Сплав титана и никеля практически в равных пропорциях (45% и 55%) принято называть нитинолом или никелидом титана. Данному сплаву присущи такие свойства, как память первоначальной формы и сверхупругость.
Нитинол
Эффект памяти первоначальной формы нитинола выражается в способности при повышении температуры воздействия до порога фазового превращения восстанавливать деформированный профиль в исходное состояние, которое было придано нитинолу при определенной температуре.
Схема эффекта памяти
Сверхупругость проявляется во время перехода при нагревании из одного структурного внутреннего состояния в другое. При достижении значения фазового превращения сплав как пружина принимает первоначальный вид.
Нитинол свое название получил путем сложения названий материалов (Ni – никель и Ti – титан) и лаборатории, где он был впервые получен (nol — Naval Ordnance Laboratory). Это произошло это в 1959 году.
Содержание
- Свойства нитинола
- Эффект памяти
- Применение
- Вам также могут быть интересны статьи:
Свойства нитинола
Физические свойства:
- плотность нитинола – 6450 кг/м3;
- плавление при температуре – 1300°С;
- расширение при нагревании – 6,6·10-6;
- тепловая проводимость – 18 Вт/м·град.;
- упругость (модуль) – 40000 Па;
- сверхупругость – выше стали в 20 раз;
- сопротивление электротехническое – 76 Ом;
- пластичность – высокая.
Нитинол – сплав, обладающий такими технологическими свойствами, как:
- высокая коррозионностойкость;
- высокая прочность;
- запоминание исходного состояния;
- восстановление до исходного состояния до 1 000 000 раз;
- гашение вибраций;
- допустимая деформация – 8%;
- допустимое растяжение – до 12%;
- внутреннее напряжение при восстановлении – 800 МПа;
- предел прочности– 1000 МПа;
- демпфирование – выше чугуна.
Из-за своих свойств нитинол плохо обрабатывается в холодном состоянии. Высокое значение упругости увеличивает силу трения и вызывает повышенный износ при контакте сплава с валами прокатных станов или штампов. При обработке резанием требуются высокотвердые материалы. Низкая теплопроводность препятствует отводу тепла от заготовки.
Сплав нитинол хорошо поддается обработке абразивными материалами – шлифованием, а также электроэрозионной и термической обработке. Резка из листового материала производится абразивным или лазерным способом.
К термической обработке предъявляются особые требования по причине того, что за счет нее производится регулирование температурного диапазона внутренних фазовых изменений. За образование обогащенных никелем фаз отвечает температура и продолжительность выдержки. При снижении количества молекул никеля в матрице повышается температурный предел фазовых изменений.
Способы придания соответствующих качеств нитинолу сочетают в себе холодную и термическую виды обработки. Этим же способом производится регулирование основных свойств нитинола.
Характеристика основного назначения нитинола (восстановление первоначальной формы) подразделяется на следующие типы:
- Свободное восстановление. Измененная форма при низкой температуре восстанавливается при нагревании.
- Принудительное восстановление. Процессы, протекающие внутри сплава аналогичны первому типу, но восстановление происходит при его умышленном подавлении. При этом возникают значительные внутренние напряжения.
- Пружинные. При восстановлении изделия из нитинола происходит динамическое перемещение им другого предмета.
Эффект памяти нитинола Внешний вид сплава
Производство нитинола осложнено тем, что трудно выдержать необходимые пропорции материалов, а при плавлении титан легко взаимодействует с кислородом, углеродом и азотом. При взаимодействии молекулы титана покидают кристаллическую решетку, и снижается температурный предел фазовых изменений.
Для производства нитинола в настоящих условиях широко используются такие методы плавления как:
- вакуумно-дуговой;
- вакуумно-индукционный.
Плавка вакуумно-дуговым методом осуществляется в среде вакуума, за счет образования дуги при пропускании электрического тока через сырье и плиту. Тигелем служит медная форма, оснащенная водяным охлаждением, которая препятствует проникновению сторонних элементов в расплав.
Плавка вакуумно-индукционным методом осуществляется за счет изменения (индукции) электрических полей, при этом происходит нагрев сырья. Процесс протекает под вакуумом. Тигель для данного плавления изготавливается из чистого углерода, поэтому в сплаве содержание углерода повышено.
В лабораторных условиях не доказано преимущество одного метода плавки над другим.
Также применяются и другие методы плавки:
- плазменно-дуговая;
- электронно-лучевая;
- гарнисажная индукционная;
- термо-вакуумическое осаждение.
Эффект памяти
Эффект памяти формы нитинола стал возможен благодаря изменению кристаллической решетки во время полиморфного превращения из фазы аустенита в фазу мартенсита.
Схема фазовых изменений нитинола
Нагретый сплав имеет исходную фазу – аустенит. При понижении температуры сплава исходная фаза самопроизвольно переходит в дочернюю фазу – мартенсит. Процесс обратимый, поэтому при нагревании холодного нитинола фазовое превращение протекает в обратной последовательности. К тому же скорость превращения занимает доли секунды.
Температурные интервалы между началом и концом фазовых изменений выражены точками Ан, Ак для аустенита и Мн, Мк для мартенсита. Температурный диапазон составляет порядка 30°С.
Температурные интервалы
Обладают эффектом памяти формы и другие сплавы, созданные на основе нитинола. При введении в него химических элементов как Fe, Mn, Cr, V, Ko температурный диапазон мартенситного превращения опускается до значения -190°С. Напротив Zn, No, Ta увеличивают данное значение почти до 100°С.
Применение
Благодаря своим уникальным качествам нитинол получил практическое применение во многих сферах нашей жизни:
- Космическая и авиационная отрасли:
- антенны для искусственных спутников;
- плотные соединения (муфты), работающие в вакууме при низких температурах;
- соединения авиационных элементов;
- Системы безопасности:
- предохранители;
- тепловые датчики пожарной сигнализации;
- автоматическое открывание рам для теплиц;
- регулятор температуры;
- бойлеры;
- Роботизация (5 степеней подвижности одного узла);
- Автомобильная отрасль:
- датчик температуры охлаждающей жидкости;
- включение противотуманок;
- Нефтедобывающая отрасль (автоматизированное управление);
- Медицина:
- сетки;
- нити;
- костные импланты;
- штифты;
- фиксаторы;
- приспособления для реабилитации;
- Мода;
- Ювелирные украшения.
Самописцы в качестве привода используют нитинол. При подаче напряжения, когда изменяются контролируемые параметры, нитиноловая проволока нагревается. Происходит изменение длины проволоки, и перо с чернилами перемещается по диаграмме.
Источник: