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 только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.