> Мн заготовка получает определенную форму, при охлаждении до температуры Т < Ак образец становится плоским, а при последующем нагреве вновь обретает форму, приданную ему при Тф> Мн.
При дальнейшем цитировании эффект повторяется вновь. Исследования показали, что эффект памяти формы в сплавах может наблюдаться многократно. Например, нитинол может обеспечить несколько миллионов циклов без каких-либо заметных необратимых изменений в структуре и свойствах материала.
Можно представить себе некий генератор или «двигатель», действующий в указанном температурном режиме и использующий энергию, высвобождающуюся при восстановлении формы образца. Важно только для получения механической работы в процессе нагрева обеспечить необходимый подвод тепловой энергии.
С появлением сплавов с эффектом памяти формы конструкторы получили возможность использовать в своих разработках следующие уникальные свойства этих материалов:
— эффект изменения формы;
— усилия, восстанавливающие форму;
— эффект изменения формы с восстанавливающими эту форму усилиями.
Наиболее перспективными областями техники, где материалы с памятью формы находят широкое применение, являются космическая, авиационная, радиоэлектронная и электротехническая промышленность, медицинское оборудование, приборостроение и т. д. Чтобы отчетливее представить себе значение материалов с ЭПФ, рассмотрим некоторые конкретные примеры их практического использования.
Первоначально сплавы с ЭПФ использовались в качестве однонаправленных элементов памяти при создании соединительных муфт трубопроводов. Для муфты использовался сплав Ti — Ni — Fe, температура окончания мартенситного превращения которого значительно ниже комнатной (см. табл. 6). Внутренний диаметр муфты изготавливался приблизительно на 4 % меньше, чем наружный диаметр соединяемых труб. Перед соединением муфта погружалась в жидкий воздух и выдерживалась при низкой температуре (Тф = — 150 °C). В таком состоянии в муфту вводили специальный дорн с определенной конусностью, с помощью которого расширялся внутренний диаметр муфты на 7–8 %. В расширенную таким образом муфту, температура которой поддерживалась низкой, вводятся с двух сторон соединяемые трубы (рис. 21-1). Затем удаляется устройство для поддержания низкой температуры, после чего температура муфты повышается до комнатной. Внутренний диаметр муфты восстанавливается до того диаметра, который муфта имела перед расширением (рис. 21-2). Происходило прочное соединение труб. Свыше 100 тысяч таких муфт используется для соединения трубопроводов гидросистем реактивного истребителя F-14 (США); каких-либо аварий, связанных с утечкой масла, не отмечено.
Преимуществом муфт, изготовленных из сплава с памятью формы, помимо их высокой надежности, является отсутствие высокотемпературного нагрева, который неизбежен при соединении с помощью сварки. Поэтому свойства материалов вблизи соединения не ухудшаются. Муфты с ЭПФ позволяют соединять трубы из материалов, трудно поддающихся сварке, например алюминиевые сплавы. Кроме того, при необходимости легко осуществляется разборка соединения при низкой температуре. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атомных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти со дна моря, причем для этих целей используются муфты достаточно большого диаметра.
Аналогичным образом идет применение муфт с ЭПФ в радиоэлектронной и особенно электротехнической промышленности, где такие соединения служат для замены пайки — основной технологической операции при монтаже электрических схем.
Для неподвижного соединения деталей обычно применяют заклепки и болты. Однако, если невозможно осуществлять какие-либо действия на противоположной стороне скрепляемых деталей (например, в герметически пустотелой конструкции), выполнение операций крепления вызывает трудности. Штифты из сплава с ЭПФ позволяют в этих случаях осуществить крепление, используя пространственное восстановление формы. Штифты изготовляются из сплава с ЭПФ, у которого температура мартенситного превращения ниже комнатной, причем в исходном состоянии штифт имеет раскрытый торец (рис. 22,а). Перед осуществлением операции крепления штифт погружается в сухой лед или жидкий воздух и охлаждается, после чего выпрямляются его торцы, как это показано на рис. 22,б. Затем стопор вводится в неподвижное отверстие для крепления (рис. 22,в). При повышении температуры до комнатной происходит восстановление исходной формы штифта, его торцы расходятся, и операция крепления завершается (рис. 22,г).
Материалы, обладающие эффектом памяти формы, стали использовать для выполнения функций, до сих пор вообще несвойственных конструкционным материалам. Примером тому может служить использование никелида титана в конструкции летательного аппарата в качестве привода одноразового действия.
На рис. 23. схематично изображена конструкция привода для расстыковки в полете блоков летательного аппарата. Приводом является сильфон 1, имеющий в полете до расстыковки форму, показанную на рис. 23 а. Технология изготовления сильфона-привода следующая. Из листовой заготовки никелида титана изготавливают цилиндр, который подвергается термической обработке на память в вакууме или в среде инертных газов. После охлаждения и пластической деформации заготовке придается форма, показанная на рис. 23, а, позволяющая установить привод в шину блока. Затем устанавливается спираль для обогрева привода, и в таком виде привод готов к установке на борт. В полете, после прохождения команды на расстыковку блоков, включается система электрического обогрева с помощью спирали 2. В результате прогрева привода выше практической (Т > Мк) происходит восстановление формы сильфона и расстановка блоков (рис. 23). В процессе обратного мартенситного превращения при нагреве никелида титана генерируются значительные напряжения, позволяющие осуществить расстановку и при этом изменить скорость движения блоков (патент США № 31744861).
В зарубежных публикациях появились сообщения о двигателе, работающем на принципе попеременного нагрева-охлаждения спиц, меняющих свою форму.
Основной его частью является колесо со спицами из никелцца титана, прямыми в нагретом состоянии и изогнутыми в холодном. В горячей воде спица, выпрямляясь, толкает колесо, которое начинает вращаться; за счет этого спица оказывается в холодной воде и изгибается. На ее месте оказывается другая спица, и цикл повторяется. Для работы такого двигателя достаточно перепада температуры в 23 °C.
При вращении колеса движение передается генератору, вырабатывающему электроэнергию, достаточную для свечения лампы накаливания небольшой мощности. С помощью такого двигателя можно рациональнее использовать солнечную энергию.
Характерной особенностью материалов с памятью является то, что на их действие влияет не среда или атмосфера, а только температура. Поэтому изделия из материала с ЭПФ могут одновременно выполнять функции датчиков пороговой температуры и функции исполнительных элементов одновременно. Широкое распространение этих материалов в качестве исполнительных механизмов обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что исполнительный элемент состоит из одного сплава.
Свойства сплавов с ЭПФ открывают возможности использования их в таких отраслях, в которых трудно было предположить применение новых материалов, в частности, в медицине.
При применении таких сплавов в медицине необходимо, чтобы они обеспечивали не только выполнение механических функций, но и химическую надежность (сопротивление ухудшению свойств в биологической среде, сопротивление разложению, растворению, коррозии), а также биологическую надежность (биосовместимость, отсутствие токсичности, концерогенности, сопротивления образованию тромбов и антигенов). Наибольшей биологической стабильностью обладают сплавы титан — никель (нитинол).
Эффективность использования нитинола в медицине можно показать на примере стержня Харинтона, применяемого при искривлении позвоночника. Различные искривления позвоночника (врожденные, обусловленные вредной привычкой, нервозностью, рахитом или болезненным состоянием) приводят к сильной деформации позвоночника при ходьбе. Это не только вызывает боль, но и оказывает вредное влияние на внутренние органы, поэтому в этих случаях необходима ортопедическая хирургическая операция. В настоящее время при такой операции применяют стержень Харинтона, изготовленный из нержавеющей стали. При установке корректирующего стержня необходимо, чтобы сила, воздействующая на позвоночник, не превышала определенной, строго заданной величины. Однако в некоторых случаях возникает сила, превышающая допустимую, что приводит к повреждению фиксирующих приспособлений, появляется опасность повреждения не только позвоночника, но и нервных волокон. Кроме того, хотя корректирующий стержень и устанавливается таким образом, чтобы корректирующая сила была строго заданной, но спустя 30 мин после установки, она уменьшается на 20 %, а через 10–15 дней — на 30 % от первоначального значения. При этом возникает сильная физическая боль. Для восстановления необходимой корректирующей силы необходима повторная операция.
Если для стержня Харинтона применить сплав с ЭПФ, то установить стержень можно за один раз. Если после операции стержень Харинтона из сплава с ЭПФ нагреть до температуры на 5 °C превышающей температуру тела, то можно создать необходимую корректирующую силу. Необходимость в повторной операции отпадает.