5.4 Матеріали з ефектом пам’яті форми

5.4.1 Механізм ефекту пам’яті форми

Довгий час непружну деформацію вважали повністю незворотною. На початку 1960-х років був відкритий великий клас металевих матеріалів, в яких елементарний акт непружної деформації здійснюється за рахунок структурного перетворення. Такі матеріали володіють зворотністю непружної деформації. Явище самодовільного відновлення форми – ефект пам’ятті форми (ЕПФ) може спостерігатись як в ізотермічних умовах, так і при температурних змінах. При теплозмінах такі металеві матеріали можуть багаторазово зворотно деформуватися.

Здатність до відновлення форми не може бути стримана навіть при значному силовому впливі. Рівень реактивних напружень деяких матеріалів з ЕПФ може складати до 1000…1300 МПа.

Метали з ЕПФ володіють унікальним поєднанням високих звичайних механічних властивостей, опору втомі, корозійною стійкістю та незвичних властивостей, таких як термомеханічна пам’ять і реактивне напруження, які засновані на термопружному мартенситному перетворенні. Особливістю сплавів з ЕПФ є яскраво виражена залежність більшості властивостей від структури. Значення фізико-механічних характеристик змінюються в декілька разів при зворотному фазовому переході аустеніт ↔ мартенсит для різних сплавів в інтервалі температур зазвичай від – 150 °С до + 150 °С.

Серед великої кількості сплавів з ЕПФ найбільш перспективними для практичного застосування є сплави Ті – Ni еквіатомного складу (приблизно 50:50 %), що мають назву нікелід титану або нітінол. Також використовують більш дешеві сплави на основі міді Cu – Al – Ni та Cu – Al – Zn.

Ефект пам’яті форми полягає в тому, що зразок, який має певну форму в аустенітному стані при підвищеній температурі, деформують при більш низькій температурі мартенситного перетворення. Після нагрівання, яке супроводжується протіканням зворотного перетворення, вихідна характерна форма відновлюється. ЕПФ проявляється в сплавах, які характеризуються термопружним мартенситним перетворенням, когерентністю ґраток вихідної аустенітної і мартенситної фаз, порівняно невеликим значенням гістерезису перетворення (рис. 5.19), а також малими змінами об’єму при перетвореннях. В нікеліді титану об’ємні зміни складають близько 0,34 %, що на порядок менше, ніж в сталях (близько 4 %).

В цих умовах при деформуванні утворюються когерентні з вихідною структурою двійникові мартенситні кристали, а при нагріванні і зворотному перетворенні, ці мартенситні кристали зникають і поступово перетворюються в ґратку вихідної фази. Зворотний рух когерентних міжфазних меж при зворотному перетворенні призводить до відновлення початкової форми.

Для повного відновлення форми необхідно, щоб мартенситне перетворення було кристалографічно зворотнім. Кристалографічна зворотність перетворення передбачає не тільки відновлення кристалічної структури, яка залежить від зворотного перетворення, але і відновлення кристалографічного орієнтування вихідної фази перед перетворенням. Крім того, необхідно, щоб деформування здійснювалось без участі ковзання, оскільки ковзання є незворотним процесом і при нагріванні деформація не усувається.

а – широкий гістерезис; б – вузький гістерезис

Рисунок 5.19 – Залежність фазового складу сплаву від температури [6]

Враховуючи, що ЕПФ визначається термопружним мартенситним перетворенням, з наукової та практичної точки зору дуже важливим є визначення температурних інтервалів мартенситного перетворення при нагріванні – охолодженні без навантаження та при охолодженні – нагріванні під механічним напруженням з максимальним наближенням умов випробування до умов експлуатації.

Схема впливу температури на фазовий склад сплавів зі зворотнім мартенситним перетворенням наведена на рис. 5.19.

При охолодженні матеріалу з аустенітного стану мартенсит починає утворюватись при деякій температурі М_п. При подальшому охолодженні кількість мартенситної фази збільшується і повне перетворення аустеніту в мартенсит завершується при температурі М_к. Нижче цієї температури термодинамічно стійкою залишається тільки мартенситна фаза.

При нагріванні перетворення мартенситу в аустеніт починається з деякої температури А_п і повністю завершується при температурі А_к. При повному термоциклюванні утворюється гістерезисна петля. Завширшки гістерезисна петля за температурною шкалою А_к - М_п або А_п - М_к може бути неоднаковою для різних матеріалів: широкою або вузькою (див. рис. 5.19, а та б).

Крім вказаних вище температур зазвичай розглядають ще три характеристичні температури: Т₀, М_д, А_д, де Т₀ – температура термодинамічної рівноваги; М_д – температура, нижче якої мартенсит може з’явитись не тільки внаслідок зниження температури, але і під дією механічного напруження; А_д – температура, вище якої аустеніт може з’явитись не тільки під дією температури, але і під дією механічного напруження. Розташування цих температур відносно петлі гістерезису впливає на поведінку матеріалу при термосиловому впливі. У випадку вузького гістерезису (див. рис.5.19, б) температура М_д може з’явитись праворуч від температури кінця аустенітного перетворення А_к, а при широкому гістерезисі – ліворуч від цієї температури (див. рис.5.19, а).

Тоді для матеріалу з вузьким гістерезисом механомартенсит, тобто мартенсит, який утворився під дією зовнішнього навантаження при температурі нижче М_д (але віще А_к), буде термодинамічно нестійким і при розвантаженні він повинен зникнути. На рис. 5.19 перетворення аустеніт ↔ мартенсит умовно позначено вертикальними стрілками. В таких матеріалах спостерігається ефект так званої надпружності, який, мабуть, пов’язаний з цими явищами.

У випадку широкого гістерезису механомартенсит буде термодинамічно стійким і зберігатися при розвантаженні. Деформації в цьому випадку зникнуть тільки після нагрівання, тобто після завершення реакції мартенсит → аустеніт.

Характеристичні температури перетворень ряду подвійних сплавів Ti – Ni з ЕПФ різного складу наведені в табл. 5.19.

З табл. 5.19 можна побачити, що навіть невеликі відхилення складу сплавів Ti – Ni від стехіометричного приводять до значної зміни характеристичних температур як за величиною, так і за знаком.

Таким чином, варіюванням співвідношення титану і нікелю, можна суттєво змінювати температури фазових переходів і впливати на ширину гістерезису фазової діаграми. В різних сплавах з ЕПФ інтервал температур фазових переходів може знаходиться в межах від 4,2 до 1300 К.

Таблиця 5.19 – Характеристичні температури сплавів Ti – Ni [6]

Склад, %		Температура, °С
Ti	Ni	Мп	Мк	Ап	Ак
52,8	47,2	90	60	100	135
50,0	50,0	50	20	55	75
49,5	50,5	25	5	35	60
49,25	50,75	0	-20	10	30
49,0	51,0	-55	-90	-50	-25

Температури мартенситних перетворень залежать від складу сплаву. Легування нікеліду титану залізом, марганцем, хромом, ванадієм, кобальтом приводить до зниження М_п і М_к аж до – 196 °С, а додавання Zr, Ta, Nb – до їх підвищення (до +100°С). Cu і Si в доволі широкому інтервалі складів мало впливають на температури перетворень [6].