Efecto memoria de forma
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la
versión revisada el 20 de junio de 2022; la verificación requiere
1 edición .
El efecto de memoria de forma es un fenómeno de retorno a su forma original cuando se calienta , que se observa en algunos materiales después de la deformación preliminar.
Introducción
Una de las percepciones básicas de los fenómenos del mundo exterior por parte de las personas es la durabilidad y confiabilidad de los productos y estructuras de metal que conservan de manera estable su forma funcional durante mucho tiempo , a menos que, por supuesto, estén sujetos a influencias supercríticas.
Sin embargo, hay una serie de materiales , aleaciones metálicas , que, cuando se calientan después de una deformación preliminar , exhiben el fenómeno de volver a su forma original.
Fenómeno
Para comprender el efecto de memoria de forma, basta con ver su manifestación una vez (ver Fig. 1). ¿Qué esta pasando?
- Hay un alambre de metal .
- Este alambre está doblado.
- Empezamos a calentar el alambre.
- Cuando se calienta, el alambre se endereza, restaurando su forma original.
La esencia del fenómeno
¿Por qué está pasando esto? (Ver figura 2)
- En el estado inicial, el material tiene una cierta estructura. En la figura, se indica mediante cuadrados regulares .
- Durante la deformación (en este caso, la flexión ), las capas externas del material se estiran y las internas se comprimen (las del medio permanecen sin cambios). Estas estructuras alargadas son láminas martensíticas , lo que no es inusual para las aleaciones metálicas. Inusualmente, en materiales con memoria de forma, la martensita es termoelástica.
- Al calentarse, comienza a manifestarse la termoelasticidad de las placas de martensita, es decir, surgen tensiones internas en ellas , que tienden a devolver la estructura a su estado original, es decir, a comprimir las placas alargadas y estirar las aplanadas.
- Dado que las placas exteriores alargadas se comprimen y las interiores aplanadas se estiran, el material en su conjunto sufre una autodeformación en sentido contrario y recupera su estructura original, y con ello su forma.
Características del efecto memoria de forma
El efecto de memoria de forma se caracteriza por dos cantidades.
- Una marca de aleación con una composición química estrictamente consistente.
- Temperaturas de transformaciones martensíticas .
En el proceso de manifestación del efecto de memoria de forma, están involucradas transformaciones martensíticas de dos tipos: directa e inversa. En consecuencia, cada uno de ellos se manifiesta en su propio rango de temperatura: M H y M K , el comienzo y el final de la transformación martensítica directa al enfriar, A H y AK , el comienzo y el final de la transformación martensítica inversa al calentar.
Las temperaturas de transformación martensítica son una función tanto del grado de la aleación (sistema de aleación) como de su composición química . Pequeños cambios en la composición química de la aleación (intencionalmente o como resultado del matrimonio ) conducen a un cambio en estas temperaturas (ver Fig. 4).
Esto implica la necesidad de una estricta adherencia a la composición química de la aleación para una manifestación funcional inequívoca del efecto de memoria de forma, que traduce la producción metalúrgica en la esfera de las altas tecnologías .
El efecto de memoria de forma se manifiesta en varios millones de ciclos ; puede reforzarse mediante tratamientos térmicos preliminares .
Los efectos de memoria de forma reversibles son posibles, cuando un material a una temperatura "recuerda" una forma y a otra temperatura, otra.
Cuanto mayor sea la temperatura de la transformación martensítica inversa, menos pronunciado será el efecto de memoria de forma. Por ejemplo, se observa un efecto de memoria de forma débil en aleaciones del sistema Fe-Ni (5-20% Ni), en las que las temperaturas de la transformación martensítica inversa son 200-400 ˚C.
Entre las propiedades funcionales de la memoria de forma, el fenómeno de la llamada deformación por transformación orientada es de gran importancia teórica y práctica. El significado de este fenómeno hereditario es el siguiente. Si un cuerpo enfriado bajo tensión se descarga en la región de temperaturas donde se realiza la plasticidad de la transformación martensítica directa y no se detiene la disminución de la temperatura, el enfriamiento continuo no siempre causará una deformación macroscópica. Por el contrario, la mayoría de las veces la deformación continúa acumulándose, como si el material apenas se descargara. En otros casos, hay un retorno intenso al enfriamiento. Tales propiedades, la primera de las cuales se denomina comúnmente deformación por transformación orientada, la segunda, el retorno anómalo de la deformación, están asociadas con el crecimiento de cristales de martensita formados bajo carga, en el caso de la deformación por transformación orientada, cristales de orientación positiva y en el caso de retorno anómalo - orientación negativa. Estos fenómenos pueden ser iniciados, en particular, por microtensiones orientadas.
Superelasticidad
Otro fenómeno estrechamente relacionado con el efecto de memoria de forma es la superelasticidad: la propiedad de un material sometido a una carga a una tensión que supera significativamente el límite elástico , para restaurar completamente su forma original después de que se retira la carga [1] . La superelasticidad se observa en el rango de temperatura entre el inicio de la transformación martensítica directa y el final de la inversa.
Materiales con memoria de forma
Niqueluro de titanio
El líder entre los materiales con memoria de forma en términos de aplicación y estudio es el niqueluro de titanio ( nitinol ), un compuesto intermetálico de composición equiatómica con un 55% de Ni (en masa). Punto de fusión - 1240-1310 ˚C, densidad - 6,45 g / cm³. La estructura inicial del niqueluro de titanio, una red cúbica centrada en el cuerpo estable del tipo CsCl, sufre una transformación martensítica termoelástica durante la deformación con la formación de una fase de baja simetría .
Un elemento hecho de niqueluro de titanio puede realizar las funciones tanto de un sensor como de un actuador .
El niqueluro de titanio tiene las siguientes propiedades:
- muy alta resistencia a la corrosión ;
- alta resistencia ;
- buenas características de memoria de forma; alto índice de recuperación de forma y alta fuerza de restauración ; la deformación hasta el 8% se puede restaurar completamente; el estrés de recuperación en este caso puede llegar a 800 MPa;
- buena compatibilidad biológica;
- alta capacidad de amortiguamiento .
Las desventajas del material incluyen la mala capacidad de fabricación y el alto precio:
- debido a la presencia de titanio , la aleación se adhiere fácilmente al nitrógeno y al oxígeno , para evitar la oxidación durante la producción, es necesario utilizar vacío;
- la otra cara de la moneda de alta resistencia es la dificultad de procesamiento en la fabricación de piezas, especialmente de corte;
- a finales del siglo XX , el niqueluro de titanio no era mucho más barato que la plata .
En el nivel actual de producción industrial , los productos hechos de niqueluro de titanio (junto con las aleaciones del sistema Cu-Zn-Al) han encontrado una amplia aplicación práctica y ventas en el mercado.
Otras aleaciones
A fines del siglo XX, el efecto de memoria de forma se encontró en más de 20 aleaciones. Además del niqueluro de titanio, el efecto de memoria de forma se encuentra en los siguientes sistemas:
- Au-Cd - desarrollado en 1951 en la Universidad de Illinois ( EE.UU. ); uno de los pioneros en materiales con memoria de forma;
- Cu-Zn-Al - junto con el niqueluro de titanio tiene aplicaciones prácticas; temperaturas de transformaciones martensíticas en el rango de −170 a 100 ˚C; En comparación con el niqueluro de titanio, no está sujeto a una oxidación rápida en el aire, se procesa fácilmente y es cinco veces más barato, pero tiene peores propiedades mecánicas (debido al engrosamiento del grano durante el tratamiento térmico), anticorrosión y tecnológicas (problemas de estabilización del grano). en pulvimetalurgia ), características de memoria de forma;
- Cu-Al-Ni - desarrollado en la Universidad de Osaka ( Japón ); temperaturas de transformación martensítica en el rango de 100 a 200 ˚C;
- Fe-Mn-Si son las aleaciones más baratas de este sistema;
- Fe-Ni;
- Cu-Al;
- Cu-Mn;
- Co-Ni;
- Ni-Al.
algunos investigadores[ quien? ] creen que el efecto de memoria de forma es fundamentalmente posible para cualquier material que sufra transformaciones martensíticas, incluidos metales tan puros como el titanio , el circonio y el cobalto .
Producción de niqueluro de titanio
La fusión se lleva a cabo en un horno de cráneo al vacío o de arco eléctrico con un electrodo consumible en una atmósfera protectora ( helio o argón ). La carga en ambos casos es de yoduro de titanio o esponja de titanio , prensada en briquetas , y níquel grado H-0 o H-1. Para obtener una composición química uniforme en la sección transversal y altura del lingote , se recomienda una doble o triple refundición. Cuando se funde en un horno de arco , se recomienda una corriente de 1,2 kA, un voltaje de 40 V y una presión de helio de 53 MPa. El modo óptimo de enfriamiento de los lingotes para evitar el agrietamiento es el enfriamiento con un horno (no más de 10 ˚C/s). Eliminación de defectos superficiales: pelado con una rueda de esmeril. Para una alineación más completa de la composición química en todo el volumen del lingote, la homogeneización se lleva a cabo a una temperatura de 950–1000 ˚C en una atmósfera inerte.
Aplicación de materiales con efecto memoria de forma
Acoplamientos de titanio y níquel
El buje fue desarrollado e introducido por primera vez por Raychem Corporation (EE. UU.) para conectar las tuberías del sistema hidráulico de los aviones militares . Hay más de 300.000 conexiones de este tipo en el luchador , pero nunca ha habido informes de sus averías. . La apariencia del manguito de conexión se muestra en la fig. 5. Sus elementos funcionales son salientes internos.
El uso de tales bujes es el siguiente (ver Fig. 6):
- Manga en su estado original a una temperatura de 20 ˚C.
- El casquillo se coloca en un criostato , donde, a una temperatura de −196 ˚C, las protuberancias internas se ensanchan con un émbolo .
- La manga fría se vuelve suave desde el interior.
- El manguito se retira del criostato con unas pinzas especiales y se coloca en los extremos de los tubos a conectar .
- La temperatura ambiente es la temperatura de calentamiento para una composición dada de la aleación, cuando se calienta a la que todo sucede automáticamente: las protuberancias internas recuperan su forma original, se enderezan y cortan la superficie exterior de las tuberías conectadas.
Resulta una fuerte conexión hermética al vacío que puede soportar presiones de hasta 800 atm. De hecho, este tipo de conexión sustituye a la soldadura . Y evita defectos de la soldadura como el inevitable ablandamiento del metal y la acumulación de defectos en la zona de transición entre el metal y la soldadura.
Además, este método de conexión es bueno para la conexión final al ensamblar una estructura, cuando la soldadura se vuelve difícil de acceder debido al entrecruzamiento de nodos y tuberías. Estos casquillos se utilizan en aplicaciones de aviación, espacio y automoción . Este método también se utiliza para unir y reparar tuberías de cables submarinos.
En medicina
Alarma térmica
Otros usos
- Focusu Boro (Japón) utiliza niqueluro de titanio en las unidades de grabación . La señal de entrada de la grabadora se convierte en corriente eléctrica, que calienta el alambre de niqueluro de titanio. Debido al alargamiento y acortamiento del cable, la pluma de la grabadora se pone en movimiento. Desde 1972 se han fabricado varios millones de unidades de este tipo (datos a finales del siglo XX). Dado que el mecanismo de accionamiento es muy simple, las averías son extremadamente raras.
- Cocina electrónica tipo convección. Se utiliza un sensor de niqueluro de titanio para cambiar la ventilación durante el calentamiento por microondas y el calentamiento por circulación de aire caliente.
- Válvula de detección para aire acondicionado de habitación . Ajusta la dirección del viento en la salida de aire del acondicionador de aire para refrigeración y calefacción.
- cafetera _ Detección de temperatura de ebullición , así como para válvulas e interruptores todo-nada.
- Procesador de alimentos electromagnético. El calentamiento por inducción es producido por corrientes de Foucault que ocurren en el fondo de la olla bajo la influencia de campos magnéticos . Para no quemarse, aparece una señal, que es accionada por un elemento en forma de bobina de niqueluro de titanio.
- Secador de almacenamiento electrónico. Opera las aletas al regenerar el agente deshidratante.
- A principios de 1985, las aleaciones con memoria de forma utilizadas para fabricar armazones de sujetadores comenzaron a salir al mercado con éxito. El marco de metal en la parte inferior de las copas está hecho de alambre de niqueluro de titanio. Aquí se utiliza la propiedad de superelasticidad. Al mismo tiempo, no hay sensación de presencia de un alambre, la impresión de suavidad y flexibilidad. Cuando se deforma (durante el lavado), recupera fácilmente su forma. Ventas - 1 millón de piezas por año. Esta es una de las primeras aplicaciones prácticas de los materiales con memoria de forma.
- Fabricación de diversas herramientas de sujeción .
- Sellado de cajas de microcircuitos .
- La alta eficiencia de convertir el trabajo en calor durante las transformaciones martensíticas (en niqueluro de titanio) sugiere el uso de dichos materiales no solo como materiales altamente amortiguadores, sino también como fluido de trabajo de refrigeradores y bombas de calor .
- La propiedad de superelasticidad se utiliza para crear resortes y acumuladores de energía mecánica altamente eficientes.
- El efecto de la memoria de forma también se utiliza en la fabricación de joyas, por ejemplo, en las joyas con forma de flor, al calentarse, con el toque del cuerpo, los pétalos de la flor se abren, dejando al descubierto la gema escondida en su interior.
- El efecto de memoria de forma también lo utilizan los ilusionistas, por ejemplo, en un truco con una uña curva que se endereza en las manos de un mago o de uno de los espectadores.
Véase también
Notas
- ↑ Boyko, 1991 , pág. 160.
Literatura
- Likhachev V. A., Kuzmin S. L., Kamentseva Z. P. Efecto de memoria de forma. - L. : Editorial de la Universidad Estatal de Leningrado, 1987.
- Tikhonov A. S., Gerasimov A. P., Prokhorova I. I. Aplicación del efecto de memoria de forma en la ingeniería mecánica moderna. - M. : Mashinostroenie, 1981. - 81 p.
- Likhachev V. A., Malinin V. G. Teoría analítica estructural de la fuerza. -. - San Petersburgo:: Nauka, 1993. - 441 p. — ISBN 5-02-024754-6 .
- V. N. Khachin. Memoria de forma. - M. : Saber, 1984. - 64 p. — (“Conocimiento”, “Física”.).
- Ootsuka K., Shimizu K., Suzuki Y. Aleaciones con memoria de forma: Per. del japones / Ed. H.Funakubo. M.: Metalurgia, 1990. - 224 p.
- S. V. Shishkin, N. A. Makhutov. Cálculo y diseño de estructuras portantes sobre aleaciones con efecto memoria de forma. - Izhevsk: Centro científico y editorial "Dinámica regular y caótica", 2007. - 412 p. - ISBN 978-5-93972-596-5 .
- Malygin G. A. Transiciones martensíticas borrosas y plasticidad de cristales con efecto de memoria de forma // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2001, v. 171, no. 187-212.
- Vasiliev A. N. , Buchelnikov V. D. , Takagi T. , Khovailo V. V. , Estrin E. I. Ferroimanes con memoria de forma // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, v. 173, n.º 6, pág. 577-608.
- Kagan M. Yu. , Klaptsov A. V. , Brodsky I. V. , Kugel K. I. , Sboychakov A. O. , Rakhmanov A. L. Separación de fases a pequeña escala y transporte de electrones en manganitas // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2003, volumen 173, n.° 8, pág. 877-883.
- Buchelnikov V. D. , Vasiliev A. N. , Koledov V. V. , Taskaev S. V. , Khovailo V. V. , Shavrov V. G. Aleaciones con memoria de forma magnética: transiciones de fase y propiedades funcionales // Uspekhi fizicheskikh Nauk , 2006, vol. 176, no. 8, p. 900-906.
- Voronov V. K. , Podoplelov A. V. Física en el cambio de milenio: estado condensado, 2.ª ed., M.: LKI, 2012, 336 páginas, ISBN 978-5-382-01365-7
- Boiko V. S., Garber R. I., Kosevich A. M. Plasticidad reversible de cristales. — M .: Nauka, 1991. — 280 p.
- Zaimovsky V. A., Kolupaeva T. L. Propiedades inusuales de materiales ordinarios. — M .: Nauka, 1984.
Enlaces