Память формы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Память формы - свойство нек-рых твёрдых тел восстанавливать исходную форму после пластич. деформации при нагреве или в процессе разгружения. Восстановление формы, как правило, связано с мартенситным превращением или с обратимым двойникованием .В зависимости от величины деформации и вида материала восстановление формы может быть полным или частичным. Полное восстановление формы может происходить в сплавах с термоупругим мартенситом, таких, как Сu - А1 - (Fe, Ni, Co, Mn), Ni - Al,Au - Cd, Ag - Cd, Ti - Ni, In - Tl, Сu - Zn - Al, Сu - Zn - Sn), и в ряде др. двойных, тройных и многокомпонентных систем. П. ф. в этих сплавах имеет место и в тех случаях, когда восстановлению формы противодействует внеш. нагрузка. Макс. величина обратимой пластич. деформации зависит от кристаллич. структуры исходной и мартенситной фаз и ограничена величиной деформации решётки при фазовом переходе или сдвигом при двойниковании. Так, при мартенситном превращении в сплавах Ti - Ni она составляет ~9%. Когда возможности деформации по мартенситному механизму или за счёт обратимого передвойникования исчерпаны, дальнейшее формоизменение необратимо, т. к. оно происходит путём скольжения полных дислокаций.
Накопление обратимой пластич. деформации в разл. температурных интервалах для одного и того же сплава может осуществляться по разным механизмам. Под воздействием внеш. напряжений в интервале температур (М_н - М_к) прямого мартенситного превращения (где индекс "Н" означает начало мартенситного превращения, а "К" - конец) деформация осуществляется за счёт макроскопич. сдвига, связанного с образованием из исходной фазы преим. ориентированных кристаллов мартенсита. Из всех возможных вариантов взаимной кристаллография, ориентировки исходной и мартенситной фаз образуются лишь те, для к-рых работа внеш. сил имеет наиб. значение. Когда деформации подвергается образец в мартенситном состоянии (в интервале температур ниже М_к), под действием приложенных напряжений происходит передвойникование мартенситных кристаллов или их переориентация, что приводит к макроскопич. формоизменению. При нагреве в интервале температур обратного превращения восстанавливается структура и ориентировка кристаллов исходной фазы, что сопровождается восстановлением макроскопич. формы и размеров. Для данной системы интервал температур обратного мартенситного превращения, а следовательно, и интервал температур восстановления формы, зависит от состава сплава и может в широких пределах изменяться при изменении содержания осн. и легирующих элементов. На рис. 1 приведён график изменения линейных размеров образца из сплава Сu - Al - Ni под действием небольшой пост. нагрузки при охлаждении и нагреве. Мартенситное превращение в интервале температур М_н - М_к сопровождается постепенным удлинением образца до полного перехода исходной фазы в мартенситную. Обратное превращение, происходящее с небольшим температурным гистерезисом в интервале температур А_н - А_к, сопровождается полным восстановлением исходной формы образца.
Деформация при температуре, превышающей А_к, также может приводить к образованию кристаллов мартенсита. Последующее уменьшение и снятие напряжений вызывает (с нек-рым гистерезисом по напряжению) уменьшение и исчезновение этих кристаллов, восстанавливается стабильная при этих темп-pax в отсутствие напряжении высокотемпературная фаза, а следовательно, и исходная форма образца. П. ф., к-рая наблюдается при пост. температуре, получила назв. сверхупругости, аномальной упругости, сверхэластичности. На рис. 2 приведена типичная кривая

при нагружении и разгружении монокристалла сплава Сu - Al - Ni при температуре выше А_к. Нач. линейный участок кривой соответствует упругой деформации.

Рис. 1. Изменение длины образца из сплава Сu - Аl - Ni при охлаждении и нагреве под действием постоянной нагрузки

= 20 МПа.

Рис. 2. Диаграмма растяже-ния монокристалла из сплава Сu - Al - Ni при комнатной температуре. Ориентировка оси растяжения

= 100^оС.

Дальнейшее формоизменение обусловлено фазовым переходом. С повышением томп-ры деформации напряжение, при к-ром начинается мартенситное превращение, линейно возрастает в соответствии с ур-нием типа Клапейрона - Клаузиуса:

где

- теплота фазового превращения,

- деформация, связанная с полным превращением в мартенсит. Под действием внеш. напряжений кроме мартенспт-ной фазы, идентичной образующейся при охлаждении, как выше, так и ниже А_к могут возникать фазы, нестабильные в отсутствие внеш. сил. Так, в монокристаллах сплава Сu - А1 - Ni наблюдалась сверхупругость, обусловленная образованием ряда метастабильных фаз. За счёт образования и последующего исчезновения этих фаз в процессе нагружепия и разгружения, при соответствующей ориентировке монокристалла, обратимая деформация при пост. температуре достигает 25%.
Нек-рые способы термич. и механич. обработки позволяют инициировать т. н. обратимую П. ф. Так, деформация высокотемпературной фазы и многократный обратимый фазовый переход при охлаждении и нагреве под нагрузкой, а также нек-рые др. варианты комбинирования деформации и термич. обработки приводят к последующему самопроизвольному (без внеш. нагрузки) изменению формы при охлаждении и её восстановлению при нагреве. Этот эффект обусловлен тем, что в исходной фазе образуются определённым образом закономерно ориентированные дефекты, к-рые являются эффективными центрами зарождения мартенситных кристаллов с преимуществ. ориентировкой. Величина деформации в этом случае существенно меньше и не превышает неск. %.
В сплавах с большим температурным гистерезисом мартенснтного превращения наблюдается лишь частичное восстановление формы. К таким сплавам можно отнести Nb - Ni, Fe - Mn, нержавеющую сталь и др. В них уже небольшие противодействующие напряжения исключают восстановление формы. Это связано с тем, что, во-первых, мартенситные фазы в этих сплавах обладают высокой симметрией, что допускает протекание обратного превращения по путям, отличным от прямого превращения. Во-вторых, образование мартенсита даже в отсутствие напряжения в этих сплавах сопровождается необратимым процессом возникновения и перемещения полных дислокаций.
Сплавы с П. ф. получают всё более широкое распространение в технике для изготовления термочувствит. силовых элементов, трубчатых и др. разъёмных и неразъёмных соединений, исключающих необходимость применения сварки и пайки, а также в медицине в качестве разл. фиксаторов при переломах и для др. целей.

Литература по памяти формы

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.