לפי החוכמה המקובלת, מתכות הן החומרים העמידים והעמידים ביותר. עם זאת, יש סגסוגות שיכולות לשחזר את צורתן לאחר דפורמציה מבלי להפעיל עומס חיצוני. הם גם מאופיינים בתכונות פיזיקליות ומכאניות ייחודיות אחרות המבדילות אותם מחומרים מבניים.
מהות התופעה
אפקט זיכרון הצורה של סגסוגות הוא שמתכת מעוותת מראש מתאוששת באופן ספונטני כתוצאה מחימום או פשוט לאחר פריקה. מאפיינים יוצאי דופן אלה הבחינו על ידי מדענים כבר בשנות החמישים. המאה ה -20 כבר אז, תופעה זו הייתה קשורה עם טרנספורמציות מרטנזיטיות בסריג הגביש, שבמהלכן יש תנועה מסודרת של אטומים.
מרטנסיט בחומרי זיכרון צורה הוא תרמו-אלסטי. מבנה זה מורכב מגבישים בצורת לוחות דקים, הנמתחים בשכבות החיצוניות, ונדחסים בשכבות הפנימיות. ה"נשאים" של דפורמציה הם גבולות בין-פאזיים, תאומים ואינטרגבישיים. לאחר חימום המעוותמסגסוגת, מופיעים מתחים פנימיים, מנסים להחזיר את המתכת לצורתה המקורית.
אופי ההתאוששות הספונטנית תלוי במנגנון החשיפה הקודמת ובתנאי הטמפרטורה שבהם היא המשיכה. המעניין ביותר הוא המחזוריות המרובה, שיכולה להסתכם בכמה מיליוני עיוותים.
למתכות וסגסוגות עם אפקט זיכרון צורה יש תכונה ייחודית נוספת - תלות לא ליניארית של המאפיינים הפיזיים והמכאניים של החומר בטמפרטורה.
זנים
התהליך שלמעלה יכול ללבוש מספר צורות:
- סופרפלסטיות (על-גמישות), שבה המבנה הגבישי של המתכת יכול לעמוד בעיוותים החורגים משמעותית מחוזק התנובה במצב רגיל;
- זיכרון צורה יחיד והפיך (במקרה האחרון, האפקט משוחזר שוב ושוב במהלך רכיבה תרמית);
- גמישות טרנספורמציה קדימה ואחורה (הצטברות של מתח במהלך קירור וחימום, בהתאמה, בעת מעבר דרך טרנספורמציה מרטנסיטית);
- זיכרון הפיך: בחימום, תחילה משחזר עיוות אחד, ולאחר מכן, עם עלייה נוספת בטמפרטורה, אחר;
- טרנספורמציה מכוונת (הצטברות של דפורמציות לאחר הסרת העומס);
- pseudoelasticity - התאוששות של עיוותים לא אלסטיים מערכים אלסטיים בטווח של 1-30%.
חזור למצב המקורי עבור מתכות עם האפקטזיכרון צורות יכול להיות כל כך אינטנסיבי עד שלא ניתן לדכא אותו על ידי כוח הקרוב לחוזק המתיחה.
חומרים
בין הסגסוגות בעלות תכונות כאלה, הנפוצות ביותר הן טיטניום-ניקל (49–57% Ni ו-38–50% Ti). יש להם ביצועים טובים:
- חוזק גבוה ועמידות בפני קורוזיה;
- גורם התאוששות משמעותי;
- ערך גדול של מתח פנימי בעת חזרה למצב ההתחלתי (עד 800 MPa);
- תאימות טובה למבנים ביולוגיים;
- בלימת רעידות יעילה.
בנוסף לטיטניום ניקליד (או ניטינול), נעשה שימוש גם בסגסוגות אחרות:
- two-component - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- שלושה רכיבים - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -סי ואחרים.
תוספי סגסוגת יכולים לשנות מאוד את טמפרטורת הטרנספורמציה המרטנסיטית, ולהשפיע על תכונות ההפחתה.
שימוש תעשייתי
יישום אפקט זיכרון הצורה מאפשר פתרון בעיות טכניות רבות:
- יצירת מכלולי צינורות הדומים בדומה לשיטת ההתלקחות (חיבורי אוגן, אטבים וצימודים להידוק עצמי);
- ייצור כלי הידוק, תפסנים, דוחפים;
- עיצוב"קפיצי על" ומצטברים של אנרגיה מכנית, מנועי צעד;
- יצירת חיבורים מחומרים לא דומים (מתכת-לא מתכת) או במקומות שקשה להגיע אליהם כאשר ריתוך או הלחמה הופכים בלתי אפשריים;
- ייצור של רכיבי חשמל לשימוש חוזר;
- איטום מארז של מיקרו-מעגלים, שקעים לחיבור שלהם;
- ייצור של בקרי טמפרטורה וחיישנים במכשירים שונים (אזעקות אש, נתיכים, שסתומי מנועי חום ועוד).
ליצירת מכשירים כאלה לתעשיית החלל (אנטנות פריסה עצמית ופאנלים סולאריים, מכשירים טלסקופיים, כלים לעבודות התקנה בחלל החיצון, כוננים למנגנונים סיבוביים - הגאים, תריסים, פתחים, מניפולטורים) יש סיכויים גדולים. היתרון שלהם הוא היעדר עומסי דחף המפריעים למיקום המרחבי במרחב.
יישום של סגסוגות זיכרון צורה ברפואה
במדעי החומרים הרפואיים, מתכות בעלות תכונות אלה משמשות לייצור מכשירים טכנולוגיים כגון:
- מנועי צעד למתיחת עצמות, יישור עמוד השדרה;
- מסננים לתחליפי דם;
- מכשירים לתיקון שברים;
- מכשירים אורטופדיים;
- מהדקים לוורידים ולעורקים;
- חלקי משאבה ללב או כליה מלאכותיים;
- סטנטים ואנדופרסטזות להשתלה בכלי דם;
- חוטים אורתודונטיים לתיקון השיניים.
חסרונות וסיכויים
למרות הפוטנציאל הרב שלה, לסגסוגות של זיכרון צורות יש חסרונות שמגבילים את האימוץ הנרחב שלהן:
- רכיבי כימיה יקרים;
- טכנולוגיית ייצור מסובכת, הצורך להשתמש בציוד ואקום (כדי למנוע הכללת זיהומי חנקן וחמצן);
- אי-יציבות פאזה;
- יכולת עיבוד נמוכה של מתכות;
- קשיים במודל מדויק של התנהגות מבנים וייצור סגסוגות עם מאפיינים רצויים;
- הזדקנות, עייפות והשפלה של סגסוגות.
כיוון מבטיח בפיתוח תחום טכנולוגיה זה הוא יצירת ציפויים ממתכות עם אפקט זיכרון צורה, כמו גם ייצור של סגסוגות כאלה על בסיס ברזל. מבנים מרוכבים יאפשרו שילוב תכונות של שני חומרים או יותר בפתרון טכני אחד.
