N. Khachin. Alakmemória. - M . : Tudás, 1984. - 64 p. — („Tudás”, „Fizika”.).
- Ootsuka K., Shimizu K., Suzuki Y. Alakmemóriás ötvözetek: Per. japánból / Szerk. H. Funakubo. M.: Kohászat, 1990. - 224 p.
- S. V. Shishkin, N. A. Makhutov. Alakmemória hatású ötvözetek teherhordó szerkezeteinek számítása, tervezése. - Izhevsk: Tudományos és Kiadói Központ "Szabályos és kaotikus dinamika", 2007. - 412 p. - ISBN 978-5-93972-596-5 .
- Malygin G. A. Elmosódott martenzites átmenetek és kristályok plaszticitása az alakmemória effektussal // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2001, v. 171, no. 187-212.
- Vasziljev A. N. , Bucselnikov V. D. , Takagi T. , Khovailo V. V. , Estrin E. I. Alakmemóriás ferromágnesek // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, 173. v., 6. sz., p. 577-608.
- Kagan M. Yu. , Klaptsov A. V. , Brodsky I. V. , Kugel K. I. , Sboychakov A. O. , Rakhmanov A. L. Kisléptékű fázisszétválasztás és elektrontranszport manganitokban // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, 3. o., no. 877-883.
- Buchelnikov V. D. , Vasiliev A. N. , Koledov V. V. , Taskaev S. V. , Khovailo V. V. , Shavrov V. G. Mágneses alakú memória ötvözetek: fázisátalakulások és funkcionális tulajdonságok // Uspekhi fizicheskikh Nauk , 2006, p. 176, no. 900-906.
- Voronov V. K. , Podoplelov A. V. Fizika az ezredfordulón: sűrített állapot, 2. kiadás, M.: LKI, 2012, 336 oldal, ISBN 978-5-382-01365-7
- Boiko V. S., Garber R. I., Kosevich A. M. Kristályok reverzibilis plaszticitása. — M .: Nauka, 1991. — 280 p.
- Zaimovsky V. A., Kolupaeva T. L. A közönséges anyagok szokatlan tulajdonságai. - M .: Nauka, 1984.
Linkek