Сплавы с памятью формы (интеллектуальные материалы)I: S: Содержание углерода в чугуне… -: более 4,3% -: менее 2,14% -: от 0,8 до 2,14% +: более 2,14% I: S: Высокопрочный чугун маркируется буквами … +: ВЧ -: ВП -: ЧВ -: ЧВП I: S: Ледебурит в белых чугунах в температурном интервале (727-1147)°С представляет собой смесь … -: феррита и цементита -: перлита и феррита -: аустенита и перлита +: аустенита и цементита I: S: Структуру перлит+ледебурит+вторичный цементит при комнатной температуре имеет … серый чугун -: эвтектический белый чугун +: доэвтектический белый чугун -: заэвтектический белый чугун I: S: Форма графита в ковком чугуне … -: пластинчатая -: шаровидная -: вермикулярная +: хлопьевидная I: S: Сплав марки ВЧ60 представляет собой… -: высокопрочный чугун с минимальным значением временного сопротивления 60 МПа -: высокопрочный чугун, содержащий 6% углерода -: сталь высококачественную, содержащую 0,6% углерода +: высокопрочный чугун с минимальным значением временного сопротивления 600 МПа I: S: При модифицировании расплава магнием или церием образуется чугун… -: ковкий +: высокопрочный -: белый -: серый I: S: Ферритный серый чугун содержит ____% связанного углерода (т.е. в виде химического соединения). -: 4,3 -: 0,8 -: 2,14 +: 0 I: S: Модифицированием жидкого расплава магнием или церием получают _____ чугун. -: белый -: серый +: высокопрочный -: ковкий I: S: Белые чугуны – это сплавы, изображенные на фотоснимках...
-: втором и четвертом +: первом и втором -: третьем и четвертом -: первом и третьем I: S: Сплав марки СЧ25 представляет собой… -: серый чугун с минимальным относительным удлинением 25% +: серый чугун с минимальным значением предела прочности при растяжении 250 МПа -: серый чугун с содержанием углерода 2,5% -: сталь углеродистую, содержащую 0,25% углерода I: S: Структура доэвтектического белого чугуна при комнатной температуре состоит из… -: перлита и вторичного цементита -: перлита и феррита +: перлита, ледебурита и вторичного цементита -: ледебурита и вторичного цементита I: S: При модифицировании расплава магнием или церием образуется чугун… -: белый -: ковкий -: серый +: высокопрочный I: S: В чугуне марки СЧ 25 графитовые включения имеют форму…: -: шаровидную -: вермикулярную +: пластинчатую -: хлопьевидную I: S: Первые цифры в маркировке чугуна указывают значения … -: предела текучести +: временного сопротивления -: относительного удлинения -: содержания углерода в сотых долях процента I: S: Структура заэвтектического белого чугуна при комнатной температуре -… +: ледебурит и первичный цементит I: S: Структура перлитного ковкого чугуна при комнатной температуре – -: перлит, ледебурит и вторичный цементит +: перлит и графитовые включения хлопьевидной формы -: перлит и включения цементита глобулярной формы -: феррит и перлит I: S: Чугун марки КЧ 35-10 имеет _____________ форму графита. +: хлопьевидную -: произвольную -: пластинчатую -: шаровидную I: S: В чугуне марки КЧ 50-5 графитовые включения имеют форму…: -: пластинчатую -: вермикулярную -: хлопьевидную +: глобулярную I: S: Структура заэвтектического белого чугуна при комнатной температуре - … +: ледебурит и первичный цементит -: перлит и вторичный цементит -: перлит, ледебурит и вторичный цементит -: перлит и графит I: S: Отбеленный чугун – это чугун, в котором… +: наружный слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина – серого -: наружный слой имеет структуру серого чугуна, а сердцевина – белого -: весь углерод находится в виде цементита -: весь углерод находится в виде глобулярного графита I: S: Чугун с включениями графита пластинчатой формы, имеющий временное сопротивление не менее 240 Мпа, маркируется… +: СЧ24 -: КЧ 240 -: СЧ 240 -: ВЧ 24
Сплавы с памятью формы (интеллектуальные материалы)
Интеллектуальными материалами (smart materials) считают вещества, свойства которых меняются под воздействием внешних факторов и возвращаются к исходным после прекращения воздействия. Сплавы с памятью формы (СПФ) обладают кристаллической структурой и являются твердыми растворами различных металлов: Ni-Ti, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al, Fe-Mg-Si. Суть эффекта «памяти» заключается в упругом изменении формы, размеров при, например, повышении температуры и возвращении к прежней форме при охлаждении. Упругие изменения структуры и, следовательно, формы вызывают нагревание, механическое воздействие (давление), электрические и магнитные поля и т.п.
Рис. Элементарная моноклинная кристаллическая ячейка NiTi (нитинола).
Различают энергетическую и кинетическую упругость. Энергетическая упруго сть - это сопротивление внешним силам, направленным на преодоление сил связи между частицами. (Внешняя сила переходит в потенциальную энергию упруго деформированного тела.) Кинетическая упругость - это сопротивление внешним силам изменить внутреннюю структуру (угол связи, вид элементарной ячейки кристаллической решетки), адекватную существующим условиям (давлению, температуре,..).
Прямое и обратное изменения параметров СПФ происходят в два этапа. Вызванное внешними силами напряжение создает в первую очередь упругую деформацию длины связи (изменение постоянной (ребра) кристаллической решетки (КР) -). Затем происходит изменение углов КР, т.е. внутренней структуры и внешней формы материала. (Под давлением атом большего диаметра сжимается сильнее, что и приводит к перестройке структуры.) Деформация выражается не только в виде удлинения – укорочения, но в виде кручения, изгиба и т.п. После снятия внешнего воздействия сначала происходит снятие упругой деформации связи, а затем углов КР. Из-за различия крутизны изменений каждого из этапов в зависимости σ = f (ε) для СПФ наблюдается гистерезис. Результирующая упругая деформация (и ребер, и углов) СПФ существенно выше, чем у обычных материалов: 5, 8 и даже 30 % по сравнению с десятыми долями %.
Рис. Зависимость деформации от напряжения для СПФ.
Сплав Ni-Ti никелид титана (Nitinol, Flexinol) при комнатной температуре находится в адекватной к «нормальным условиям» мартенситной фазе со «сдвоенной (twinned)» моноклинной КР. Деформированием можно получить «несдвоенную» моноклинную КР. При этом внешняя форма образца станет моноклинной (призматической) – происходит раздвойникование.
При нагревании происходит фазовый переход к аустенитной кубической КР. В результате форма образца становится прямоугольной. Нагревание может производиться с помощью электрического тока. При охлаждении форма возвращается к моноклинной структуре. СПФ – это «двойникующий» кристалл. Петля гистерезиса показывает 2 фазовых перехода: мартенсит → аустенит и аустенит → мартенсит. Каждый из фазовых переходов включает 2 этапа одинаковой последовательности: сначала изменяются упругие длины связей, затем упругие углы связи. Если бы последовательность преобразований была бы иной: «длины» – «углы» при нагревании и «углы» - «длины» при охлаждении, - то траектория прямого и обратного фазовых переходов повторилась бы. Вместо петли была бы линия.
Рис. Структура мартенсита и аустенита.
Характеристические температуры (фазовых переходов аустенит – мартенсит и мартенсит – аустенит с учетом гистерезиса) для никелида титана 30 оС и 80 оС. Добавка 3% Fe снижает эти температуры до -170 оС и -70 оС, а добавка Au, Ag или Pd повышает рабочий интервал до 800 оС. Для нагревания может использоваться горячая вода, солнечная радиация, климатический и суточный перепад температур, тепло живого организма и т.п.
Эффект памяти формы используется - в виде проволоки – тяги для выдвижения антенны мобильного телефона, настройки сетчатой параболической космической антенны, в приводах транспортных средств (“beetle”), в приводе магнитного соединителя переконфигурирующейся подвижной структуры, многопроволочный блок лежит в основе дискретного управления мускулами (руки), - в виде пластины для управления закрылком крыла самолета вместо объемной и тяжелой конструкции электродвигателя и преобразователя вращательного движения в линейное, для вытяжения костей. - в виде пружины, изменяющие свой диаметр и число витков (термочувствительность СПФ пружины в 1500 – 2000 раз больше обычной пружины) в системах регулирования температуры, расхода теплоносителя, автоматического пожаротушения, как аккумулятор упругой энергии (аналогичной стальной пружине), как переменная индуктивность, как хирургический инструмент, разворачивающийся внутри организма, - в виде поверхности различной конфигурации для регулирования выхлопа сопла, в качестве саморазворачивающихся (трансформирующихся или аукзетичных) элементов космических антенн, телескопических систем, стержневых несущих конструкций (ферм), выдвигающихся от действия энергии солнечных батарей, для самовосстановления кузова автомобиля после аварии (после нагревания), - в виде объемного стержня в оперативно управляемых силовых приводах малогабаритных прессов (100 - мм стержень может развивать усилие до 1000 тонн).
На основе операционного усилителя можно построить регулятор предельного контроля с релейной характеристикой. Управляемым является конструктивный элемент (привод) из сплава с памятью формы (СПФ). Он помещается в цепь обратной связи (R2). При определенном токе в результате нагревания происходит фазовый переход «мартенсит – аустенит». В итоге конструктивный элемент из СПФ удлиняется, выполняя требуемую операцию, например, механически отключает источник напряжения.
Рис. Схема регулятора предельного контроля с конструктивным элементом (приводом) из СПФ.
Рис. Изгибающаяся СПФ проволочными тягами деталь.
Рис. Привод – тяга из СПФ (SMA) охлажден (cooled), что противодействует отталкиванию полюсов магнита, соединяющих две детали самонастраивающейся конструкции.
Рис. Привод – тяга из СПФ (SMA) нагрет, что не препятствует отталкиванию полюсов магнита, соединяющих две детали самонастраивающейся конструкции.
Рис. Пружина из СПФ для пружинного привода гриппера.
Рис. Управление тактильной поверхности консольными клавишами – дискретами из СПФ (SMA).
Мембрана (Diaphragm) из сплава «Нитинол» (NiTi) позволяет реализовать насос. Нагревание электрическим током стимулирует фазовый переход «мартенсит – аустенит», в результате которого мембрана сжимается и преодолевает нажим пружины (Bias Spring). В камере под мембраной давление падает, обеспечивая втягивание определенного объема жидкости или газа. При охлаждении материал мембраны совершает обратный переход «аустенит - мартенсит» и под действием пружины опускается, выталкивая часть объема жидкости или газа в другое отверстие. Для нагревания достаточно тока 0,5 А при напряжении 1 В.
Рис. Схема работы насоса с мембраной из СПФ (клапаны не показаны).
Консоль из сплава с памятью формы. Микрозеркала применяются в коммутаторах и модуляторах света беспроводных систем связи, в процессе проведения лазерных операций нанотехнологии. В коммуникационных системах удобно использовать консольный термопривод из сплава с памятью формы (СПФ). Микрозеркало выполняется из материала проводника для нагревания консоли, например, алюминия или серебра.
Рис. Микрозеркало, коммутируемое термоприводом из СПФ.
. Изменение температуры может инициировать фазовый переход, например, в сплавах с памятью формы (СПФ) это переход мартенсит - аустенит. Консоль из СПФ может быть использована как привод или выключатель с дистанционным управлением тепловым лучом.
Рис. Изменение конфигурации консоли из СПФ при охлаждении (cooling) и нагревании (heating).
Тепловая энергия способствует реализации эффекта «псевдоэластичности» для плотного соединения деталей без дополнительных материалов между ними. На первом этапе детали придают на 4% большие размеры при низкой температуре. Реализуется фазовый переход: сдвоенный мартенсит à несдвоенный мартенсит). Кинетической упругости недостаточно для приведения формы (внутренней структуры) к адекватной для существующих условий. В результате нагревания – дополнительной энергии - размеры уменьшаются до нормы. Реализуется фазовый переход: несдвоенный мартенсит à сдвоенный мартенсит. Это так называемый «псевдоупругий» (“pseudoelastic”) эффект. Сплавы с псевдоупругим эффектом применяются - в качестве соединителей металлических труб (SMA-fit), - для крепления разъемов и плат электронных модулей, - в качестве медицинских имплантантов для соединения мест переломов костей.
В медицине: Перчатки, применяемые в процессе реабилитации и предназначенные для реактивации групп активных мышц с функциональной недостаточностью. Могут быть использованы в межзапястных, локтевых, плечевых, голеностопных и коленных суставах. Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела. Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего они приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию. Зажимы для защемления слабых вен. Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током. Крепежные штифты, предназначенные для фиксации протезов на костях. Искусственное удлинительное приспособление для так называемых растущих протезов у детей. Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости). Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе. Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика. Оправа для очков. В нижней части, где стекла крепятся проволокой. Пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении. Оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании. Используется эффект сверхупругости. Ортопедические импланты. Проволока (ортодонтическая дуга) для исправления зубного ряда. Имплантаты дентальные (самофиксация расходящихся элементов в кости).
Фирма «Фокусу Боро», Япония использует никелид титана в приводных устройствах самописцев. Входной сигнал самописца преобразуется в электрический ток, которым нагревается проволока из никелида титана. За счет удлинения и сокращения проволоки приводится в движение перо самописца. С 1972 года изготовлено несколько миллионов таких узлов (данные на конец XX века). Так как механизм привода очень прост, поломки случаются крайне редко. Электронная кухонная плита конвекционного типа. Для переключения вентиляции при микроволновом нагреве и нагреве циркуляционным горячим воздухом используется датчик из никелида титана. Чувствительный клапан комнатного кондиционера. Регулирует направление ветра в продувочном отверстии кондиционера, предназначенного для охлаждения и отопления. Кофеварка. Определение температуры кипения, а также для включения-выключения клапанов и переключателей. Электромагнитный кухонный комбайн. Нагрев производится вихревыми токами, возникающими на дне кастрюли под действием магнитных силовых полей. Чтобы не обжечься, появляется сигнал, который приводится в действие элементом в виде катушки из никелида титана. Электронная сушилка-хранилище. Приводит в движение заслонки при регенерации обезвоживающего вещества. В начале 1985 года формозапоминающие сплавы, исползуемые для изготовления каркасов бюстгальтеров, стали с успехом завоевывать рынок. Металлический каркас в нижней части чашечек состоит из проволоки из никелида титана. Здесь используется свойство сверхупругости. При этом нет ощущения присутствия проволоки, впечатление мягкости и гибкости. При деформации (при стирке) легко восстанавливает форму. Сбыт — 1 млн штук в год. Это одно из первых практических применений материалов с памятью формы. Изготовление разнообразного зажимного инструмента. Герметизация корпусов микросхем. Высокая эффективность превращения работы в тепло при мартенситных превращениях (в никелиде титана) предполагает использование таких материалов не только как высокодемпфирующих, но и в качестве рабочего тела холодильников и тепловых насосов. Свойство сверхупругости используется для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии. Также используется «эффект памяти» в изготовлении ювелирных изделий. Например, украшение в виде цветка. При надевании его на шею на цепочке, лепестки цветка, прислоняясь к телу раскрываются, обнажая спрятанный внутри драгоценный камень.
СПФ - Тепловая сигнализация: Пожарная сигнализация. Противопожарные заслонки. Сигнальные устройства для ванн. Сетевой предохранитель (защита электрических цепей). Устройство автоматического открывания-закрывания окон в теплицах. Бойлерные баки тепловой регенерации. Пепельница с автоматическим стряхиванием пепла. Электронный контактор. Система для предотвращения выхлопа газов, содержащих пары топлива (в автомобилях). Устройство для удаления тепла из радиатора. Устройство для включения противотуманных фар. Регулятор температуры в инкубаторе. Ёмкость для мытья теплой водой. Регулирующие клапаны охлаждающих и нагревательных устройств, тепловых машин
|
