وفقًا للحكمة التقليدية ، تعد المعادن أكثر المواد متانة ومقاومة. ومع ذلك ، هناك سبائك يمكنها استعادة شكلها بعد تشوهها دون تحميل خارجي. كما أنها تتميز بخصائص فيزيائية وميكانيكية فريدة أخرى تميزها عن المواد الإنشائية.
جوهر الظاهرة
تأثير ذاكرة الشكل للسبائك هو أن المعدن المشوه مسبقًا يتعافى تلقائيًا نتيجة للتسخين أو ببساطة بعد التفريغ. لاحظ العلماء هذه الخصائص غير العادية منذ الخمسينيات من القرن الماضي. القرن ال 20 حتى ذلك الحين ، ارتبطت هذه الظاهرة بالتحولات المارتينزيتية في الشبكة البلورية ، والتي توجد خلالها حركة منظمة للذرات.
Martensite في مواد ذاكرة الشكل هو مرن حراريًا. يتكون هذا الهيكل من بلورات على شكل صفائح رقيقة ، يتم شدها في الطبقات الخارجية ، ومضغوطة في الطبقات الداخلية. "ناقلات" التشوه هي الحدود بين الطور ، والتوأم ، وبين البلورات. بعد تسخين المشوهةسبيكة ، تظهر ضغوط داخلية تحاول إعادة المعدن إلى شكله الأصلي.
تعتمد طبيعة الانتعاش التلقائي على آلية التعرض السابق وظروف درجة الحرارة التي استمر في ظلها. الأكثر أهمية هو الدورية المتعددة ، والتي يمكن أن تصل إلى عدة ملايين من التشوهات.
المعادن والسبائك التي لها تأثير ذاكرة الشكل لها خاصية فريدة أخرى - اعتماد غير خطي على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمادة على درجة الحرارة.
أصناف
يمكن أن تتخذ العملية المذكورة أعلاه عدة أشكال:
- اللدونة الفائقة (المرونة الفائقة) ، حيث يمكن للبنية البلورية للمعدن أن تتحمل التشوهات التي تتجاوز بشكل كبير مقاومة الخضوع في الحالة الطبيعية ؛
- ذاكرة ذات شكل فردي وقابل للعكس (في الحالة الأخيرة ، يتم تكرار التأثير بشكل متكرر أثناء التدوير الحراري) ؛
- ليونة التحول إلى الأمام والعكس (تراكم الإجهاد أثناء التبريد والتسخين ، على التوالي ، عند المرور عبر تحول مارتينسيتي) ؛
- ذاكرة قابلة للعكس: عند تسخينها ، يتم استعادة تشوه واحد ، ثم مع زيادة أخرى في درجة الحرارة ، آخر ؛
- التحول الموجه (تراكم التشوهات بعد إزالة الحمل) ؛
- المرونة الزائفة - استعادة التشوهات غير المرنة من القيم المرنة في حدود 1-30٪.
العودة إلى الحالة الأصلية للمعادن ذات التأثيريمكن أن تكون ذاكرة الشكل شديدة لدرجة أنه لا يمكن قمعها بقوة قريبة من قوة الشد.
المواد
من بين السبائك ذات الخصائص ، الأكثر شيوعًا هي التيتانيوم والنيكل (49-57٪ نيكل و 38-50٪ Ti). لديهم أداء جيد:
- عالية القوة ومقاومة التآكل ؛
- عامل استرداد مهم ؛
- قيمة كبيرة للضغط الداخلي عند العودة إلى الحالة الأولية (تصل إلى 800 ميجا باسكال) ؛
- توافق جيد مع الهياكل البيولوجية ؛
- امتصاص الاهتزاز الفعال.
بالإضافة إلى نيكليد التيتانيوم (أو النيتينول) ، يتم استخدام سبائك أخرى أيضًا:
- مكونان - Ag-Cd ، Au-Cd ، Cu-Sn ، Cu-Zn ، In-Ni ، Ni-Al ، Fe-Pt ، Mn-Cu ؛
- ثلاثة مكونات - Cu-Al-Ni و CuZn-Si و CuZn-Al و TiNi-Fe و TiNi-Cu و TiNi-Nb و TiNi-Au و TiNi-Pd و TiNi-Pt و Fe-Mn -سي وآخرين.
إضافات السبائك يمكن أن تغير بدرجة كبيرة درجة حرارة التحول المارتنسيتي ، مما يؤثر على خصائص الاختزال.
الاستخدام الصناعي
تطبيق تأثير ذاكرة الشكل يسمح بحل العديد من المشاكل التقنية:
- إنشاء مجموعات أنابيب ضيقة مماثلة لطريقة الاحتراق (وصلات ذات حواف ، ومشابك ذاتية التشديد ووصلات) ؛
- تصنيع أدوات التثبيت ، القابضون ، الدافعات ؛
- تصميم"الزنبركات الفائقة" ومراكمات الطاقة الميكانيكية ، محركات السائر ؛
- إنشاء وصلات من مواد غير متشابهة (معدنية - غير معدنية) أو في أماكن يصعب الوصول إليها عندما يصبح اللحام أو اللحام مستحيلاً ؛
- إنتاج عناصر طاقة قابلة لإعادة الاستخدام ؛
- حالة ختم الدوائر الدقيقة ، ومآخذ توصيلها ؛
- انتاج متحكمات ومستشعرات درجة الحرارة في مختلف الاجهزة (انذار حريق ، فيوزات ، صمامات المحرك الحراري وغيرها).
إنشاء مثل هذه الأجهزة لصناعة الفضاء (هوائيات ذاتية النشر وألواح شمسية ، وأجهزة تلسكوبية ، وأدوات لأعمال التثبيت في الفضاء الخارجي ، ومحركات للآليات الدوارة - الدفات ، والستائر ، والبوابات ، والمتلاعبين) له آفاق كبيرة. ميزتها هي عدم وجود الأحمال الدافعة التي تزعج الموقع المكاني في الفضاء.
تطبيق سبائك ذاكرة الشكل في الطب
في علم المواد الطبية ، تستخدم المعادن بهذه الخصائص لصنع أجهزة تكنولوجية مثل:
- محركات متدرجة لتمديد العظام وتقويم العمود الفقري ؛
- مرشحات لبدائل الدم ؛
- أجهزة لإصلاح الكسور ؛
- أجهزة تقويم العظام ؛
- مشابك للاوردة و الشرايين
- أجزاء مضخة للقلب الاصطناعي أو الكلى ؛
- دعامات وأطراف اصطناعية للزرع في الأوعية الدموية ؛
- اسلاك تقويمية لتصحيح الاسنان
عيوب وآفاق
على الرغم من إمكاناتها الكبيرة ، إلا أن سبائك ذاكرة الشكل لها عيوب تحد من اعتمادها على نطاق واسع:
- مكونات كيميائية باهظة الثمن ؛
- تكنولوجيا التصنيع المعقدة ، والحاجة إلى استخدام معدات فراغ (لتجنب إدراج شوائب النيتروجين والأكسجين) ؛
- عدم استقرار المرحلة ؛
- قابلية منخفضة للمعادن ؛
- صعوبات في النمذجة الدقيقة لسلوك الهياكل وتصنيع السبائك بالخصائص المرغوبة ؛
- الشيخوخة والتعب وتدهور السبائك.
الاتجاه الواعد في تطوير هذا المجال من التكنولوجيا هو إنشاء طلاءات من معادن لها تأثير ذاكرة الشكل ، وكذلك تصنيع مثل هذه السبائك على أساس الحديد. ستسمح الهياكل المركبة بدمج خصائص مادتين أو أكثر في حل تقني واحد.
