Tvarová pamäť kovových materiálov

 

Niekoľko zliatin kovových materiálov vykazuje zaujímavú vlastnosť. Dokážu si zapamatať tvar v ktorom boli vyrobené a po určitej deformácii sa spätne do pôvodného tvaru vrátiť. Nazývame to "jav tvarovej pamäti".

Jedná sa o zliatiny v ktorých môže prebehnúť spätná (reverzibilná) martenzitická premena. Pod pojmom martenzitická premena si môžete predstaviť niečo ako: vnútorná kryštalografická stavba materiálu sa dokáže za určitých podmienok zmeniť (obyčajne zmenou teploty, alebo vnesením vnútorného napätia) a tým môže materiál nadobudnúť iné vlastnosti (obyčajne je to zmena mechanických vlastností, elektrických a magnetických vlastností). S touto zmenou je spojená niekedy aj zmena rozmerov. Pre jav tvarovej pamäti je dôležitá reverzibilita takéhoto procesu. A preto aby ste si vedeli predstaviť pod týmto niečo konkrétne, sú tu tieto videá video1 a video2.

Na videách sa pravdepodobne jedná o zliatinu NiTi (nikel-titán). Ďalšie zliatiny ktoré sa vyznačujú touto vlastnosťou sú AuCu, CuZn, TiNb atď. Je náročné tento proces ilustrovať, ale v zjednodušenom modely by to vyzeralo asi ako na nasledujúcom obrázku (Obrázok 1).

Obrázok 1 Ilustrácia javu tvarovej pamäti kovových materiálov

Je však dôležité si vysvetliť, čo je na obrázku. Materiál mení svoju štruktúru zmenou teploty a napätia (preto sú na osiach Teplota a Napätie). Základným krokom pri týchto materiáloch je pri výrobe dostať v materiáli vhodnú štruktúru. Touto štruktúrou je tzv. dvojčaťový martenzit (na obrázku Twinned martensite). Tento dostávame rýchlym zachladením materiálu z tzv. austenitizačnej teploty, kedy sa štruktúra materiálu nazýva austenit (Austenite). Po deformáci (zaťažení - Loading) vznikne z dvojčaťového martenzitu tzv. deformovaný martenzit (Deformed martensite) (to je vtedy, keď súčiastku zdeformujeme - natiahnutie strunky vo videu). Tento deformovaný martenzit však vieme ohriatím dostať pri materiáloch s reverzibilnou martenzitickou premenou naspäť do oblasti austenitu. Samozrejme, že toto je jednoduchá verzia procesu.

Tento jav sa využíva v bežnej praxi v niekoľkých aplikáciách. Napríklad v kozmonautike, automobilovom priemysle, ako bezpečnostné prvky (obrázok 2) atď. Budúcnosť patrí práve takýmto "inteligentným materiálom". Predstavte si, že po deformácii plechov auta dokážete doma v garáži "vyžehliť" narazenú časť. Je to však naozaj iba taká nereálna predstava, momentálne nestačia ani naše materiály a ani vedomosti na zložitejšiu aplikáciu. Zatiaľ sa musíme uspokojiť s jednoduchšími aplikáciami (v bežnej praxi).

Obrázok 2 Komerčné využitie materiálu s tvarovou pamäťou

 

Doplňujúce informácie:

video

stránka 1

stránka 2

Doplnením tohoto článku je článok  Termoelastická martenzitická premena.

 

Komentáre

Komentár ku téme: Tvarová pamäť kovových materiálov

Dobrý deň,

Môj komentár bude trošku dlhší pretože ma zarazilo množstvo chybných alebo nedostatočných údajov o pamäťovom efekte. Svoje pripomienky som zostavil do odsekov, tak ako ich rozdelil pán Oslanec.

Tá reverzibilná martenzitická premena, ktoré prebieha v materiáloch s pamäťovým efektom sa nazýva termoelastická martenzitická premena a od bežnej martenzitickej transformácie známej napríklad z ocelí sa líši v zásadných, a dosť dôležitých dôležitých detailoch. Vo všeobecnosti však martenzitická premena, či už termoelastická alebo netermoelastická je mimoriadne zložitá fázová transformácia, ktorej podstatné detaily nie sú dodnes dostatočne objasnené. A vysvetlenie martenzitickej premeny ako obyčajnej zmeny kryštálovej štruktúry zliatiny je nie len extrémne zjednodušujúce, ale navyše sa mi zdá, že nemá žiadnu výpovednú hodnotu. V súvislosti s pamäťovým efektom ma zarazila zmienka o tom, že niekedy je s martenzitickou premenou spojená makroskopická tvarová deformácia vzorky. Tvarová a objemová zmena vzorky je pozorovaná iba v prípade netermoelastickej martenzitickej premeny, čo nie je prípad zliatin s tvarovou pamäťou. Samotná spomínaná reverzibilita procesu je podmienená niekoľkými zásadnými podmienkami, ktoré musí zliatina bezpodmienečne spĺňať.

Priložený obrázok, ktorý má vysvetľovať proces pamäťového efektu je absolútne nevhodný a neplatí pre všetky zliatiny s pamäťovým efektom. Oveľa výstižnejšie by bolo uviesť schému vzniku variantov martenzitu pozdĺž vybraných klasterových rovín austenitu, následnej koagulácie variantov martenzitu v rámci jednotlivých samoakomodačných grúp a napokon koaguláciu týchto zostávajúcich variantov na jeden výsledný. Rovnako by sa žiadalo vysvetliť, že rozhodujúci vplyv na pamäťový efekt majú podľa posledných výskumov niektoré vlastnosti rozhraní medzi variantmi (typy A/B, A/C a A/D – v prípade štvorpočetnej grupy) v rámci jednotlivých samoakomodačných grúp.

Nesúhlasím ani s uvedenou poznámkou, že pri pamäťovom efekte materiál mení svoju mikroštruktúru zmenou teploty a napätia. Pri klasickom jave tvarovej pamäti mení materiál svoju mikroštruktúru výlučne pôsobením tepla. Pamäťový efekt spôsobovaný zmenou mechanického napätia patrí do kategórie pseudoelastických javov (ktorými sú superelasticita a gumový efekt), ktoré sú len sprievodnými javmi klasického pamäťového efektu. Neúplnosť je aj vo vete o vhodnej, teda východzej, štruktúre martenzitu. Tá nemusí byť vôbec dvojčaťová (tzv. Twinned martensite). Máme aj druhú skupiny pamäťových martenzitov, ktorou je typ tzv. Internally faulted martensite, teda martenzitu s vnútornými chybami vrstvenia. Veľmi ťažko sa znáša aj veta, že „Tento deformovaný martenzit však vieme ohriatím dostať pri materiáloch s reverzibilnou martenzitickou premenou naspäť do oblasti austenitu“. To predsa nie je výsadou materiálov s pamäťovým efektom. Toho je schopný každý materiál. Tu sa žiadalo napísať, že napr. v porovnaní s oceľami, kde prebieha netermoelastická martenzitická premena, v materiáloch s pamäťovým efektom martenzit netransformuje na austenit cestou rozpadu na iné fázy, ale prebieha spätná premena koalescencie jednotlivých variantov martenzitu.

Miernu kritiku si zaslúži aj posledný odsek, podľa ktorého sa pamäťové materiály využívajú v niekoľkých praktických aplikáciách. Tých aplikácii je v skutočnosti veľké množstvo. Často ani samotní materiálový inžinieri netušia kde všade sa tieto materiály používajú aj v úplne bežných aplikáciách. V súvislosti s pamäťovým efektom bolo podaných vo svete už viac než 10 000 patentov na rôzne zariadenia, ktoré využívajú funkčné komponenty práve z týchto zliatin. Uvedený príklad s „vyžehlením“ pokrčených plechov na aute je skutočne vzdialený realite, pretože pamäťové zliatiny vedia obnoviť len istý stupeň deformácie (najlepší je v tomto smere Nitinol, ktorý dokáže vrátiť až 10%-nú deformáciu), a aj to musia byť tieto deformácie pre dosiahnutie maximálneho pamäťového efektu realizované vo vhodných kryštalografických smeroch. Tiež sa nedá súhlasiť, že súčasné vedomosti nestačia na zložitejšiu aplikáciu. Myslím, že súčasný stav vedomostí o tomto jave je za posledné obdobie dosť dobrý. Preto vieme použiť takého materiály aj napr. na ovládanie slotov na krídlach známeho amerického bombardéra B2. Veľmi populárne je aj spájanie rúr pomocou prstencov s pamäťovým efektom. Roky sa už používajú požiarne hlásiče a spúšťače hasiacej vody. Rozsiahle využitie majú tieto materiály v robotike, automobilizme, leteckom a vesmírnom priemysle, v umení, v stavebníctve, v doplnkoch do domácností, atď...

Ak už je to stránka robená pre materiálových inžinierov, tak by sa mi zdalo namieste vysvetliť skutočnú podstatu pamäťového efektu, bez zbytočne zavádzajúcich a nepresných údajov.

S pozdravom

Ing. Vladimír Girman, PhD
Ústav fyzikálnych vied
Univerzita P. J. Šafárika
Košice

dakujeme za komentar

Na uvod vam naozaj velmi dakujem za odpoved. Velmi ma tesi, ze sa konecne ku strankam zacinaju dostavat aj odbornici. Co dodat k vasej odpovedi? State of the art v teorii a aj praxi je mimo moznosti tohoto portalu. Velmi rad sa s Vami skontaktujem inou formou (v mojom profile je ICQ cislo, ak ho nepouzivate tak ma mozete kontaktovat na emaile projektmaterialing(zavinac)gmail(bodka)com) a ak budete mat zaujem upravim clanok tak aby vychadzal zo skutocnosti, ale samozrejme iba s Vasou pomocou. Dakujem.

Poslať nový komentár

Nepovinné. Obsah tohto poľa je súkromný a nebude verejne zobrazený.