Prema uvriježenoj mudrosti, metali su najtrajniji i najotporniji materijali. Međutim, postoje legure koje mogu povratiti svoj oblik nakon deformacije bez primjene vanjskog opterećenja. Također ih karakteriziraju druga jedinstvena fizička i mehanička svojstva koja ih razlikuju od strukturnih materijala.
Suština fenomena
Efekt memorije oblika legure je da se prethodno deformirani metal spontano oporavlja kao rezultat zagrijavanja ili jednostavno nakon istovara. Ova neobična svojstva znanstvenici su primijetili još 1950-ih. 20. stoljeće Čak je i tada ovaj fenomen bio povezan s martenzitnim transformacijama u kristalnoj rešetki, tijekom kojih dolazi do uređenog kretanja atoma.
Martenzit u materijalima za pamćenje oblika je termoelastičan. Ova struktura se sastoji od kristala u obliku tankih ploča, koje su rastegnute u vanjskim slojevima, a stisnute u unutarnjim. "Nosioci" deformacije su međufazne, blizanačke i međukristalitne granice. Nakon zagrijavanja deformiranoglegure, pojavljuju se unutarnja naprezanja koja pokušavaju vratiti metal u prvobitni oblik.
Priroda spontanog oporavka ovisi o mehanizmu prethodnog izlaganja i temperaturnim uvjetima pod kojima se ono odvijalo. Najveći interes je višestruka cikličnost, koja može iznositi nekoliko milijuna deformacija.
Metali i legure s učinkom memorije oblika imaju još jedno jedinstveno svojstvo - nelinearnu ovisnost fizičkih i mehaničkih karakteristika materijala o temperaturi.
Varieties
Navedeni proces može imati nekoliko oblika:
- superplastičnost (superelastičnost), u kojoj kristalna struktura metala može izdržati deformacije koje značajno premašuju granicu tečenja u normalnom stanju;
- pojedinačna i reverzibilna memorija oblika (u potonjem slučaju, učinak se više puta reproducira tijekom termičkog ciklusa);
- prednja i reverzna transformacija duktilnosti (akumulacija naprezanja tijekom hlađenja i zagrijavanja, odnosno, prilikom prolaska kroz martenzitnu transformaciju);
- reverzibilna memorija: kada se zagrije, prvo se obnavlja jedna deformacija, a zatim, uz daljnje povećanje temperature, druga;
- orijentirana transformacija (akumulacija deformacija nakon uklanjanja opterećenja);
- pseudoelastičnost - oporavak neelastičnih deformacija iz elastičnih vrijednosti u rasponu od 1-30%.
Povratak u izvorno stanje za metale s efektompamćenje oblika može biti toliko intenzivno da se ne može potisnuti silom blizu vlačne čvrstoće.
Materijal
Među legurama s takvim svojstvima najčešće su titan-nikl (49–57% Ni i 38–50% Ti). Imaju dobre performanse:
- visoka čvrstoća i otpornost na koroziju;
- značajan faktor oporavka;
- velika vrijednost unutarnjeg naprezanja pri povratku u početno stanje (do 800 MPa);
- dobra kompatibilnost s biološkim strukturama;
- učinkovita apsorpcija vibracija.
Osim titan-niklida (ili nitinola), koriste se i druge legure:
- dvokomponentni - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- trokomponentni - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si i drugi.
Aditivi za legiranje mogu uvelike pomaknuti temperaturu martenzitne transformacije, utječući na svojstva redukcije.
Industrijska upotreba
Primjena efekta memorije oblika omogućuje rješavanje mnogih tehničkih problema:
- izrada čvrstih cijevnih sklopova sličnih metodi proširenja (prirubnički spojevi, samozatezne kopče i spojnice);
- proizvodnja alata za stezanje, hvataljki, potiskivača;
- dizajn"superopruge" i akumulatori mehaničke energije, koračni motori;
- izrada spojeva od različitih materijala (metal-nemetal) ili na teško dostupnim mjestima kada zavarivanje ili lemljenje postane nemoguće;
- proizvodnja višekratnih energetskih elemenata;
- brtvljenje kućišta mikro krugova, utičnice za njihovo povezivanje;
- proizvodnja temperaturnih regulatora i senzora u raznim uređajima (požarni alarmi, osigurači, ventili toplinskih motora i ostalo).
Izrada ovakvih uređaja za svemirsku industriju (samopokretne antene i solarni paneli, teleskopski uređaji, alati za montažne radove u svemiru, pogoni za rotacijske mehanizme - kormila, kapci, grotla, manipulatori) ima velike izglede. Njihova prednost je nepostojanje impulsnih opterećenja koja remete prostorni položaj u prostoru.
Primjena legura s memorijom oblika u medicini
U znanosti o medicinskim materijalima metali s ovim svojstvima koriste se za izradu tehnoloških uređaja kao što su:
- stepper motori za istezanje kostiju, ravnanje kralježnice;
- filtri za zamjene krvi;
- uređaji za fiksiranje prijeloma;
- ortopedski aparati;
- stezaljke za vene i arterije;
- dijelovi pumpe za umjetno srce ili bubreg;
- stenti i endoproteze za implantaciju u krvne žile;
- ortodontske žice za ispravljanje denticije.
Nedostaci i izgledi
Unatoč velikom potencijalu, legure s memorijom oblika imaju nedostatke koji ograničavaju njihovu široku primjenu:
- skupe kemijske komponente;
- komplicirana proizvodna tehnologija, potreba za korištenjem vakuumske opreme (kako bi se izbjeglo uključivanje nečistoća dušika i kisika);
- fazna nestabilnost;
- niska obradivost metala;
- poteškoće u preciznom modeliranju ponašanja struktura i proizvodnje legura sa željenim karakteristikama;
- starenje, zamor i degradacija legura.
Obećavajući smjer u razvoju ovog područja tehnologije je stvaranje premaza od metala s učinkom memorije oblika, kao i proizvodnja takvih legura na bazi željeza. Kompozitne strukture omogućit će kombiniranje svojstava dva ili više materijala u jednom tehničkom rješenju.
