Файл: Коллеров М.Ю. Функциональные материалы (пособие).pdf

11

Инструментальные  сплавы  объединяют  в  себе  группу  материалов, 

имеющих особые требования по ряду механических и физических свойств и 
предназначенных для изготовления инструмента и оснастки для обработки 
различных  материалов.  Обычно  выделяют  сплавы  для  изготовления 
режущего, штампового и другого подобного инструмента. К таким сплавам 
предъявляются  требования  повышенной  твердости  и  сохранения  ее  при 
высоких температурах. 

Сплавы,  предназначенные  для  изготовления  измерительного 

инструмента 

должны 

иметь 

низкий 

коэффициент 

термического 

расширения. 

Сплавы  специального  назначения,  как  правило,  можно  отнести  к 

вышеупомянутым материалам, но они имеют высокий уровень требований 
к  каким-то  определенным  группам  механических,  физических  или 
химических  свойств.  Можно  выделить  магнитные,  электротехнические 
материалы,  износостойкие  сплавы  и  др.  Особую  группу  специальных 
материалов иногда определяют как функциональные материалы, умные или 
интеллектуальные  материалы (smart material). Их  физические  или 
механические  свойства  резко  отличаются  от  поведения  обычных 
конструкционных,  жаропрочных  или  инструментальных  материалов.  К 
таким  функциональным  материалам  относятся  сплавы  с  эффектом  памяти 
формы.  Их  механическое  поведение  в  значительной  степени  зависит  от 
внешних условий (температура, давление) и предыстории их изменения. 

Материалы  с  памятью  формы  (МПФ) [1 

 4] способны  при  низких 

температурах  при  нагружении  накапливать  деформацию,  а  после  нагрева 
полностью или частично ее восстанавливать. К таким материалам относят в 
первую  очередь  сплавы,  в  которых  при  термическом  и/или  механическом 
воздействии  развиваются  обратимые  мартенситные  превращения [5]. Эти 
сплавы  могут  быть  основой  композиционных  материалов,  в  большей  или  
меньшей степени способных к восстановлению формы. 

Подобное  явление  изменения  формы  наблюдается  и  в  полимерных 

материалах. Однако природа формоизменения в них и условия его создания 
и  реализации  значительно  отличается  от  сплавов  с  памятью  формы. 

12 

Поэтому в настоящем учебном пособии под материалами с памятью формы 
мы будем понимать только сплавы с термически и механически обратимым 
мартенситным превращением и композиционные материалы на их основе.  

Интерес к материалам с эффектом памяти формы за последние 50 лет 

изменялся от взлета к падению и снова к взлету. Первый пик пришелся на 
70-80  годы  прошлого  столетия  после  открытия  эффекта  памяти  формы 
(Shape memory effect) в никелиде титана в 1962 году. Этот всплеск интереса 
был  обусловлен  теми  невероятными  возможностями,  которые  сулило 
обнаруженное  явление.  Во  всем  мире  было  подано  несколько  десятков 
тысяч  заявок  на  изобретения,  в  которых  основным  элементом  является 
материал  с  памятью  формы.  Практически  все  изобретения  получили 
патенты,  но  только  несколько  десятков  из  них  могли  быть  реально 
использованы.  Материал  был  настолько  капризен,  что  заставить  его 
работать так, как надо разработчику конструкции, удавалось крайне редко. 
Поэтому  первоначальная  эйфория  от  открытия  сменилась  пессимизмом.  В 
80-90  годах  о  нем  начали  забывать,  но  в  этот  период  материал  «перешел» 
из-под  опеки  изобретателей-конструкторов  к  материаловедам-технологам. 
В  процессе  долгих  и  кропотливых  исследований,  чередовании  удач  и 
неудач,  они  научились,  в  определенной  степени,  управлять  структурой  и 
свойствами  этих  материалов  и  обеспечивать  большинство  требований 
изобретателей-конструкторов  и  производителей-бизнесменов.  Материал  с 
памятью  формы  вновь  стал  востребован  во  многих  отраслях  экономики  и 
интерес к нему с началом нового века вновь вырос. Он более широко стал 
использоваться  в  медицине  и  товарах  народного  потребления.  Если  вы 
видите  человека  с  брекетами  для  исправления  прикуса  зубов,  то  скорее 
всего у него силовой элемент, обеспечивающий плавное, нетравматическое 
смещение  зубов,  выполнен  из  сверхупругой  проволоки  сплава  на  основе 
никелида  титана  (рис. 1.1 а).  Такая  же  проволока  используется  в  оправе 
очков (рис. 1.1 б) или в гибких рыболовных поводках для спиннинга (рис. 
1.1 в). 

Р

потребл

а

«Стомат
http://sto

б

[официа

в

 
Н

настоя
нереше
характ
издели
много.

Н

читател
эффект

Рисунок  1.

ления: 

а) силовой э

тов» 

omatov.ru/a

б) оправа о

альный сай

в) гибкие ры

Несмотря

щее  вре

енными 

еристик 

ий. Поэто

Настояще

лей  со  с

том  памя

а) 

.1  Пример

элемент бр

[официа

areas/ispravl

очков из М

йт] «Металл

ыболовные

 на очеви

емя  исп

пробл

и  высок

му работ

ее  учебн

специфич
яти  форм

ры  примен

рекет-систе
альный 

lenie-prikus

ПФ; [источ

лы с памят

е поводки и

идный усп

пользован

лемами 

кой  стоим

ы у матер

ое  пособ

ческими 

мы.  Оно 

в) 

нения  МП

емы; [источ

сайт] 

sa/bezligatu

чник фото 

тью формы

из МПФ дл

пех в при

ны  ничт

обесп

мостью 

риаловед

бие  сост

особенно

может 

ПФ  в  меди

чник фото -

Бе

urnye-breke

- Сеть сал

» http://ww

ля спиннин

именении

тожно  м

печения 

производ

дов-технол

тавлено 

остями  ра

быть  пол

б) 

ицине  и  т

- Стоматол

злигатурны
ty/] 

лонов оптик

ww.optikoma

га; 

МПФ их

мало.  Э

регла

дства  пол

логов ещ

с  целью

аботы  с 

лезно  ка

товарах  на

логическая 

ые 

ки «Оптик

ania.ru/mem

х возможн

Это  связ

аментиро
луфабрик

ще очень и

ю  ознако

материал

ак  для  те

13

ародного 

клиника 

брекеты 

комания» 

m.php] 

ности в 

зано  с 

ванных 

катов  и 

и очень 

мления 

лами  с 

ех,  кто 

14 

исследует этот материал, так и для тех, кто занимается производством или 
применением изделий из него. 

Поскольку изделия из МПФ могут применяться в совершенно разных 

областях,  то  и  специалисты  по  проектированию  и  применению  таких 
изделий  могут  иметь  подготовку  в  разных  научных  областях.  Поэтому 
пособие  составлено  таким  образом,  что  первая  его  часть  (Глава 1) дает 
достаточно  общее  представление  о  МПФ,  а  другие  разделы  посвящены 
отдельным  вопросам  исследования,  обработки,  производства  или 
применения  этого  материала.  Читающие  данное  пособие  (магистры, 
аспиранты,  инженеры,  научные  работники  и  другие  специалисты)  могут 
сами выбирать те разделы, которые окажутся полезными с их точки зрения. 

Мы будем благодарны читателям, которые сделают свои замечания по 

содержанию  учебного  пособия  и  пожелания  по  более  углубленному 
изложению отдельных проблем МПФ. Мы постараемся все учесть и внести 
исправления и добавления в следующих изданиях. 

Данное  учебное  пособие  обобщает  опыт  изучения  функциональных 

материалов  обладающих  эффектом  памяти  формы  зарубежных  и 
российских ученых, а также результаты собственных исследований авторов, 
выполненных  на  кафедре  «Материаловедение  и  технология  обработки 
материалов» «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского начиная с 1980 года. 

Пособие  предназначено  для  подготовки  бакалавров  и  магистров  по 

направлению «Материаловедение и технологии материалов» (22.03.01 ПК-
3, ПК-5, ПК-9, ПК-11, ПК-12 и 22.04.01 ПК-2, ПК-3, ПК-4, ПК-7, ПК-14) по 
дисциплинам 

«Перспективные 

материалы 

и 

технологии», 

«Материаловедение  и  технологии  современных  и  перспективных 
материалов»,  а  также  будет  полезно  для  подготовки  бакалавров  по 
направлению «Биотехнические системы и технологии» (12.03.04 ПК-1, ПК-
5,  ПК-6)  по  дисциплине  «Биотехнические  системы  медицинского 
назначения»,  для  аспирантов  по  специальности  «Металловедение  и 
термическая  обработка»  и  «Материаловедение  (Машиностроение)», 
инженеров  (40.086:  А/03.5,  С/03.7;  40.083: C/05.7; 40.085: B/04.6, B/05.6, 
B/06.6; 40.017: С/07.7, 31.013: C/01.4, C/04.4, C/06.4) и научных работников, 

15

занимающихся  изучением  и  применением  материалов  с  эффектом  памяти 
формы.