Según la sabiduría convencional, los metales son los materiales más duraderos y resistentes. Sin embargo, existen aleaciones que pueden recuperar su forma después de la deformación sin aplicar una carga externa. También se caracterizan por otras propiedades físicas y mecánicas únicas que los distinguen de los materiales estructurales.
Esencia del fenómeno
El efecto de memoria de forma de las aleaciones es que un metal predeformado se recupera espontáneamente como resultado del calentamiento o simplemente después de la descarga. Los científicos notaron estas propiedades inusuales ya en la década de 1950. siglo 20 Incluso entonces, este fenómeno estaba asociado con transformaciones martensíticas en la red cristalina, durante las cuales hay un movimiento ordenado de átomos.
La martensita en materiales con memoria de forma es termoelástica. Esta estructura consiste en cristales en forma de placas delgadas, que se estiran en las capas externas y se comprimen en las internas. Los "portadores" de deformación son los límites de interfase, macla e intercristalina. Después de calentar el deformadoaleación, aparecen tensiones internas, tratando de devolver el metal a su forma original.
La naturaleza de la recuperación espontánea depende del mecanismo de la exposición anterior y de las condiciones de temperatura en las que se produjo. De mayor interés es la ciclicidad múltiple, que puede ascender a varios millones de deformaciones.
Los metales y aleaciones con efecto de memoria de forma tienen otra propiedad única: una dependencia no lineal de las características físicas y mecánicas del material con la temperatura.
Variedades
El proceso anterior puede tomar varias formas:
- superplasticidad (superelasticidad), en la que la estructura cristalina del metal puede soportar deformaciones que superan significativamente el límite elástico en el estado normal;
- memoria de forma única y reversible (en este último caso, el efecto se reproduce repetidamente durante el ciclo térmico);
- ductilidad de transformación directa e inversa (acumulación de deformación durante el enfriamiento y el calentamiento, respectivamente, al pasar por una transformación martensítica);
- memoria reversible: cuando se calienta, primero se restablece una deformación y luego, con un nuevo aumento de temperatura, otra;
- transformación orientada (acumulación de deformaciones tras la eliminación de la carga);
- pseudoelasticidad - recuperación de deformaciones inelásticas a partir de valores elásticos en el rango de 1-30%.
Regresar al estado original de los metales con el efectola memoria de forma puede ser tan intensa que no puede ser suprimida por una fuerza cercana a la resistencia a la tracción.
Materiales
Entre las aleaciones con tales propiedades, las más comunes son el titanio-níquel (49–57 % Ni y 38–50 % Ti). Tienen buen rendimiento:
- alta resistencia y resistencia a la corrosión;
- factor de recuperación significativo;
- gran valor de tensión interna al volver al estado inicial (hasta 800 MPa);
- buena compatibilidad con estructuras biológicas;
- absorción efectiva de vibraciones.
Además del niqueluro de titanio (o nitinol), también se utilizan otras aleaciones:
- dos componentes: Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- tres componentes: Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si y demás.
Los aditivos de aleación pueden cambiar en gran medida la temperatura de transformación martensítica, afectando las propiedades de reducción.
Uso industrial
La aplicación del efecto memoria de forma permite resolver muchos problemas técnicos:
- creación de conjuntos de tubería hermética similar al método de abocardado (conexiones bridadas, clips autoajustables y acoplamientos);
- fabricación de herramientas de sujeción, pinzas, empujadores;
- diseño"supermuelles" y acumuladores de energía mecánica, motores paso a paso;
- crear uniones a partir de materiales diferentes (metal-no metal) o en lugares de difícil acceso cuando la soldadura se vuelve imposible;
- producción de elementos de potencia reutilizables;
- sellado de cajas de microcircuitos, enchufes para su conexión;
- producción de controladores y sensores de temperatura en diversos dispositivos (alarmas contra incendios, fusibles, válvulas de motores térmicos y otros).
La creación de tales dispositivos para la industria espacial (antenas y paneles solares autodesplegables, dispositivos telescópicos, herramientas para trabajos de instalación en el espacio exterior, accionamientos para mecanismos giratorios: timones, persianas, escotillas, manipuladores) tiene grandes perspectivas. Su ventaja es la ausencia de cargas de impulso que perturben la posición espacial en el espacio.
Aplicación de aleaciones con memoria de forma en medicina
En la ciencia de los materiales médicos, los metales con estas propiedades se utilizan para fabricar dispositivos tecnológicos como:
- motores paso a paso para estirar huesos, enderezar la columna;
- filtros para sustitutos de la sangre;
- dispositivos para reparar fracturas;
- aparatos ortopédicos;
- pinzas para venas y arterias;
- piezas de bomba para corazón o riñón artificial;
- stents y endoprótesis para implantación en vasos sanguíneos;
- alambres de ortodoncia para corregir la dentición.
Desventajas y perspectivas
A pesar de su gran potencial, las aleaciones con memoria de forma tienen desventajas que limitan su adopción generalizada:
- componentes químicos caros;
- tecnología de fabricación complicada, la necesidad de utilizar equipos de vacío (para evitar la inclusión de impurezas de nitrógeno y oxígeno);
- inestabilidad de fase;
- baja maquinabilidad de los metales;
- dificultades para modelar con precisión el comportamiento de estructuras y fabricar aleaciones con las características deseadas;
- envejecimiento, fatiga y degradación de las aleaciones.
Una dirección prometedora en el desarrollo de esta área de la tecnología es la creación de recubrimientos a partir de metales con efecto de memoria de forma, así como la fabricación de tales aleaciones a base de hierro. Las estructuras compuestas permitirán combinar las propiedades de dos o más materiales en una solución técnica.
