Muotomuistiefekti

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 20. kesäkuuta 2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Muotomuistiefekti  on ilmiö, joka palaa alkuperäiseen muotoonsa kuumennettaessa , mikä havaitaan joissakin materiaaleissa alustavan muodonmuutoksen jälkeen.

Johdanto

Yksi ihmisten peruskäsityksistä ulkomaailman ilmiöistä  on metallituotteiden ja -rakenteiden kestävyys ja luotettavuus, jotka säilyttävät vakaasti toiminnallisen muotonsa pitkään , elleivät tietenkään joudu ylikriittisiin vaikutuksiin.

On kuitenkin olemassa useita materiaaleja , metalliseoksia , jotka kuumennettaessa alustavan muodonmuutoksen jälkeen osoittavat ilmiön, joka palaa alkuperäiseen muotoonsa.

Ilmiö

Muotomuistiefektin ymmärtämiseksi riittää sen ilmentymisen näkeminen kerran (katso kuva 1). Mitä tapahtuu?

1. Siellä on metallilanka .
2. Tämä lanka on taipunut.
3. Aloitamme langan lämmittämisen.
4. Kuumennettaessa lanka suoristuu palauttaen alkuperäisen muotonsa.

Ilmiön olemus

Miksi tämä tapahtuu? (Katso kuva 2)

1. Alkutilassa materiaalilla on tietty rakenne. Kuvassa se on merkitty säännöllisillä neliöillä .
2. Muodonmuutoksen (tässä tapauksessa taivutus ) aikana materiaalin ulommat kerrokset venyvät ja sisäkerrokset puristuvat (keskikerrokset pysyvät muuttumattomina). Nämä pitkänomaiset rakenteet ovat martensiittisia levyjä, mikä ei ole epätavallista metalliseoksille. Epätavallisesti materiaaleissa, joissa on muotomuisti, martensiitti on termoelastista.
3. Kuumennettaessa martensiittilevyjen lämpöelastisuus alkaa ilmaantua, eli niissä syntyy sisäisiä jännityksiä , jotka pyrkivät palauttamaan rakenteen alkuperäiseen tilaan, eli puristamaan pitkänomaisia ​​levyjä ja venyttämään litistettyjä.
4. Koska ulompia pitkänomaisia ​​levyjä puristetaan ja sisempiä litistettyjä venytetään, materiaali kokonaisuudessaan käy läpi automaattisen muodonmuutoksen vastakkaiseen suuntaan ja palauttaa alkuperäisen rakenteensa ja sen mukana muotonsa.

Muodon muistiefektin ominaisuudet

Muotomuistiefektille on tunnusomaista kaksi suuruutta.

1. Seosmerkki, jolla on tiukasti yhtenäinen kemiallinen koostumus.
2. Martensiittisten muutosten lämpötilat .

Muotomuistiefektin ilmentymisprosessissa on mukana kahden tyyppisiä martensiittisia muunnoksia - suoria ja käänteisiä. Vastaavasti jokainen niistä ilmenee omalla lämpötila-alueellaan: M H ja M K  - suoran martensiittisen muunnoksen alku ja loppu jäähtyessään, A H ja A K  - käänteisen martensiittimuunnoksen alku ja loppu kuumennettaessa.

Martensiittiset muunnoslämpötilat ovat funktio sekä lejeeringin laadusta (seossysteemistä) että sen kemiallisesta koostumuksesta . Pienet muutokset lejeeringin kemiallisessa koostumuksessa (tahallisesti tai avioliiton seurauksena ) johtavat näiden lämpötilojen muutokseen (katso kuva 4).

Tämä edellyttää, että lejeeringin kemiallista koostumusta on noudatettava tiukasti, jotta muodon muistiefektin yksiselitteinen toiminnallinen ilmentymä, mikä muuttaa metallurgisen tuotannon korkean teknologian alaksi .

Muotomuistivaikutus ilmenee useissa miljoonissa sykleissä ; sitä voidaan vahvistaa alustavilla lämpökäsittelyillä .

Palautuvat muodon muistivaikutukset ovat mahdollisia, kun materiaali yhdessä lämpötilassa "muistaa" yhden muodon ja toisessa lämpötilassa - toisen.

Mitä korkeampi käänteisen martensiittisen muunnoksen lämpötila on, sitä vähemmän korostuu muotomuistivaikutus. Esimerkiksi heikko muotomuistiefekti havaitaan Fe–Ni (5–20 % Ni) systeemin seoksissa, joissa käänteisen martensiittisen muunnoksen lämpötilat ovat 200–400 ˚C.

Muotomuistin toiminnallisista ominaisuuksista niin sanotun orientoidun muunnosmuodonmuutoksen ilmiöllä on suuri teoreettinen ja käytännön merkitys. Tämän perinnöllisen ilmiön merkitys on seuraava. Jos jännityksen alaisena jäähtynyt kappale puretaan lämpötilojen alueella, jossa suoran martensiittisen muunnoksen plastisuus toteutuu eikä lämpötilan laskua pysähdy, jäähdytyksen jatkaminen ei aina aiheuta makroskooppista muodonmuutosta. Päinvastoin, useimmiten muodonmuutos jatkaa kertymistä, ikään kuin materiaalia tuskin purettaisiin. Muissa tapauksissa jäähdytys palautuu voimakkaasti. Sellaiset ominaisuudet, joista ensimmäistä kutsutaan yleisesti orientoiduksi muunnokseksi muodonmuutokseksi, toista - epänormaaliksi muodonmuutoksen palautumiseksi, liittyvät kuormituksen alaisena muodostuneiden martensiittikiteiden kasvuun - orientoidun muunnoksen muodonmuutoksen tapauksessa positiivisen orientaation kiteet ja poikkeavan paluutapaus - negatiivinen suunta. Nämä ilmiöt voivat käynnistyä erityisesti suuntautuneilla mikrojännityksillä.

Superelastisuus

Toinen muotomuistiefektiin läheisesti liittyvä ilmiö on superelastisuus - materiaalin ominaisuus, jota kuormitetaan merkittävästi myötölujuuden ylittävälle jännitykselle , palauttaa kokonaan alkuperäinen muotonsa kuorman poistamisen jälkeen [1] . Superelastisuus havaitaan lämpötila-alueella suoran martensiittisen muunnoksen alun ja käänteisen muunnoksen lopun välillä.

Muotomuistimateriaalit

Titaaninikkeli

Johtava muotomuistia omaavien materiaalien joukossa sovelluksen ja tutkimuksen suhteen on titaaninikkelidi ( nitinoli ), intermetallinen yhdiste , jolla on tasaatomikoostumus ja jossa on 55 % Ni (massasta). Sulamispiste - 1240-1310 ˚C, tiheys - 6,45 g / cm³. Titaaninikkelidin alkurakenne, stabiili, CsCl-tyyppinen, runkokeskeinen kuutiohila, käy läpi lämpöelastisen martensiittisen muodonmuutoksen muodonmuutoksen aikana, jolloin muodostuu matalasymmetrinen faasi .

Titaaninikkelidistä valmistettu elementti voi suorittaa sekä anturin että toimilaitteen toimintoja .

Titaaninikkelillä on seuraavat ominaisuudet:

• erittäin korkea korroosionkestävyys ;
• korkea lujuus ;
• hyvät muistiominaisuudet; korkea muodon palautumissuhde ja suuri palautusvoima ; muodonmuutos jopa 8% voidaan palauttaa täysin; palautumisjännitys voi tässä tapauksessa saavuttaa 800 MPa;
• hyvä biologinen yhteensopivuus;
• korkea vaimennuskapasiteetti .

Materiaalin haittoja ovat huono valmistettavuus ja korkea hinta:

• titaanin läsnäolon vuoksi seos kiinnittyy helposti typpeä ja happea , hapettumisen estämiseksi tuotannon aikana, on tarpeen käyttää tyhjiötä;
• korkean lujuuden kääntöpuoli on käsittelyn vaikeus osien valmistuksessa, erityisesti leikkaamisessa;
• 1900-luvun lopulla titaaninikkelidi ei ollut paljon halvempaa kuin hopea .

Nykyisellä teollisuustuotannon tasolla titaaninikkelidistä valmistetut tuotteet (sekä Cu-Zn-Al-seosten kanssa) ovat löytäneet laajan käytännön sovelluksen ja markkinoiden myynnin.

Muut seokset

1900-luvun lopulla muodon muistiefekti löydettiin yli 20 seoksesta. Titaaninikkelin lisäksi muotomuistiefekti löytyy seuraavista systeemeistä:

• Au-Cd - kehitetty vuonna 1951 Illinoisin yliopistossa ( USA ); yksi muotomuistimateriaalien pioneereista;
• Cu-Zn-Al - yhdessä titaaninikkelidillä on käytännön sovelluksia; martensiittisten muutosten lämpötilat alueella -170 - 100 ˚C; verrattuna titaaninikkelidiin, se ei ole alttiina nopealle hapettumiselle ilmassa, on helposti prosessoitavissa ja on viisi kertaa halvempi, mutta huonompi mekaanisilta (johtuen jyvän karkenemisesta lämpökäsittelyn aikana), korroosionesto- ja teknologisista ominaisuuksista (jyvien stabilointiongelmat) jauhemetallurgiassa ) , muotomuistin ominaisuudet;
• Cu-Al-Ni - kehitetty Osakan yliopistossa ( Japani ); martensiittiset muunnoslämpötilat alueella 100 - 200 ˚C;
• Fe-Mn-Si ovat tämän järjestelmän halvimmat seokset;
• Fe-Ni;
• Cu-Al;
• Cu-Mn;
• Co-Ni;
• Ni-Al.

Jotkut tutkijat[ kuka? ] uskovat, että muodon muistiefekti on pohjimmiltaan mahdollinen kaikille materiaaleille, joissa tapahtuu martensiittisia muutoksia, mukaan lukien sellaiset puhtaat metallit kuin titaani , zirkonium ja koboltti .

Titaaninikkelin tuotanto

Sulatus suoritetaan tyhjiökallossa tai sähkökaariuunissa kuluvalla elektrodilla suojaavassa ilmakehässä ( helium tai argon ). Varaus molemmissa tapauksissa on jodititaani tai titaanisieni , puristettu briketteiksi ja nikkeliluokka H-0 tai H-1. Tasaisen kemiallisen koostumuksen saamiseksi harkon poikkileikkaukselle ja korkeudelle suositellaan kaksois- tai kolminkertaista uudelleensulatusta. Valokaariuunissa sulatettaessa suositellaan virtaa 1,2 kA, jännitettä 40 V ja heliumin painetta 53 MPa. Harkkojen optimaalinen jäähdytystapa halkeilun estämiseksi on jäähdytys uunilla (enintään 10 ˚C/s). Pintavirheiden poisto - kuorinta hiomalaikalla. Kemiallisen koostumuksen täydellisemmälle linjaukselle koko harkon tilavuudessa homogenointi suoritetaan lämpötilassa 950–1000 ˚C inertissä ilmakehässä.

Materiaalien käyttö muotomuistiefektillä

Titanium Nickel Couplings

Raychem Corporation (USA) kehitti ja esitteli ensin holkin sotilaslentokoneiden hydraulijärjestelmän putkien yhdistämiseksi . Hävittäjässä on yli 300 000 tällaista yhteyttä , mutta koskaan ei ole raportoitu niiden rikkoutumisesta. . Liitosholkin ulkonäkö on esitetty kuvassa. 5. Sen toiminnalliset elementit ovat sisäisiä ulkonemia.

Tällaisten holkkien käyttö on seuraava (katso kuva 6):

1. Hiha alkuperäisessä kunnossaan 20 ˚C lämpötilassa.
2. Holkki asetetaan kryostaattiin , jossa -196 ˚C:n lämpötilassa sisäiset ulkonemat levitetään männällä .
3. Kylmähihasta tulee sileä sisältä.
4. Holkki irrotetaan kryostaatista erityisillä pihdeillä ja laitetaan liitettävien putkien päihin .
5. Huonelämpötila on tietyn seoksen koostumuksen lämmityslämpötila, johon kuumennettaessa kaikki tapahtuu automaattisesti: sisäiset ulkonemat palauttavat alkuperäisen muotonsa, suoristuvat ja leikkaavat liitettyjen putkien ulkopintaan.

Se osoittautuu vahvaksi tyhjiötiiviiksi liitoksiksi, joka kestää jopa 800 atm:n painetta . Itse asiassa tämäntyyppinen liitäntä korvaa hitsauksen . Ja se estää sellaiset hitsin puutteet kuin metallin väistämätön pehmeneminen ja vikojen kertyminen metallin ja hitsin väliselle siirtymäalueelle.

Lisäksi tämä liitäntätapa on hyvä loppuliitännäksi rakennetta koottaessa, kun hitsaukseen on vaikea päästä käsiksi solmujen ja putkistojen kudosten vuoksi. Näitä holkkeja käytetään lento-, avaruus- ja autosovelluksissa . Tätä menetelmää käytetään myös merenalaisten kaapeliputkien liittämiseen ja korjaamiseen.

Lääketieteessä

• Röntgenensisäkirurgiassa laajalti käytettyjen stenttien valmistus .
• Käsineet , joita käytetään kuntoutusprosessissa ja jotka on suunniteltu aktivoimaan aktiiviset lihasryhmät , joilla on toiminnallinen vajaatoiminta. Voidaan käyttää intercarpal- , kyynärpää- , olka- , nilkka- ja polvinivelissä .
• Ehkäisykierukat, jotka asettamisen jälkeen saavat toiminnallisen muodon kehon lämpötilan vaikutuksesta.
• Suodattimet syötettäväksi verenkiertoelimistön suoniin . Ne viedään suoran langan muodossa katetrin avulla , minkä jälkeen ne ovat suodattimia, joilla on tietty sijainti.
• Puristimet heikkojen suonien puristamiseen .
• Keinotekoiset lihakset, jotka saavat virtansa sähkövirrasta .
• Kiinnitysnastat , jotka on tarkoitettu proteesien kiinnittämiseen luihin .
• Keinotekoinen pidennyslaite niin sanotuille kasvaville proteeseille lapsille.
• Reisiluun pään ruston vaihto . Vaihtomateriaalista tulee itselukittuva pallomaisen muodon (reisiluun pää) vaikutuksesta.
• Tangot selkärangan korjaamiseen skolioosissa .
• Väliaikaiset puristuskiinnityselementit tekolinssin implantointiin .
• Kehys laseille . Pohjassa, jossa lasi on kiinnitetty langalla. Muovilinssit eivät luista jäähtyessään. Kehys ei veny linssejä pyyhktäessä ja pitkäaikaisessa käytössä. Superelastisuuden vaikutusta käytetään.
• Ortopediset implantit .
• Lanka (oikomiskaari) hampaiden korjaamiseen .
• Hammasimplantit (luussa olevien erilaisten elementtien kiinnitys itsestään).

Lämpöhälytys

• Palohälytys .
• Palopellit.
• Kylpyhälyttimet.
• Verkkosulake ( sähköpiirien suojaus ).
• Laite ikkunoiden automaattiseen avaamiseen ja sulkemiseen kasvihuoneissa .
• Kattilasäiliöt lämmön talteenottoon .
• Tuhkakuppi automaattisella tuhkaravistelulla.
• Elektroninen kontaktori.
• Pakokaasujen estojärjestelmä polttoainehöyryjä sisältäville kaasuille ( autoissa ).
• Laite lämmön poistamiseen jäähdyttimestä .
• Laite sumuvalojen sytyttämiseen .
• Inkubaattorin lämpötilansäädin .
• Säiliö lämpimällä vedellä pesuun.
• Säätöventtiilit jäähdytys- ja lämmityslaitteille, lämpömoottoreille .

Muut käyttötarkoitukset

• Focusu Boro (Japani) käyttää titaaninikkeliä tallenninasemissa . Tallentimen tulosignaali muunnetaan sähkövirraksi, joka lämmittää titaaninikkelidilangan. Johdon pidentymisen ja lyhentämisen vuoksi tallentimen kynä on liikkeellä. Vuodesta 1972 lähtien tällaisia ​​yksiköitä on valmistettu useita miljoonia (tiedot 1900-luvun lopulla). Koska käyttömekanismi on hyvin yksinkertainen, viat ovat erittäin harvinaisia.
• Elektroninen liesi konvektiotyyppi. Titaaninikkelidianturia käytetään ilmanvaihdon kytkemiseen mikroaaltolämmityksen ja kiertoilmalämmityksen aikana.
• Tunnistinventtiili huoneilmastointilaitteeseen . Säätää tuulen suunnan ilmastointilaitteen ilmanpoistoaukossa jäähdytystä ja lämmitystä varten.
• Kahvinkeitin . Kiehumislämpötilan tunnistus sekä on-off-venttiileille ja kytkimille.
• Sähkömagneettinen monitoimikone. Induktiokuumennus syntyy pyörrevirroista , jotka syntyvät kattilan pohjassa magneettikenttien vaikutuksesta . Jotta se ei palaisi, näkyviin tulee signaali, joka aktivoituu elementillä, joka on titaaninikkelikelan muodossa.
• Elektroninen kuivausrumpu. Käyttää läpät kun regeneroi kuivausainetta.
• Vuoden 1985 alussa rintaliivien kehysten valmistukseen käytetyt muotomuistiseokset alkoivat tulla markkinoille menestyksekkäästi. Kuppien pohjassa oleva metallirunko on valmistettu titaani-nikkelilangasta. Tässä käytetään superelastisuuden ominaisuutta. Samaan aikaan ei ole tunnetta langan läsnäolosta, vaikutelmaa pehmeydestä ja joustavuudesta. Kun se muotoutuu (pesun aikana), se palauttaa helposti muotonsa. Myynti - 1 miljoonaa kappaletta vuodessa. Tämä on yksi ensimmäisistä muotomuistimateriaalien käytännön sovelluksista.
• Erilaisten kiinnitystyökalujen valmistus .
• Mikropiirikoteloiden tiivistys . _
• Työn korkea hyötysuhde lämmöksi martensiittisten muutosten aikana (titaaninikkelidissä) viittaa tällaisten materiaalien käyttöön paitsi voimakkaasti vaimentavina materiaaleina, myös jääkaappien ja lämpöpumppujen työnesteenä .
• Superelastisuuden ominaisuutta käytetään erittäin tehokkaiden jousien ja mekaanisten energiaakkujen luomiseen.
• Muotomuistin vaikutusta hyödynnetään myös korujen valmistuksessa, esimerkiksi kukkamuotoisissa koruissa, lämmitettäessä vartalon kosketuksella kukan terälehdet avautuvat paljastaen sisällä piilevän jalokiven.
• Muotomuistiefektiä käyttävät myös illusionistit esimerkiksi temppussa kaarevalla kynsillä, joka oikaisee itsensä taikurin tai jonkun katsojan käsissä.

Katso myös

• Kuumakutistemateriaalit
• perinnöllinen mekaniikka
• perinnöllinen
• Geisler metalliseos

Muistiinpanot

1. ↑ Boyko, 1991 , s. 160.

Kirjallisuus

• Likhachev V. A., Kuzmin S. L., Kamentseva Z. P. Muotomuistiefekti. - L . : Leningradin valtionyliopiston kustantamo, 1987.
• Tikhonov A. S., Gerasimov A. P., Prokhorova I. I. Muotomuistiefektin soveltaminen nykyaikaisessa koneenrakennuksessa. - M . : Mashinostroenie, 1981. - 81 s.
• Likhachev V. A., Malinin V. G. Rakenne-analyyttinen voiman teoria. -. - Pietari:: Nauka, 1993. - 441 s. — ISBN 5-02-024754-6 .
• V. N. Khachin. Muotomuisti. - M . : Knowledge, 1984. - 64 s. — ("Tieto", "Fysiikka".).
• Ootsuka K., Shimizu K., Suzuki Y. Muotomuistilejeeringit: Per. japanista /Toim. H. Funakubo. M.: Metallurgy, 1990. - 224 s.
• S. V. Shishkin, N. A. Makhutov. Kantavien rakenteiden laskenta ja suunnittelu seoksille muotomuistiefektillä. - Izhevsk: Tieteellinen ja julkaisukeskus "säännöllinen ja kaoottinen dynamiikka", 2007. - 412 s. - ISBN 978-5-93972-596-5 .
• Malygin G. A. Epäselvät martensiittiset siirtymät ja kiteiden plastisuus muotomuistiefektillä // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2001, v. 171, no. 187-212.
• Vasiliev A. N. , Buchelnikov V. D. , Takagi T. , Khovailo V. V. , Estrin E. I. Shape-memory ferromagneetit // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, v. 173, nro 6, s. 577-608.
• Kagan M. Yu. , Klaptsov A. V. , Brodsky I. V. , Kugel K. I. , Sboychakov A. O. , Rakhmanov A. L. Pienimuotoinen faasierotus ja elektronien kuljetus manganiiteissa // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, 3, s. 187 877-883.
• Buchelnikov V. D. , Vasiliev A. N. , Koledov V. V. , Taskaev S. V. , Khovailo V. V. , Shavrov V. G. Magneettisen muodon muistilejeeringit: vaihesiirtymät ja toiminnalliset ominaisuudet // Uspekhi fizicheskikh Nauk , 2006, no. 17, 176 900-906.
• Voronov V. K. , Podoplelov A. V. Fysiikka vuosituhannen vaihteessa: tiivistetty tila, 2. painos, M.: LKI, 2012, 336 sivua, ISBN 978-5-382-01365-7
• Boiko V. S., Garber R. I., Kosevich A. M. Kiteiden palautuva plastisuus. - M .: Nauka, 1991. - 280 s.
• Zaimovsky V. A., Kolupaeva T. L. Tavallisten materiaalien epätavalliset ominaisuudet. - M .: Nauka, 1984.

Linkit

• Tietoja metallista muistiefektistä uutisreelissä "Haluan tietää kaiken" YouTubessa
• Julkaisut, väitöskirjat, patentit aiheesta EMF