Zjawisko pamięci kształtu zostało odkryte w latach 30. ubiegłego wieku i doczekało się wielu zastosowań praktycznych. Głównym powodem szybkiego wzrostu zainteresowania tym efektem było odkrycie w 1962 roku stopu niklu oraz tytanu istniejącego dzisiaj pod handlową nazwą jako nitinol.

Stopy wykazujące pamięć kształtu mają zdolność do zapamiętywania oraz odzyskiwania swojej pierwotnej postaci. Jednocześnie metale te mogą być poddawane dużym odkształceniom dochodzącym do 8% co wyróżnia je wśród materiałów metalicznych. Zjawisko to jest spowodowane występowaniem termosprężystej przemiany martenzytycznej, która sprawia, że proces odkształcania następuje poprzez bliźniakowanie kryształów martenzytu. W tradycyjnych stopach odbywa się to poprzez mechanizm poślizgowy.

Efekt pamięci kształtu jest związany z odwracalną przemianą martenzytyczną. Aby wyjaśnić jego mechanizm, można posłużyć się schematami przedstawionymi na ilustracjach 2 i 3. Osiowe naprężenie przyłożone do materiału z pamięcią kształtu powoduje jego odkształcenie sprężyste. Przy pewnej granicznej wartości naprężenia następuje proces bliźniakowania siatki krystalicznej martenzytu [1]. Podczas tego procesu naprężenie pozostaje praktycznie stałe. Proces ten trwa do czasu, gdy struktura martenzytu nie zostanie w pełni zbliźniakowana. Dalszy wzrost naprężeń powoduje odkształcenie sprężyste tej struktury [2]. Podczas odciążania próbki poddanej naprężeniu w materiale pozostaje odkształcenie szczątkowe, jednakże podwyższenie temperatury powyżej wartości Af [3] powoduje transformacje siatki krystalicznej materiału z martenzytu do austenitu. Podczas tego procesu następuje przywrócenie początkowego kształtu próbki [4]. Kształt ten nie ulega zmianie podczas ponownego przejścia do temperatury położonej poniżej wartości Ms. Proces ten może być powtarzany wielokrotnie bez większych skutków ubocznych związanych ze zmęczeniem materiałowym.

Zjawisko pseudosprężystości

Efekt pseudosprężystości jest przemianą izotermiczną występującą powyżej temperatury Af stopu. Przedstawienie tego zjawiska zostało pokazane na ilustracjach 4 i 5. Gdy do próbki zostaje przyłożona siła [1], której wartość wywołuje pewne naprężenie, materiał odkształca się sprężyście. Powyżej pewnej wartości granicznej tego naprężenia zachodzi przemiana ze struktury austenitycznej do struktury martenzytu zbliźniakowanego [2]. Podczas tego procesu naprężenie nie zmienia swojej wartości. Przemiana ta trwa tak długo, aż cała sieć krystaliczna austenitu zostanie przemieniona w martenzyt. Dalszy wzrost naprężenia powoduje odkształcenie sprężyste kryształów martenzytu [3]. Odciążanie próbki powoduje przemianę odwrotną, zachodzącą dla mniejszej wartości naprężenia granicznego [4]. Prowadzi to do powstania zjawiska histerezy. Jeśli temperatura przemiany jest większa od temperatury stopu Af , to cała energia odkształcenia zostaje odzyskana bez pozostawiania w materiale odkształceń szczątkowych. Natomiast gdy temperatura stopu znajduje się w przedziale od Ms do Af to występuje częściowy efekt pseudosprężystości, który charakteryzuje się pozostawieniem odkształceń resztkowych. Odkształcenia te można zlikwidować poprzez podgrzanie stopu powyżej temperatury Af.

Zastosowanie przemysłowe oraz medyczne

Nitinol jest stopem, który wyróżnia się bardzo dobrą biokompatybilnością. Z tego też powodu wykonywane są z niego narzędzia oraz implanty mające zastosowanie w medycynie. Najbardziej znanym przykładem są różnego rodzaju stenty umieszczane wewnątrz naczyń krwionośnych w celu przywrócenia ich drożności.

Wśród wielu aplikacji przemysłowych stopów SMA najbardziej znana jest możliwości wykonywania siłowników o różnych kształtach geometrycznych aktywowanych zewnętrznym źródłem ciepła lub poprzez ogrzewanie oporowe prądem elektrycznym. Siłowniki wykonane w tej technologii, mimo niewielkiej sprawności rzędu 1%, doskonale nadają się do pracy w środowiskach ekstremalnych (wysokie temperatury, środowiska korozyjne) a także w miejscach ograniczonych wymiarami geometrycznymi. Mogą pełnić rolę substytutu dla konwencjonalnych bimetali, dodatkowo wprowadzając nowe funkcjonalności.

Najczęściej są one wykonywane w formie sprężyn śrubowych, spiralnych a także o dowolnych kształtach geometrycznych w zależności od wymagań technicznych. Szczególnym przypadkiem są siłowniki wykonane ze stopu o handlowej nazwie Flexinol [3], gdzie poprzez aktywacje temperaturową następuje ich skrócenie ich pierwotnej długości o około 4%.

Innym sposobem wykorzystania wyjątkowych cech tych stopów są zasobniki energii sprężystości. Dzięki zjawisku pseudosprężystości można konstruować sprężyny napędowe o wyśrubowanych parametrach mechanicznych.

Literatura:

[1] Schwartz M.: Encyclopedia of smart materials, John Wiley & Sons, Inc. New York 2002
[2] http://www.opti-med.de/
[3] http://www.dynalloy.com/
[4] http://intmat.pl/

Źródło: Magazyn Przemysłowy