Профессии сплавов с памятью
Среди всех известных материалов с памятью формы наиболее перспективен для техники нитинол. Именно его чаще всего используют в приборах и устройствах разного назначения. Этому способствует не только отличная его память, но и целый комплекс других полезных свойств: высокая коррозионная стойкость, значительная прочность, технологичность.
Сегодня уже четко обозначились области, где применение сплавов с памятью наиболее перспективно. Прежде всего это энергетика. С их помощью пытаются создать тепловые двигатели, использующие низкотемпературные источники тепла. В 1977 году в Киеве на международной конференции по мартенситным превращениям демонстрировался фильм о таких устройствах. Схема теплового двигателя предельно проста (напомним, что прототипом его было устройство, описанное в событии № 2). Рабочие элементы, выполненные из нитинола и насаженные по окружности колеса, попадая в холодную воду, принудительно деформируются,— например, плоские пластины изгибаются в полуокружности. Затем в горячей воде пластины выпрямляются и при этом совершают работу. Часть ее идет на деформацию рабочих элементов, находящихся в это время в холодной воде, а другая часть на привод колеса, которое, в свою очередь, вращает электрогенератор.
Пока существуют лишь модели таких двигателей. Но даже они показывают высокую эффективность превращения тепла в работу с помощью сплавов с памятью. При этом надо еще раз подчеркнуть, что для работы тепловых двигателей используется тепло, которое пока другими способами превратить в работу сложно и дорого, а часто и вообще невозможно. Такое тепло, как правило, сегодня «пропадает» (солнечная энергия, геотермальные источники и тепловые отходы электростанций и др.).
Естественно, что материалы с памятью формы эффективны и для обратного процесса: «перекачки» тепла, то есть в качестве рабочего тела для холодильников или тепловых насосов.
Другое применение сплавов с памятью — герметизация и соединение различных деталей. В частности, применяют втулки из нитинола для соединения трубопроводов. Из сплава делают втулку, внутренний диаметр которой чуть меньше наружного диаметра трубопровода, охлаждают ее и раздают по диаметру так, чтобы свободно надеть на концы трубопровода. Затем втулку нагревают, и она восстанавливает (вспоминает) свой первоначальный размер, плотно обжимает трубопровод и тем самым осуществляет герметичное соединение. О высокой надежности такого соединения свидетельствует, например, следующий факт. Более 100 тысяч втулок из нитинола было установлено на истребителях F-14 (США) — и ни единого случая разрушения соединений или поломки при эксплуатации.
С помощью нитинола герметизируют также корпуса радиотехнических приборов без применения сварки или пайки. Здесь плоскую крышку предварительно деформируют в полусферу и свободно устанавливают в корпусе прибора. При нагреве крышка возвращается к исходной плоской форме, при этом врезается в пазы корпуса, надежно изолируя прибор от внешней среды.
Сплавы с памятью находят применение и в качестве рабочих элементов различных термочувствительных, сигнальных и исполнительных устройств и механизмов.
Большой интерес для космической техники представляют саморазвертывающиеся устройства, например, антенны, сделанные из нитинола. Изделие, имеющее большие размеры, свертывают (деформируют) и в таком компактном виде транспортируют к месту назначения, где после нагрева оно восстанавливает свою форму.
Нитинол находит применение и в медицине. За рубежом, например, разрабатываются методы лечения сколиоза (деформации позвоночника) с помощью стержня из нитинола.
Оригинальные работы ведутся Сибирским физико-техническим институтом совместно с Читинским и Томским медицинскими институтами, Курганским научно-исследовательским институтом экспериментальной и клинической ортопедии и травматологии. Разработан ряд новых хирургических приспособлений для соединения и сращивания отломков костей, протезирования и пломбирования зубов. Исследуются также возможности применения нитинола для создания новых медицинских инструментов.
Этими примерами, конечно, не исчерпываются все области использования сплавов с памятью. Послужной список их профессий, несомненно, шире, - и он непрерывно растет.
Вызывать у сплава мартенситный переход и соответственно управлять обратимым изменением формы можно не только с помощью нагрева и охлаждения или нагрузки. Такую роль может играть электрическое или магнитное поле. Следовательно, в принципе возможно создание, например, сплавов с магнитоупругим мартенситным превращением. В таких материалах магнитное поле либо самостоятельно, либо в совокупности с температурой (или нагрузкой) должно стимулировать мартенситный переход и тем самым приводить к обратимому изменению формы, то есть к памяти формы.
Вообще-то сплавы, где магнитным полем можно вызвать мартенситный переход, известны. Однако мартенсит в них, как правило, не упругий, а следовательно, и без памяти. А в сплавах, где наблюдаются термоупругие переходы, они практически не чувствительны к изменению напряженности магнитного поля. Но несомненно, что материалы с магнитомеханической памятью должны существовать.
Остановимся еще на одном интересном направлении, которое связано с изучением сплавов с памятью.
Смена типа кристаллической решетки при мартенситном превращении, кроме обратимого изменения формы, должна, конечно, вызывать и изменения всех других свойств, которые определяются строением решетки. Очевидно, что наряду с необычным механическим поведением сплавы с памятью» должны отличаться и особым комплексом обратимо меняющихся физических свойств. Для управления ими достаточно незначительно изменить температуру или приложить небольшую внешнюю нагрузку. Ситуация уникальная. Теоретически все именно так. А практическая задача состоит в том, чтобы найти сплавы, где нужные свойства будут существенно меняться. Первые успехи в этом направлении уже есть. Так, экспериментально наблюдали, что при нагружении нитинола выше некоторой величины электрическое сопротивление его скачком увеличивается на десятки процентов.
Кандидат физико-математических наук В. Хачин.
9 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и модуля нормальной упругости (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.
ТКЛР сплава определяют с помощью дилатометра по относительному удлинению образца в заданном температурном диапазоне.
Согласно правилу Курнакова, в том случае, если компоненты образуют твердый раствор, то ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР этих чистых компонентов. Коэффициент линейного расширения возрастает с повышением температуры (рис. 24.1). Однако сплавы Fe—Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рис. 24.2). Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от –100 до 100 °С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт Гийомом в 1897 году и назван инваром (лат. неизменный) из-за минимальных значений теплового расширения.
Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.
Рис. 24.1. Кривая расширения сплавов при повышении температуры
Рис. 24.2.Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe—Ni
Рис. 24.3. Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe—Ni
Для сплавов Fe—Ni инварного состава помимо низких значений ТКЛР характерна еще одна аномалия — аномалия термического коэффициента модуля упругости ТКМУ. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же сплав Fe—Ni с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рис. 24.3). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.
В ферромагнитных сплавах Fe—Ni инварного типа велик уровень объемной магнитострикции — изменения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьшение магнитострикционной составляющей объема. Выше температуры точки Кюри магнитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.
ТКЛР ферромагнетиков определяется формулой: = 0 – , где 0 — нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; — составляющая ТКЛР, обусловленная магнитострикцией парапроцесса.
Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет вследствие уменьшения энергии связи атомов. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции в результате снижения намагниченности, как следствие усиления тепловых колебаний атомов. В итоге при нагреве до температуры точки Кюри объем инварных сплавов мало меняется. ТКЛР для некоторых сплавов может даже приобретать отрицательные значения, и их объем даже уменьшается.
Внешние растягивающие напряжения действуют на Fe—Ni-ферромагнетики инварного состава подобно магнитному полю и также способствуют проявлению объемной магнитострикции, обычно называемую в этом случае механострикцией. Высокий уровень механострикции в элинварных сплавах способствует аномальному изменению модуля упругости при нагреве. Влияние нагрева на модуль упругости элинварных сплавов может быть описано формулой Еt = Е0 (1 + t), где Е0 — модуль упругости обычных сплавов, — температурный коэффициент модуля нормальной упругости. В элинварных сплавах этот коэффициент всегда имеет положительное значение.
Снижение модуля упругости при нагреве обычных сплавов компенсируется составляющей за счет механострикции, что в итоге способствует стабилизации модуля упругости в широком температурном диапазоне.
Для обеспечения стабильности температурного коэффициента линейного расширения и модуля упругости для каждого конкретного случая необходимо применение сплавов строго определенного химического состава. Такие сплавы обычно называют прецизионными сплавами (от фр. precision), т. е. отличающимися высокой точностью химического состава.
10Технический прогресс связан с непрерывным ростом потребления электроэнергии. Ограниченность запасов органического топлива, преодоление энергетического кризиса и приемлемая стоимость производства электроэнергии обусловили необходимость использования атомной энергии и широкомасштабного строительства атомных электростанций (АЭС) во всех развитых странах мира. Ядерная энергетика — это энергетика будущего.
По принципу действия АЭС и тепловые электростанции (ТЭС) мало отличаются друг от друга. На АЭС и ТЭС вода доводится до кипения, и образующийся пар подается на лопасти высокоскоростной турбины, заставляя ее вращаться. Вал турбины соединен с валом генератора, который при вращении вырабатывает электрическую энергию. Различие АЭС и ТЭС состоит в способе нагрева воды до кипения. Если в ТЭС для нагрева воды сжигается уголь или мазут, то в АЭС для этой цели используют тепловую энергию управляемой цепной реакции деления урана.