Materiały z pamięcią kształtu
-
Upload
justyna-majek -
Category
Education
-
view
4.573 -
download
1
description
Transcript of Materiały z pamięcią kształtu
Materiały z pamięcią kształtu
Materiały z pamięcią kształtu
• Materiały z pamięcią kształtu (SMA) są unikatową grupą stopów metali, które zmienią kształt podgrzewając je do danej temperatury, a następnie powracają do kształtu wyjściowego, tego który został "zapamiętany". Czynnikami, które powodują zmianę kształtu mogą być zarówno temperatura, jaki i pole magnetyczne i odciążenie wcześniej obciążonego materiału.
Materiały z pamięcią kształtu
• Materiały te mają dwie fazy: fazę wysokotemperaturową (austenit) i niskotemperaturową (martenzyt). Ta druga występuje w dwóch formach: zbliźniaczonej i zbliźniaczonej zniekształconej. Energia, która wyzwala się przy odkształcaniu jest rzędu 106-107 J/m2. Odwracalna przemiana martenzytyczna jest zjawiskiem fizycznym powodującym zmianę kształtu.
Efekty pamięci kształtu• W stopach z pamięcią kształtu zachodzi
jednokierunkowy efekt pamięci kształtu. Polega on na tym, że materiał odkształcony w stanie martenzytycznym powraca po nagrzaniu do kształtu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej. Może również występować dwukierunkowy efekt pamięci kształtu, którego istotą jest przejście od kształtu nadanego w stanie martenzytycznym do kształtu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej jest odwracalne i odbywa się bez udziału naprężeń.
Przemiany
Rys. 1 Przemiana jednokierunkowa materiałów z pamięcią kształtu
Rys. 2 Przemiana dwukierunkowa materiałów z pamięcią kształtu
Psuedosprężystość
• Trzecim zjawiskiem, które może zachodzić w stopach z pamięcią kształtu jest psuedosprężystość- odkształcenia będą skutkiem przemiany martenzytycznej indukowanej naprężeniami. Czynnikiem powodującym zmianę kształtu jest zmiana temperatury. Powoduje to ograniczenie częstotliwość pracy tych materiałów do 102 Hz.
Materiały z pamięcią kształtu
• Podstawową cechą kształtującą własności materiałów z pamięcią kształtu jest przejście pomiędzy fazami austenitu i martenzytu pod wpływem ogrzania (ochłodzenia). Kluczowe efekty to: pseudoelastyczność i efekt pamięci kształtu.
Rys. 3 Fazy materiałów z pamięcią kształtu
Temperaturowa przemiana fazowa bez działania obciążenia
• Materiał przechodzi z fazy austenitu w zbliźniaczony martenzyt pod wpływem ochłodzenia (przy braku obciążenia), czego efektem jest niewidoczna, makroskopowa zmiana kształtu. Pod wpływem ogrzania, zachodzi odwrócenie poprzedniej przemiany i w efekcie dostaje się austenit.
Rys. 4 Temperaturowa przemiana fazowa bez działania obciążenia
Występują cztery progi temperatur: • temperatura rozpoczynająca przemianę
martenzytyczną M 0s , zachodzi w niej przemiana austenitu w martenzyt
• temperatura kończąca przemianę martenzytyczną M 0f , przy której transformacja jest kompletna i cały materiał jest w fazie martenzytu
• temperatura rozpoczynająca przemianę austenityczną (A 0s ), po przekroczeniu której zaczyna się transformacja odwrotna (austenit w martenzyt)
• temperatura kończąca przemianę austenityczną (A 0f ), przy której cały materiał występuje w fazie austenitu.
Efekt pamięci kształtu materiałów
• Jeśli do materiału będącego w fazie zbliźniaczonego martenzytu przyłoży się obciążenie (przy niskiej temperaturze), możliwa jest przemiana w martenzyt zbliźniaczony zniekształcony. Po ustąpieniu sił zewnętrznych materiał pozostaje zdeformowany. Jeśli w tym stanie materiał ogrzeje się do temperatury przekraczającej A 0f , nastąpi przemiana martenzytu w austenit, co będzie przyczyną przywrócenie poprzedniego, "macierzystego" kształtu.
Efekt pamięci kształtu materiałów
Rys. 5 Efekt pamięci kształtu materiałów
Temperaturowa przemiana fazowa przy przyłożonym obciążeniu
• Można również przeprowadzić transformację martenzytyczną, której skutkiem będzie faza struktury zbliźniaczonej zniekształconej. Jeśli obciążenie jest przyłożone gdy materiał znajduje się w fazie austenitu, przemiana fazowa zakończy się na martenzycie zbliźniaczonym zniekształconym. Kolejne ogrzanie materiału powoduje powrót do pierwotnego kształtu.
Temperaturowa przemiana fazowa przy przyłożonym obciążeniu
Rys. 6 Temperaturowa przemiana fazowa przy przyłożonym obciążeniu
Temperatury przemiany fazowej są uzależnione od wielkości przyłożonych sił zewnętrznych. Im większe obciążenie, tym większe wartości temperatur transformacji.
Stop niklu i tytanu
• Najpopularniejszym materiałem z pamięcią kształtu jest stop niklu i tytanu, który nazwano nitinolem. Stosuje się go w przemyśle jako drut, wchodzi w skład mechanizmu zabawek, wykorzystywany jest także jako napęd mikrorobotów. Największym zainteresowaniem cieszy się jednak w medycynie, a dokładniej w dentystyce i w chirurgii ortopedycznej dla zabezpieczenia ścięgien, wiązadeł oraz jako wszczepy do krwiobiegu.
Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w technice
• Do licznych technicznych zastosowań stopów z pamięcią kształtu należą czujniki przeciwpożarowe, systemy regulacyjne w grzejnikach wodnych, automatyczne systemy otwierania okien w szklarniach, układy tłumiące drgania i hałas, oprawki okularów, elementy robotów i silniki cieplne. Dzięki zastosowaniu stopów metali z pamięcią kształtu w budowie maszyn i urządzeń możliwe jest wprowadzenie nowych zasad konstrukcyjnych, a co za tym idzie miniaturyzacja produktów i obniżenie kosztów ich wytworzenia.
Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie
• Niektóre stopy metali z pamięcią kształtu mają zastosowanie w medycynie. Stopy Fe-Cr-Ni używane są na implanty w chirurgii przeznaczone do implantacji przez krótki okres czasu, a stopy Ti-Al przez długi czas. Stosowanie tych implantów wiąże się z odpowiednim doborem sposobu ich nagrzewania do temperatury odwrotnej przemiany.
Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie
• Zastosowania stopów z pamięcią kształtu to: klamry do osteosyntezy i leczenia złamanych żeber, igły do lokalizacji guzów piersi, napinacze, rdzenie drutów prowadzących, narzędzia chirurgiczne i adaptacyjne endoskopy o kształcie dostosowującym się do cech anatomicznych pacjenta podczas operacji lub badania. Implanty ze stopów metali z pamięcią kształtu umożliwiają prostsze i sprawniejsze przeprowadzenie operacji i są głównym czynnikiem podniesienia poziomu technicznego aparatury medycznej.
Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu
• Stopy z pamięcią kształtu mają również zastosowanie w astronautyce i lotnictwie, czego powodem jest duża możliwość adaptacji w warunkach, w których nie występuje grawitacja ziemska. Dlatego też materiały te nadają się na anteny samo rozkładające się. Można również zastosowań je do redukcji drgań i łączenia rur w statkach kosmicznych, zmiany geometrii skrzydeł samolotów i do włączania osłon baterii słonecznych.
Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu
• Materiały z pamięcią kształtu mają szerokie zastosowanie w przemyśle samochodowym. Można je użyć na zawory ciśnieniowe, podkłady tłumiące drgania mechaniczne i włączające systemy klimatyzacyjne lub chłodzące. Stopy z pamięcią kształtu można zastosować do hermetycznego zamykania klap pojemników na śmieci, do ściskania rdzeni transformatorów i na samo rozkładające się anteny przenośnych telefonów o wymaganej wysokości czujności na docierający sygnał.
Sprawdź swoją wiedzę
• file:///C:/Users/Justynka/Documents/My%20Quiz/Projects/Materia%C5%82y%20z%20pami%C4%99ci%C4%85%20kszta%C5%82tu/quiz.html