У металлов есть память?!

3

У металлов есть память!

Доктор физико-математических наук
В. А. ЗАИМОВСКИЙ

Явления живой и неживой природы настоящего многообразны и так тесно переплетены друг с другом, что, столкнувшись с чем-то новым в неорганичском мире, мы неволно ищем аналогою с проявлениями жизни-деятельности человека. Это стремление отражается и на научной терминологии. Такие термины, как «время жизни» или «время оседлой жизни» (применительно к частismam), «живучеть», «усталость» (применительно к конструкционным материалов), считаются волне строгими и стали общеприятыми наряду с сотнями других, им подобных в этом смысле. И не случайно открытое сравнительно недавно свойство металлических сплавов получило название «память формы». Могут ли металлы вспоминать, помнить, забивать? Давайте попробуем приписать металлам эти способности живых существ, и тогда мы увидим, что металлы способны даже на самом贞ство!

Упругая и пластическая деформация

Вначале вспомним, что нам известно из школьного курса физики о деформации металлов, и договорами о некоторых обозначениях.

Если к металлическому образцу приложить нагрузку — внешнюю силу, которая сообщает ускорение одной части тела относительно другой, то образец изменит свои размеры и форму — деформируется. Deформацию обычно характеризуют отношением изменения Δl размера образца к исходному размеру l: ε = Δl/l. Удельной мерой нагрузки служит напряжение — относение величины действующего на образец силы к площади поперечного сечения образца.

Связь между σ и ε определяется только свойств материалов и для общих металлов и сплавов отображается кривой, приведенной на рисунке 1.

На участке OA зависит σ (ε) линейна. Эта закономерность была установлена еще в XVII века английским ученым Гуком. Закон Гука σ = Eε действует только в пре-

4

Рис. 1. Диаграмма напряжения — деформация.

делах «упругой области» диаграммы, пока напряжение не превысило предела упругости $\sigma_{\text{упр}}$. Константа $E$ называется моделем упругости. Для большинства металлов $E$ имеет порядок величины $10^{10}-10^{11}$ Н/м$^2$, а порядок $\sigma_{\text{упр}}$ обычно $10^7-10^8$ Н/м$^2$; поэтому максимальная упругая деформация чаще всего имеет порядок величины $10^{-3}$, то есть составляется доли процента. Формальный призnak упругой деформации — ее обратимость: деформация исчезает при разгрузке, и образец возврашает к исходным размерам и форме. Между прочим, это означает, что, нахождение под любым напряжением, не превышающим $\sigma_{\text{упр}}$, металл помнит свою исходную форму и восстановляется ее сразу после устранения напряжения. Например, если мы увеличим напряжение и напряжение превысит $\sigma_{\text{упр}}$, а деформация выйдет за пределы $\varepsilon_{\text{упр}}^{\max}$? Упругая деформация продолжает нарастать прямо пропорционально растущей величины напряжения (в соответствии с законом Гука), но появляется вторая составляющая деформации — пластическая. Общая величина деформации, соответствующей некоторой точке $B$ на рисунке 1, складывается теперь из $\varepsilon_{\text{упр}}$, которая исчезнет при разгрузке (линия разгрузки $BC$ появляется параллельно упругому участку $AO$), и $\varepsilon_{\text{ост}}$ — остаточной деформации, которая остается при снять напряжения. Из рисунка 1 видно, что $\varepsilon_{B\text{упр}}^{\max}$ больше $\varepsilon_{\text{упр}}^{\max}$, поэтому символ «max» здесь не означает, что нельзя получить упругую деформацию больше величины. Он означает лишь, что если обшая деформация превысит $\varepsilon_{\text{упр}}^{\max}$, то она уже не будет чисто упругой и форма тела после разгрузки будет отличаться от исходной.

Таким образом, формальный призnakом пластической деформации является ее необратимость: после разгрузки сохраняется остаточная измененная резервируемость, то есть память

5

metалла начинает давать перебои. Если продолжать деформацию дальнейше, за точку $B$, то пластическая составляющая будет нарастать при сравнительно слабом росте напряжения. Конечно, в конце концов процесс законита разрушением образца; величина $\varepsilon_{\text{ост}}$ перед разрушением у пластических металлов составляет десяти процентов, то есть на 2 порядка превышает $\varepsilon_{\text{упр}}$. Это уже практический полный «склероз»—metалл забывает исходную форму и принимает новую.

На такой забывавости металлов основаны промышленные процессы их обработки, когда мы проделываем, например, путь от огромного слитка до тонкой проволочки. Если вернуть к нашему примеру с тонкой пластинкой, согласно в полукольцо, но увеличить ее толщину до 2 мм, то деформация нарушных словев составит уже 10%. Теперь после разгрузки концы пластины лишь немного «спружинят», разойдется в стороны (относительная деформация уменьшится на 0,5%), и пластина остановится почти таким же полукольцом с чуть большим радиусом.

Когда говорят: «согнуть в бараниной рог», имеют в виду именно такие большие деформации, при которых упругой составляющей уже можно пренебречь из-за ее малости по сравнению с остаточной. Между строкю этого решительного выражения можно прочитать: «уже не разогнешься». Действительно, чтобы устранить последствия пластической деформации и вернуть тело к исходной форме, необходимо приудительно пластические деформировать его в противоположном направлении. Если же нагревать пластические деформированный металл, то форма его остается прежней — нет никаких причины для уменьшения или роста величины остаточной деформации.

Что бы хорошо понять существое эффектива памяти формы в металлах, надо разобраться в механизме их пластической деформации. Точнее, нам понадобится рассмотреть лишь геометрический aspect этого механизма. Будучи телами кристаллических, металлы пластические деформируются путем сдвигов

Рис. 3. Пластическая деформация осуществляется путем сдвигов. На фотографии — кристалл цикла после сильной пластической деформации (×50).

по определенныматомным плоскостям в решетке (рисунок 3). Это напоминает сдвиг в стопке монет или в колоде карт. Мы не можем увеличить размер колоды, потянув сразу все карты в продолжном направлении, но длина колоды увеличится, если мы будем сдвигать вдоль нее карты одну за другой. Так же удаляется при растяжении металлической стержень — произходит сдвиг сеседных словев металла друг по другу. Чтобы при этом не нарушалась сплошность металла, слой, разделенные плоскостями сдвига, постепенно разворачиваются в направлении деYSTрия нагрузки. Эти сдвиги, как мы уже знаем, необратимы; они и вызывают остаточно деформацию.

Открытие
Г. В. Курдюмова и Л. Г. Хандроа

Существуют ли в металлах сдвиговые процессы, которые могут идти без возникления внешней силы? Оказывается, существуют и уже 3000 лет используют человека. Еще в древней Греции и Риме использовали явление закалки стали для придания ей особой твердости и прочности. Однако только в XX века выясились, что это изменение свойств стали связано с превращением одной кристаллической модификации железа в другую.

7

Г. В. Курдимов предсказал, а уже в следующем году вместе со своим сотрудником Л. Г. Хандросом (ныне доктором физико-математических наук) экспериментально наблюдал новый тип мартестиного превращения в алюминевой бронзе. В 1980 году это было признано открытым. Авторы открытия получили соответствующий диплом, а само явление — называние «эффект Курдимова». Суть его в следующем. При благоприятном сочетании определенных условий (в частности, нужно, чтобы разница объемов фаз была небольшой) превращение аустенита (A) в мартестит (M) приобретает особые черты. Оно становится, как выразился Г. В. Курдимов, «термоупругим». Этот термин отражает многие необъявные особенности такого мартестиного превращения. В частности, он поддерживает то обостоятьсяство, что если прекратить охлаждение, то превращение сразу прекратается на той стадии, на которой его застгла температура остановка, а если начать нагрева образец, то превращение вскоре начинает идти в обратную сторону. Это значит, что мартестит снова превращается в аустенит, все сдиговые смесения атомов идут в обратном направлении, а сами атомы возврашаются точно в свои исходные позиции, соответствующие решетке аустенита.

Рис. 4. Мартестиное превращение при охлаждения (a) и под действием нарастющей внешней силы (b).

В сплавах, испытывших термоупругое превращение, приложением внешнего напряжения можно вызвать повышение температуры мартестиного превращения, но главное — в этих сплавах наличие внешней нагрузки особенно резко меняет геометрическую картину превращения. Если напряжение приложено так, как показано на рисунке 4, б, то увеличивается доля кристаллов 1, в которых направление сдиговый атомов согласуется с направлением действия нагрузки, а доля кристаллов 2 уменьшается. В предельном случае при A → M-переходе реализуется только один вариант смесений атомов (рисунок 4, б), и мы получаем значительное обшую деформацию образца, которая соответствует относительной удилиению 10% и более.

По своей величины эта деформация намного превышает εмax упр объчных металлов, но она накапливается не за счет необратимых сдиговов, а за счет направленного превращения A → M. Внешняя сила упорядочивает смесения атомов при этом превращении. Если теперь вызывать обратное превращение M → A, то все эта огромная деформация исчезнет, так как атомы возврашаются в исходное положение, которое они за имали в решетке аустенита.

Получается, что пластина, изготовлена из такого сплава и согнутая в колюцо, помнит исходную плоскую форму, причем может достаточно долго хранить ее в своей памяти. Процесс «вспоминания» реализуется при нагреве, и теперь мы уже можем «вызывать к памяти» металла в то время и в той области, когда нам это потребуется.

В настоящее время известны сотни сплавов, проявляющих эффект Курдимова. Регулируя их состав, мы можем смещать интервал A → M → A-превращений по температурной шкале. Например, сделаем так, чтобы мартестиная точка Mₙ была немного ниже комнатной температуры, а Aₙ — температура начала обратного M → A-превращения при нагреве — немного выше. Тогда небольшие напряжения, приложенное при комнатной температуре, вызовет превращение A → M и значительное изменение

8

нене формы тела, а при нагреве на 50—100 °C оно вспомнит свою исходную форму. Можно «спустить» интервал превращений в глубокий холод. Тогда задавать новую форму нужно будет при низкой температуре, а вспомнить прежную форму металл будет в ходе отогрева до температуры окружающей среды. Интересно, что если мы будем превращовать возврашение сплава к его первоначальной форме, то в нем возникают очень высокие напряжения. Скажем, изогнуть стержень вызлизи $M_1$ можно грузом 10 Н, а при нагреве, стремясь выпрямиться, он может уже поднять груз 100 Н. Если мы подвесям «непосильный» груз, то мучительно вспомнить свою прежнюю форму, стержень иногда даже разрывается на части (самоубийство?!).

Как использует память металлов?

Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальным свойством заполнения форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Зд с перед конструкторами — широкое поле деятельности, усеянное прициппально новых инженерными решениями. Например, в космической технике с помощью этих сплавов эфективно решается традиционная проблема экономии места в корпле. Свернутьые или скрученные в компактную форму и уложенные в небольших низах космического корпала антенны, излучатели энергии и т. п. распрямляются после запуска аппарата на орбиту от действия солнечного теплла. Сплавы с памятью можно использовать для создания космического радиотелексана — компактный мотор тонкой проводки разворачивается при нагреве в круг диаметром около 2 км!

Конечно, запоминающим сплавам есть много применений и на Земле. Их способность поднимать грузы при нагреве открывает возможность создания двигателей пряного преобразования тела в механическую работу. Модели таких двигателей уже построены. Их КПД невелиок, но ведь для их работы можно использовать низкотемпературные источники теплла — солнечный энергию, тепловые отходы промышленных предприятий и т. п.

Это же свойство запоминающих сплавов нашло применение при создании соединения способом, заменяющим сварку, пайку и другие традиционные методы. Допустим, нам надо соединить две трубки для получения, скажем, топливопровода двигателя самолета. Берем втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутри диаметр которого на 4% меньше наружного диаметра соединения трехокок (рисунок 5). В жидком азоте (—196 °C) деформируем втулку так, что ее внутренний диаметр становится на 4% больше наружного диаметра трехокок. Теперь концы трехокок мы можем ввести втулки, которая, отгреваясь до комнатной температуры, вспоминает прежнюю форму, скжается и скжает концы трехокок, обеспечивая прочно герметичное соединение. Здесь используется совершенное с инженерной точки зрения особенно проявления памяти металла. Ведь все нормальные, то есть «забывающие», металлы при нагреве распряются во всех направлениях. А запоминающий сплав мы заставли при нагреве скжаться! Конечно, он скжается только по двум осям, а по третий — вдоль оси трехокок — растяивается, так как объем материалов в ходе $M \rightarrow A$-превращения меняется мало. Но в данном случае это

Рис. 5. Схема получения соединения с использованием муфты из сплава с памятью.

9

не мешает решению задачи; важно получить при нагреве уменьшение диаметра втулики, чтобы она сжала концы соединяемых трубок.

В авиации и кораблетроении уже установлены сотни тысяч таких соединений. Они показали высокую надежность и работают безотказно. А ведь надо учитывать, что технически это значительное процесс, чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения в труднооступных или пожаропасных местах и даже в таких экзотических условиях, когда сварка или пайка вообше невозможны, — например, на дне моря.

Запоминающие сплавы используются для создания разного рода автоматических терморегуляторов, сравнительных при необходимости превышении заранее заданного значения температуры.

Интересны возможности использования этих сплавов в медицинке. Их уже применяют при операциях, связанных со сравнительным костным переломов. Разработываются новые способы лечения такого zabолевия, как склоиз — искусление позвоночника. В организм большого оперативным путем вводят стержень, изогнутый так, что он повторяет неправильную форму позвоночника, и скреплют его с позвоночным столбом. Стержень помнит заранее заданную ему форму правильного позвоночника и начинает восстановить ее при необходимости (не опасном и безболезнением для человека) повышении температуры (рисунок 6). Врач может легко регулировать ход лечения.

Другой пример — фильтры для улавливания тромбов (густков крови) в сосудах. Слегака охлажденная прямая тонкая проводочка вводится в нужное место кровеносного сосуда и там, отогреваясь до температуры тела, принимает заданную ей причудливую-запутанную форму. Фильтр пропускает крови, но задерживает тромб (рисунок 7), который, добавшись до сердца или мозга, мог бы привести к смертельному исходу.

Начаты работы по созданию искусственного сердца с использованием тонких проводок из заполняющих сплавов. В медицинке, кроме памяти, используется еще и то obstructionство, что неоторные из заполняющих сплавов, в частности сплавник и титана — нитинол, имеют очень высокую коррозиюную стойкость и показали отличную совместимость с тканими живых организмов.

Нитинол не ржавец, он легок и достаточно прочен. Не исключаено, что в будущем из него будут, например, делать корпус автоматический. Такой автоматический, даже после серверного дорожного проискствия, восстанавливает форму кузова просто в результате легкого подогрева поврежденных мест.

Конечно, сейчас «автомобильный» прогноз выглядит, пожалуй, слищком смелым, так как заполняющие сплавы еще довольно дороги. Но ведь мы еще не знаем, чем нас завтра порядют геологии.