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

16 

 
Глава 1. Общие представления о материалах с памятью формы  
 

1.1. История открытия эффекта памяти формы 

Первое  упоминание  о  необычном  поведении  материала  можно 

отнести к 1932 году, когда на всемирной технической выставке в Брюсселе 
шведским  исследователем  А.Оландером  был  продемонстрирован  стержень 
из  сплава  золота  с  кадмием,  который  под  действием  прикрепленного  к 
концу  груза  изгибался  при  охлаждении,  а  при  нагреве  выпрямлялся  и 
поднимал  этот  груз.  В 1948 году  Г.В.Курдюмов  и  Л.Г.Хандрес 
опубликовали  статью,  в  которой  описали  обратимое  при  нагреве  и 
охлаждении  превращение  в  сплавах Cu-Zn. Они  назвали  его 
«термоупругим»  мартенситным  превращением.  Как  выяснилось  позже, 
такой механизм превращения характерен для материалов с памятью формы 
и  определяет  их  необычное  поведение.  Это  явление  в 1981 году  было 
зарегистрировано 

как 

открытие 

(эффект 

Курдюмова; 

эффект 

восстановления  заданной  конфигурации  или  эффект  памяти  формы). 
Правда авторство наших ученых признается только в России и Украине. Но 
настоящий  интерес  к  МПФ  возник  после  сообщения  на  одной  из  научных 
конференций  в 1962 году  У.  Бюгером  и  Ф.  Вангом  об  открытом  ими 
материале,  проявляющем  память  формы.  Эти  ученые  работали  в 
военноморской артиллерийской лаборатории (Naval Ordnance Laboratory) и 
при  изучении  жаростойкости  и  жаропрочности  сплавов  системы Ti-Ni 
обратили внимание,  что  при эквиатомном  составе (50 ат.%Ti + 50 ат.%Ni) 
материал  в  охлажденном  состоянии  способен  накопить  значительную 
деформации,  а  при  последующем  нагреве  полностью  ее  восстановить,  т.е. 
вернуться  к  первоначальной  форме.  Они  назвали  материал  «нитинол»  по 
обозначению  элементов,  входящих  в  него,  и  аббревиатуре  лаборатории,  в 
которой  они  работали.  В 1965 году  состав  и  название  сплава  были 
запатентованы. 

С  этого  момента  начались  интенсивные  исследования  нитинола  и 

поиски  его  применения.  Одним  из  первых  примеров  серийного 

17

производства  и  применения  МПФ  стали  муфты  для  термомеханических 
соединений  трубопроводов.  Американская  фирма Raychem разработала  и 
производит муфты, которые при температуре жидкого азота деформируют 
для  увеличения  внутреннего  диаметра  и  вводят  в  них  концы  труб.  После 
отогрева  до  нормальной  температуры  муфты  стремятся  вернуться  к 
прежнему  размеру  и  надежно  соединяют  концы  труб.  Такие  соединения 
применялись  на  палубном  истребителе-перехватчике F-14 «Tomcat». На 
каждом  из  таких  самолетов  (а  их  было  более  тысячи)  стояло  около 800 
муфт,  и  за 30 лет  эксплуатации  не  было  зафиксировано  ни  одного  случая 
разрушения соединения.  

В 70-ых  годах  прошлого  столетия  к  исследованию  нитинола 

присоединился  Советский  Союз.  Во  «Всесоюзном  институте  легких 
сплавов» 

было 

налажено 

опытно-промышленное 

производство 

полуфабрикатов  (слитков,  прутков,  листов)  из  материала,  который  у  нас 
был  назван  сплавом  на  основе  никелида  титана.  Этот  сплав  получил 
обозначение  ТН1  и  по  химическому  составу  практически  полностью 
соответствовал нитинолу (таблица 1.1). Кроме того, производились сплавы 
дополнительно  легированные  железом  (ТН1К)  и  медью  (ТНМ3).  В 
небольших  объемах,  в  основном  для  исследований  и  модельных 
конструкций,  сплавы  на  основе  никелида  титана  получали  в  институте 
металлургии  им.  А.  А.  Байкова  РАН,  Томском  политехническом  и  других 
институтах.  Было  освоено  производство  муфт  для  термомеханических 
соединений  в  авиации  и  космонавтике,  например  на  первых  выпусках  Ту-
204 и других самолетах. Использовались сплавы на основе никелида титана 
и  в  космонавтике.  Так  на  станции  «Мир»  с  помощью  муфт  была  собрана 
ферма для двигателя ориентации, а на космическом аппарате «Прогресс 40» 
была  раскрыта  пространственная  конструкция  с  проволочными  приводами 
из сплава на основе никелида титана. 

18 

Таблица 1.1. Химический состав сплавов нитинол, ТН1, ТН1К, ТНМ3. 

Сплав 

Нормативный 

документ 

Содержание элементов, % по массе  

Ti Ni  O 

C 

N 

H 

Fe 

Cu 

Нитинол ASTMF 2063-2012 Основа 54,5

57,5

0,05 

вместе с N

0,07

- 

0,005  0,05  0,01

ТН1 

ТУ  I 809394-84  Основа 53,5

56,5

0,2 

0,1 0,05  0,013  0,3 

- 

ТН1К 

ТУ  I 809394-84  Основа 50,0

53,5

0,2 

0,1 0,05  0,013 2,04,5

- 

ТНМ3 

ТУ  I 809394-84  Основа 48,0

52,5

0,2 

0,1 0,05  0,013  0,3 3,06,0

Большое  развитие  в  Советском  союзе  получило  направление 

использования материала с памятью формы в медицине. Были разработаны 
различные  конструкции  для  остеосинтеза  (соединения)  кости,  фиксации 
позвоночника и др. Но с наступлением 90-ых  годов и распадом  Советского 
союза 

разрушились 

сложившиеся 

связи 

между 

организациями 

производителями и потребителями МПФ. Ученые, технологи, конструкторы 
и  производители  оказались  в  разных  государствах.  Резкое  сокращение 
исследований и производства авиакосмической и военной техники сделало 
невыгодным производство сплавов с памятью формы в небольших объемах. 
Металлургия и переработка сплавов на основе никелида титана в России и 
странах СНГ практически прекратились. 

В  тоже  время  научный  потенциал  исследователей  этих  материалов 

частично  смог  сохраниться,  и  с  начала  нового  тысячелетия  в  России 
постепенно  происходит  восстановление  утраченных  позиций.  Основное 
влияние  на  этот  процесс  оказала  переориентация  ученых 

с 

машиностроительных  и  оборонных  задач  на  медицину,  в  которой  стала 
возрастать  потребность  в  инновационных  материалах  и  технологиях. 
Достижения 

в 

этой 

области 

российских 

ученых 

являются  

общепризнанными  в  мире.  Некоторые  из  них,  кто  в  свое  время  вынужден 
был  уехать  за  границу,  продолжали  заниматься  материалами  с  памятью 
формы  в  США,  Израиле,  Франции  и  сохраняли  научные  связи  со  своей 
родиной.  Поэтому  производство  имплантатов  из  МПФ  является  одним  из 
немногих  высокотехнологических  наукоемких  продуктов,  экспортируемых 
из  России  в  страны  Европы  и  Азии.  Хотелось  бы  надеется,  что  успехи 

19

российских ученых в применении МПФ в медицине получат продолжение и 
в других отраслях экономики. 

1.2. Некоторые понятия о материалах с памятью формы 

Одной из сложностей работы с МПФ является то, что до сих пор не 

создано  общепризнанной  терминологии,  позволяющей  описать  весь 
комплекс  явлений,  связанных  с  памятью  формы,  и  определить  их 
характеристики.  Это  затрудняет  правильную  оценку  результатов 
исследований  разных  ученых  и  проектирование  новых  изделий  с 
требуемыми характеристиками работоспособности. Потребители материала 
не  знают,  какие  характеристики  требовать  от  производителей,  а 
производители  не  знают,  что  же  нужно  потребителям.  Для  преодоления 
этого  препятствия  необходима  добрая  воля  научного  и  технического 
сообщества,  чтобы  не  держаться  каждому  за  придуманные  собой 
формулировки,  а  прийти  к  единству,  обусловленному  желанием  развивать 
это научное и практическое направление. 

Чтобы  описать  более-менее  общепринятые  понятия  в  области 

материалов с памятью формы необходимо сделать небольшое отступление, 
тесно  связанное  с  вышеизложенными  мыслями.  Это  касается  понятий 
мартенсит 

и 

мартенситное 

превращение, 

которые 

являются 

основополагающими в определении явления эффекта памяти формы. 

Понятие мартенсит было введено для описания структуры закаленных 

углеродистых  сталей.  Вначале  оно  трактовалось  как  мелкоигольчатая 
структура, наблюдаемая в оптический микроскоп на образцах и изделиях из 
стали,  охлажденных  с  высокой  скоростью  в  воде  или  масле  от  высоких 
температур.  Название  эта  структура  получила  от  фамилии  немецкого 
ученого  А.  Мартенса,  который  один  из  первых  изучил  ее  и  описал.  Затем 
понятие  мартенсита  было  уточнено  как  «пересыщенный  твердый  раствор 
углерода  в  α-железе».  Так  как  образование  мартенсита  резко  меняло 
свойства  стали,  то  механизм  его  формирования  интенсивно  изучали,  что 
привело  к  созданию  теории  мартенситного  превращения,  как 
бездиффузионного сдвигового превращения, в процессе которого соседние 

20 

атомы  не  меняют  своих  соседей  при  переходе  из  высокотемпературной  в 
низкотемпературную кристаллическую структуру. 

В  процессе  развития  научных  знаний  о  мартенситном  превращении 

было  показано,  что  оно  свойственно  практически  всем  полиморфным 
металлам,  многим  интерметаллидам  и  огромному  числу  сплавов. 
Разработанная  теория  мартенситного  превращения  очень  хорошо 
описывала  явления,  наблюдаемые  в  этих  материалах.  Но  постепенно 
выяснилось, что полностью приложить эту теорию к углеродистым сталям 
очень  сложно,  так  как  атомы  углерода  в  кристаллической  решетке  железа 
остаются  достаточно  подвижными  даже  при  больших  скоростях 
охлаждения,  что  не  позволяет  обеспечить  главный  признак  мартенситного 
превращения – бездиффузионность.  В  результате  по  современной  теории 
мартенситных  превращений  в  углеродистых  сталях  нет  мартенситного 
превращения,  а  есть  диффузионно-корпоративный  переход.  Поэтому  в 
научной  литературе  есть  совершенно  разные,  противоречащие  друг  другу 
формулировки  понятий  мартенсита  и    мартенситных  превращений.  Все 
зависит  от  того,  по  каким  учебникам  учился  исследователь  или  к  какой 
научной  школе  относится.  Мы  будем  основываться  на  понятиях  научной 
школы материаловедения академика РАН А.А. Ильина. 

Итак,  эффект  памяти  формы  (ЭПФ)  проявляется  в  процессе 

обратимого 

мартенситного 

превращения. 

Представим 

себе, 

что 

высокотемпературная  фаза  материала  имеет  кубическую  решетку,  которая 
на  схеме  показана  квадратами,  рисунок 1.2. Обычно  эту  фазу  называют 
аустенитом  (не  путать  с  твердым  раствором  углерода  в 

-железе).  Если 

материал  с  такой  структурой  подвергается  деформации  при  температурах 
значительно  выше  температур  превращения,  то  его  формоизменение 
происходит по упругому механизму, пока не будет достигнуты напряжения 
скольжения.  После  этого  образование  и  движение  дислокаций  необратимо 
меняет  форму  кристалла  (рисунок 1.2, схема 1). После  разгрузки  и 
последующего нагрева измененная форма сохраняется.