Рис.2. Рост и исчезновение кристаллов мартенсита при охлаждении и нагреве

В случае наличия в материале ориентированных напряжений (например, действие внешней нагрузки) мартенситные пластины приобретают преимущественную ориентировку, и локальные сдвиговые деформации приводят к макроскопическому изменению формы образца (принцип Ле Шателье-Брауна). В процессе обратного превращения (М - А) перестройка решетки происходит по принципу «точно назад», при этом локальные сдвиговые деформации исчезают и, следовательно, устраняется макроскопическое изменение формы. Внешнее проявление такого поведения материала интерпретируется как ЭПФ.

-эффект памяти формы

Феноменологию ЭПФ можно проиллюстрировать следующим образом. Образец деформируют (например, растяжением) при температуре ниже М_д (рис.3, а). При достижении напряжения образец деформируется пластически (участок АВ), и эту деформацию называют фазовой (ε ^ф), так как она вызвана фазовыми превращениями «аустенит—мартенсит». После разгрузки (участок ВС) фазовая деформация (ε ^ф) сохраняется в образце. При нагреве образца в результате протекания обратного мартенситного превращения в интервале температур (А_н—А_к) фазовая деформация восстанавливается (участок СД). Это, собственно, и есть эффект памяти формы.

В случае, когда восстановленная деформация ε _вос < ε _ф, в образце сохраняется некоторая остаточная деформация ε _ост, накапливаемая в результате инициализации необратимых каналов пластичности, например, дислокационных.

Рис.3. Схема реализации ЭПФ (а) и зависимость степени восстановления формы от предварительной деформации (б)

Зависимость степени восстановления деформации η , определяемая как η = ( ε _вос/ε _ф), представлена на рис.3,б. Максимальная фазовая деформация , которая восстанавливается полностью(η=1) при реализации ЭПФ, зависит от материала, его термомеханической обработки и условий деформирования.

Наиболее эффективным способом деформирования является деформирование в режиме эффекта пластичности превращения, когда наиболее полно реализуются деформационные возможности фазовых превращений. Однако технологически такой способ трудно осуществим. Реально на практике используется схема активного деформирования при температуре, близкой к М_н, при которой деформирующие нагрузки минимальны.

Применение сплавов с эффектом памяти формы

Сплавы с ЭФП часто относят к так называемым интеллектуальным материалам, позволяющим создавать принципиально новые конструкции и технологии в разных отраслях машиностроения, авиакосмической и ракетной техники, приборостроения, энергетики, медицины и др.

Важно, что металл, обладающий способностью к возврату деформаций, можно запрограммировать на довольно сложные движения и тем самым на совершение исполнительных функций почти неограниченной степени сложности. Теперь даже появился термин "самосооружающиеся (трансформируемые) конструкции". Известными примерами служат самораскрывающиеся космические антенны, состоящие из листа и стержня из сплава Ti-Ni, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусственном спутнике, самовыдвигающиеся телескопические устройства, трансформируемые стержневые несущие конструкции (фермы) и т.п.

Если использовать способность металла к проявлению многократно обратимой памяти формы, то легко сделать трансформируемые конструкции, которые будут совершать саморазвертывание и самосборку, а отдельные исполнительные элементы, например пружины, будут многократно повторять движения самых разнообразных траекторий.

Важно подчеркнуть, что для приведения в действие устройств, изготовленных из материалов с эффектом памяти формы, вовсе не требуется значительных разогревов. Чаще всего цель достигается при воздействии горячей воды, солнечной радиации, климатических или суточных перепадов температур, тепла живого организма.

Совмещая силовые и деформационные свойства элементов из металла с эффектом памяти формы, удается проектировать исключительно простые и эффективные исполнительные устройства роботов, разнообразные приводы в конвейерных производствах, усилители перемещений и т.д. Еще одна область применения касается создания плотных и неразъемных соединений: можно скреплять трубы и стержни надетыми на них муфтами из сплавов с памятью формы; производить опрессовку деталей, используя память формы как свойство инструмента; собирать узлы, не поддающиеся этой операции с помощью традиционной технологии. Материалы с эффектом памяти формы широко применяют в медицине для вытяжения костей и лечения переломов, соединения костных фрагментов, при лечении сколиоза и кровеносных сосудов и т.д.