книги / Нанотехнологии и специальные материалы

Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень ре­ активных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может со­ ставлять до 1000—1300 МПа.

Металлы, обладающие ЭПФ, относятся к числу наиболее яр­ ких представителей материалов со специальными свойствами. Повышенный интерес к этому металлургическому феномену конца XX века обусловлен уникальным сочетанием высоких обычных механических характеристик, сопротивления усталости, коррози­ онной стойкости и необычных свойств, таких как термомеханиче­ ская память и реактивное напряжение, основанных на термоуп­ ругом мартенситном превращении. Особенностью сплавов с ЭПФ является ярко выраженная зависимость большинства свойств от структуры. Значения физико-механических характеристик ме­ няются в несколько раз при обратимом фазовом переходе аусте­ нит мартенсит для разных сплавов в интервале температур обычно от —150 до +150 °С.

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti—Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Си—Al—Ni и Си—Al—Zn.

Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартен­ ситного превращения. После нагрева, сопровождающегося проте­ канием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается. ЭПФ проявляется в сплавах, характеризую­ щихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью решеток исходной аустенитной и мартенситной фаз, сравнительно небольшой величиной гистерезиса превращения (см. рис. 5.1), а также малыми изменениями объема при превращениях. В никелиде титана объемные изменения составляют около 0,34 %, что на порядок меньше, чем в сталях (около 4 %).

В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы ис­ чезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превра­ щении приводит к восстановлению первоначальной формы.

Для полного восстановления формы необходимо, чтобы мар­ тенситное превращение являлось кристаллографически обратимым. Кристаллографическая обратимость превращения предполагает не только восстановление кристаллической структуры, зависящей от

ТАБЛИЦА 5.1

Характеристические температуры сплавов Ti—Ni

Ал — температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механиче­ ских напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (рис. 5.1, б) температура Мл может оказаться правее температуры конца ау­ стенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе —левее этой температуры (рис. 5.1, а).

Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный меха­ номартенсит, т. е. мартенсит, образованный под действием внеш­ ней нагрузки при температуре ниже М л (но выше Лк), будет тер­ модинамически неустойчивым, и при разгрузке он должен исчез­ нуть. На рис. 5.1 превращение аустенит мартенсит условно обозначено вертикальными стрелками. В таких материалах на­ блюдается эффект так называемой сверхупругости, очевидно, связанный с этими явлениями.

В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохраняется при разгруз­ ке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т. е. после завершения реакции мартенсит —►аустенит.

Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Ti—Ni с ЭПФ разного состава, полученные из разных источников, приведены в табл. 5.1.

Из табл. 5.1 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Ti—Ni от стехиометрического приводят к значительному изменению характеристических температур как по величине, так

и по знаку.

Таким образом, варьируя соотношение титана и никеля, мож­ но существенно менять температуры фазовых переходов и влиять на ширину гистерезиса фазовой диаграммы. В разных сплавах с ЭПФ интервал температур фазовых переходов может находиться в пределах от 4,2 до 1300 К.

Температуры мартенситных превращений зависят от состава сплава. Легирование иикелнда титана железом, марганцем, хро­ мом, ванадием, кобальтом приводит к снижению М„ и М к вплоть до минус 196 °С, а введение Zr, Та, Nb — к их повышению (до +100 °С). Медь и кремний в довольно широком интервале соста­ вов слабо сказываются на температурах превращений.

5.2.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И СВОЙСТВА СПЛАВОВ

СЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Никелид титана в жидком состоянии легко поглощает газы и взаимодействует со многими веществами. Поэтому его выплавка производится в вакууме или атмосфере чистого инертного газа. К слиткам предъявляются высокие требования по однородности химического состава и чистоте от примесей. Хорошее качество металла достигается применением комбинированного способа плав­ ки, при котором вначале плавка производится в вакуумной гарнисажной печи, после чего полученный электрод вторично переплав­ ляют в электродуговой вакуумной печи в слитки массой до 1 т.

Никелид титана подвергают обработке давлением в интервале температур 700—900 °С. Нагрев до более высоких температур опасен из-за сильного окисления и образования хрупкого газона­ сыщенного поверхностного слоя.

Особенно важную роль играет технологическая операция тер­ мофиксации. Сложность этой операции обусловлена проявлением эффекта памяти после придания заготовке из никелида титана тре­ буемой формы. Заготовку деформируют при комнатной температу­ ре. Для сохранения формы и размеров производят жесткое фикси­ рование по всем степеням свободы (заневолпвание) с последующим нагревом в вакууме до температуры 650—700 °С, т. е. до аустенит­ ного состояния. В результате такой операции достигается стабиль­ ное состояние структуры и формы, которые объект ’’запоминает”

Для повышения трпботехиических характеристик проводится химико-термическая обработка, состоящая из оксидирования и азотирования трущихся поверхностей. Сплавы никелида титана свариваются такими же способами, как и другие титановые спла вы: аргоно-дуговым, электронно-лучевым и др.

Сплавы на основе никелида титана плохо поддаются механи­ ческой обработке, особенно сплавы типа TH-1, в которых интервал прямого мартенситного превращения (М„—Мк) находится вблизи комнатной температуры. В процессе резания происходят структур ные превращения в поверхностном слое, приводящие к появлению эффекта памяги и резкому изменению механических свойств. Для механической обработки следует применять твердосплавные резцы с оптимальной геометрией и специальные охлаждающие среды.

ТАБЛИЦА 5.2

Химический состав сплавов никелида титана, % (мае.)

Промышленностью освоен выпуск сплавов на основе никелида титана. Химический состав двух сплавов, наиболее широко ис­ пользуемых на отечественных предприятиях, приведен в табл. 5.2.

Из сплавов никелида титана производят листы толщиной до 10 мм, проволоку, прессованные прутки диаметром до 110 мм и трубы с наружным диаметром до 50 мм.

Основные свойства сплавов никелида титана приведены ниже:

* Данные относятся к мартенситному состоянию сплава.

Две характеристики предела текучести обусловлены возмож­ ностью разного структурного состояния сплава ТН-1 при комнат ной температуре. При стабильно аустенитной структуре поведе­ ние никелида титана при нагружении типично для большинства металлов. Если же под напряжением происходит мартенситное превращение и структура становится мартенситно-аустенитной или мартенситной, то кроме условного предела текучести ао,2 - = 400—600 МПа наблюдается еще один предел текучести при зна­ чительно меньшей величине напряжения, называемый фазовым пределом текучести оо,2 . Величина оо,2 зависит от положения температуры деформирования Тл относительно характеристиче­ ских температур мартенситных превращений. Установлено, что

Рис. 5.2. Диаграммы растяжения для сплавов на основе никелида титана с различным струк­ турным состоянием при испытании:

/ — стабильный аустенит; 2 — аустенит + мар­ тенсит; 3 —мартенсит

минимальные значения a t,2 наблюда­ ются при Тд, близкой К М,[. При чисто мартенситной структуре ao,2 = 150— 200 МПа, при двухфазной — ао,2 = = 200—400 МПа. Поэтому для никелида титана характерны три вида диа­ грамм растяжения (рис. 5.2).

Никелид титана в зависимости от состава и условий дефор­ мирования может иметь как однократно, так и многократно обра­ тимый ЭПФ. Многократно обратимый эффект памяти проявляет­ ся при термоциклироваинн через интервалы прямого и обратного мартенситных переходов. Этот эффект проявляется как в нагру­ женном, так и в ненагруженном состоянии материала и сохраня­ ется практически независимо от числа теплосмен.

Материалы, обладающие свойством памяти формы и сверх­ упругости, при воспрепятствовании восстановлению исходной формы при нагреве генерируют механические усилия, называе­ мые реактивными. Реактивные усилия могут достигать значи­ тельных величин. Сплав ТН-1 в конструкции гайковерта главного разъема корпуса ядерного реактора развивает реактивные усилия в силовом элементе в процессе формовосстановления до б МН.

Эффект генерации реактивных сил может быть использован для создания силовых и энергетических установок.

Помимо никелида титана ЭПФ обнаружен во многих спла­ вах. Однако, как показали исследования, практическое примене­ ние кроме никелида титана имеют только сплавы на основе меди, такие как тройные сплавы Си—Al—Ni и Си—Zn—Al. Эти сплавы привлекли внимание в связи с резким расширением сферы при­ менения сплавов с ЭПФ и необходимостью обеспечения эконо­ мичности их производства. Стоимость сплавов на основе меди, по данным японских фирм, составляет не более 10 % от стоимости никелида титана.

Основным недостатком сплавов на основе меди является их высокая хрупкость. Сплав Ti—Ni может быть деформирован до разрушения приблизительно на 50 %. Разрушение происходит с образованием шейки и ямочным рельефом, т. е. наблюдается ти­ пично вязкое разрушение. Поликристаллическне образцы из сплавов на основе меди чрезвычайно хрупки, после деформации на 2—3 % происходит интеркристаллитное разрушение. Высокая

хрупкость чрезвычайно затрудняет обработку давлением сплавов с ЭПФ на основе меди при комнатной температуре. Кроме того, сплавы на основе меди могут менять температуру превращения и свойства в результате старения при температурах ниже эксплуа­ тационных. Это ограничивает возможность их применения при высоких температурах. Сплавы на основе меди характеризуются более низким сопротивлением усталости.

Эти обстоятельства, а также высокая коррозионная стойкость и стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением делают, несмотря на более высокую стоимость на уровне совре­ менной технологии, сплавы на основе никелида титана практиче­ ски незаменимыми для изделий ответственного назначения.

5.3. ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Сплавы с ЭПФ часто относят к так называемым интеллекту­ альным материалам, позволяющим создавать принципиально но­ вые конструкции и технологии в различных отраслях машино­ строения, авиакосмической и ракетной техники, приборострое­ ния, энергетики, медицины и др. Рассмотрим некоторые объекты применения сплавов с ЭПФ.

Освоение ближнего и дальнего космоса связано с созданием орбитальных станций и крупным космическим строительством. Необходимо сооружение таких громоздких объектов, как солнеч­ ные батареи и космические антенны.

На рис. 5.3 приведена схема космического аппарата с антен­ нами саморазворачивающейся конструкции. Антенны состоят из листа и стержня из сплава Ti—Ni, которые свернуты в виде спи­ рали и помещены в углубление в искусственном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревает­ ся с помощью специального нагревателя пли тепла солнечного излучения, в результате чего она выходит в космическое про­ странство.

Для размещения различных технических объектов, жилых и производственных модулей необходимо строительство в условиях открытого космического пространства больших платформ. Дос­ тавка в открытый космос громоздких агрегатов технически воз­ можна только по частям с последующими монтажными работами.

Используемые в массовом производстве способы соединения деталей, такие как сварка, пайка, склеивание, клепка и другие, непригодны в космических условиях. Особые требования предъ­ являются к обеспечению исключительно высокой техники безо­ пасности.

а б

Рис. 5.7. Принцип действия стопора с эффектом памяти формы

каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено. Преимуществом муфт, изготовленных из сплавов с памятью фор­ мы, помимо их высокой надежности является отсутствие высоко­ температурного нагрева (в отличие от сварки).

Поэтому свойства материалов вблизи соединения не ухудша­ ются. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атом­ ных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубо­ проводов для перекачки нефти со дна моря, причем для этих целей используются муфты большого диаметра —порядка 150 мм. В не­ которых случаях для изготовления муфт применяется также сплав Си—Zn—Al.

Для неподвижного соединения деталей обычно применяются заклепки и болты. Однако, если невозможно выполнять какиелибо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметичной пустотелой конструкции), то операции крепления вызывают трудности. Стопоры из сплава с эффектом памяти формы позволяют в этих случаях осуществить крепление с использованием пространственного восстановления формы. В ис­ ходном состоянии стопор имеет раскрытый торец (рис. 5.7, а). Перед операцией крепления стопор погружается в сухой лед или жидкий азот и в достаточной степени охлаждается, после чего вы­ прямляются торцы (рис. 5.7, б). Стопор вводится в неподвижное отверстие для крепления (рис. 5.7, в), при повышении темпера­ туры до комнатной происходит восстановление формы, торцы штифта расходятся (рис. 5.7, г), и операция крепления заверша­ ется.

На рис. 5.8 показан электрический соединитель, который яв­ ляется разновидностью муфты. Однако, в отличие от описанной выше муфты для соединения труб, в соединителях используются сплавы с памятью формы двунаправленного действия. Втулка, которая является гнездом соединения, изготавливается из бериллиевой бронзы, имеющей хорошую упругость. В ней в свободном состоянии прорезается торцовая щель (рис. 5.9). На втулку наде­ вается кольцо из сплава Ti—Ni, у которого Ак = —20 °С. При комнатной температуре торцовая часть сжимается, при низкой — торцовая часть и кольцо расширяются. Таким образом, втулка действует как пружина смещения.