Эффекты. Эффект запоминания формы

Эффект запоминания формы

Эффект запоминания формы и мини-энергетика, основанная на этом эффекте.

ЭЗФ — эффект запоминания формы — физическое явление, впервые обнаруженное советскими учеными — академиком Г. В. Курдюмовым и Л. Г. Хондросом в 1949 г. Эффект запоминания формы наблюдается в особых сплавах и заключается в том, что детали из них восстанавливают после деформации свою начальную форму при тепловом воздействии. Например, если пластинку из сплава нитинол согнуть в холодном состоянии в дугу, то она будет сохранять эту форму сколь угодно долго. Но достаточно согнутую пластинку немного подогреть — она тут же выпрямится, как хорошая пружина. При нагревании пластина из нитинола возвращается к своей первоначальной форме, которая была ей придана при изготовлении, точнее — при закалке (отжиге).

Широкую известность получил опыт с несматывающейся проволокой: тонкую длинную проволоку из нитинола нельзя свить в моток, она тут же разматывается. Когда изделие из нитинола возвращается к первоначальной форме, при этом развивается достаточно большое усилие: до 55 т на каждый квадратный дюйм сечения детали.

Можно сказать и так: эффект памяти формы заключается в способности особых сплавов накапливать под воздействием внешнего механического напряжения довольно значительную деформацию, обратимую при нагреве. В зависимости от типа сплава деформация может достигать 10—15 % и выше. Парадокс заключается в том, что при восстановлении первоначальной формы может совершаться работа, значительно превосходящая ту, которая была затрачена на деформацию в холодном состоянии. Однако парадокс этот кажущийся. Противоречия закону сохранения энергии здесь нет. Для восстановления первоначальной формы деталь необходимо подогреть, т. е. затратить некоторое количество тепловой энергии. И оно всегда будет больше произведенной работы. Если создать тепловую машину, где в качестве рабочего тела будет применяться сплав, обладающий эффектом запоминания формы, то КПД такой машины, как и всякой другой, будет меньше единицы. По этому поводу физик Э. Раушер заметил, что в законах термодинамики нет никаких ошибок, просто они не объясняют того, что происходит в нитиноле.

Физика эффекта запоминания формы основана на фазовых превращениях в особых сплавах. Мы говорили о нитиноле. Но есть и другие подобные сплавы, правда, нитинол — лучший из них. Он представляет собой соединение никеля с титаном, известное также под названием моно- никелида титана. Его химическая формула TiNi. В этом соединении наиболее ярко проявляется способность запоминания формы, что непосредственно связано с особенностями изменения строения кристаллической решетки этого сплава при фазовых переходах.

Кристаллическая решетка нитинола может находиться в одной из двух форм: либо в виде объемно-центрированного куба (ОЦК), такое состояние решетки называется аустенитной формой; либо в виде ромбовидной структуры с центрированными гранями (РГЦ) — мартенситная форма. Переход объемно-центрированного куба в гранецентрированный ромб называется прямым мартенситным превращением, а переход структуры РГЦ в структуру ОЦК — обратным мартенситным превращением. На превращениях этих двух различных кристаллических структур и основано явление эффекта запоминания формы. Его называют также термоупругим мартенситным превращением, или переходом мартенсит—аустенит и обратно.

Читать еще:  Волшебные моменты — новая уютная новогодняя коллекция от HM Home

Схема фазовых превращений в нитиноле при изменениях температуры . Количество мартенсита в нитиноле в зависимости от температуры. Проследим за поведением пластинки из нитинола.

Пусть нитиноловая пластинка первоначально находится при температуре, обозначенной точкой М„ которая соответствует температуре начала прямого мартенситного превращения. При дальнейшем охлаждении пластинки количество мартенсита будет возрастать до точки Ag, т. е. температуры конца прямого мартенситного превращения. Это самая холодная точка, здесь нитиноловая пластинка легко сгибается в дугу.

Дальше следует процесс нагрева, приводящий к обратному мартенситному превращению, т. е. к образованию аустенита. Начало этого процесса отмечено точкой Ад. По достижении пластинкой температуры, соответствующей этой точке, количество мартенсита в ней начинает резко падать. Процесс уменьшения количества мартенсита идет с повышением температуры по наклонной прямой Ад—Ад. На этом участке фазовой диаграммы происходит распрямление пластинки. Скорость выпрямле- ния зависит от быстроты нагрева. Точка А, соответствует температуре конца обратного мартенситного превращения.

Температура начала обратного мартенситного превращения (точка Ад) ниже температуры начала прямого мартенситного превращения (точка Ag) при охлаждении. Это важное обстоятельство связано с наличием деформации, т. е. изгибом пластинки. Накопленная в пластинке из нитинола энергия деформации за счет изгиба действует в том же направлении, что и нагрев. Поэтому обратной превращение начинается при более низкой температуре. Этому содействует упругая энергия в изогнутой пластинке, не проявлявшаяся до достижения пластинкой температуры, соответствующей точке Ад. В этом заключается существенная термодинамическая особенность сплавов с ЭЗФ.

Некоторые эффекты и законы памяти

Между точностью воспроизведения событий и уверенностью в этой точности не всегда существует однозначная связь. Человек может объективно правильно воспроизводить события, но не сознавать этого, и наоборот.

  • 5. Закон осмысления: чем глубже осмысление запоминаемого, тем лучше оно сохраняется в памяти. Самый лучший способ запомнить — научиться должным образом организовывать информацию в момент запоминания. Смысловую организацию материала обеспечивают такие мыслительные процессы, как анализ, синтез, систематизация и обобщение. В памяти запечатлеваются не столько сами слова и предположения, составляющие текст, сколько содержащиеся в них мысли. Они же первыми приходят в голову, когда нужно вспомнить содержание текста. Следует шире использовать опорные слова, схемы, диаграммы и таблицы.
  • 6. Закон интереса интересное легко запоминается, потому что мы не тратим на это усилий. Отсюда следует, что запоминание нужно делать интересным. Основа формирования интереса — цель. Если мы знаем, что информация понадобится для будущей работы, то ее освоение будет более продуктивным.
  • 7. Закон установки. Он может быть представлен в двух аспектах. Установка на запоминание по времени: запоминание лучше происходит в том случае, если человек ставит перед собой задачу запомнить «всерьез и надолго».

Если данная установка рассчитана на запоминание и хранение информации в течение определенного срока, что бывает при использовании оперативной памяти, то именно к этому сроку срабатывают механизмы памяти. Если у студента имеется установка на запоминание материала лишь к очередной сессии, то знания после экзаменов легко забываются.

  • 8. Закон усиления первоначального впечатления — чем ярче первое впечатление от запоминаемого, тем прочнее само запоминание. Первоначальное впечатление можно усилить рационально и эмоционально. При рациональном усилении нужно стараться направить информацию по нескольким каналам: записать, нарисовать, проговорить, пропеть. Очень полезно с кем-нибудь обсудить информацию (особенно с лицом, придерживающимся противоположной точки зрения). При эмоциональном усилении следует постараться вызвать максимум эмоций, которые связаны с запоминаемой информацией.
  • 9. Закон контекста информация легче запоминается и воспроизводится, если ее соотносить с другими одновременными впечатлениями. Контекст, в котором происходит то или иное событие, иногда оказывается более важным для запоминания, чем само это событие. Сходная информация хранится в нашей памяти где-то рядом. Ассоциации помогут вспомнить необходимое.
  • 10. Закон объема знаний. Чем больше знаний по определенной теме, тем лучше запоминается новое. По этой причине так трудно бывает «войти» в ранее неизвестную дисциплину, тему. Перед чтением следует вспомнить все, что уже известно по изучаемой проблеме, «приподнять» знания, полистать справочники.
  • 11. Закон оптимальной длины запоминаемого ряда: чем больше по длине предъявляемый ряд информации превышает объем кратковременной памяти, тем хуже он запоминается. Если человеку предстоит запомнить два разных по длине ряда слов, в одном из которых 10, а в другом 30 слов, то, естественно, первый он запомнит лучше.
  • 12. Закон торможения. Всякое последующее запоминание тормозит предыдущее. Отсюда ясно: лучший способ забыть только что заученное — сразу вслед за этим постараться запомнить сходный материал. Именно поэтому нельзя учить физику после математики, литературу после истории. Любая информация, чтобы быть запомненной, должна «отстояться».
Читать еще:  О супружеском воздержании. Человек может покидать свое тело по желанию

Эффекты памяти формы: материалы и механизм действия. Возможности применения

Согласно общепринятому мнению, металлы – наиболее прочные и устойчивые материалы. Однако существуют такие сплавы, которые могут после деформации восстанавливать свою форму без приложения внешней нагрузки. Для них характерны и другие уникальные физико-механические свойства, выделяющие их среди конструкционных материалов.

Сущность явления

Эффект памяти формы у сплавов заключается в том, что предварительно деформированный металл самопроизвольно восстанавливается в результате нагрева или просто после снятия нагрузки. Эти необычные свойства были замечены учеными еще в 50-е гг. XX в. Уже тогда данное явление было связано с мартенситными превращениями в кристаллической решетке, при которых происходит упорядоченное перемещение атомов.

Мартенсит в материалах с эффектом памяти формы является термоупругим. Эта структура состоит из кристаллов в виде тонких пластин, которые вытягиваются в наружных слоях, а во внутренних – сжимаются. «Носителями» деформации являются межфазные, двойниковые и межкристаллитные границы. После нагрева деформированного сплава появляются внутренние напряжения, пытающиеся вернуть металл в начальную форму.

Характер самопроизвольного восстановления зависит от механизма предшествующего воздействия и температурных условий, при которых оно протекало. Наибольший интерес представляет собой многократная цикличность, которая может составлять несколько миллионов деформаций.

Металлы и сплавы с эффектом памяти формы обладают и другим уникальным свойством – нелинейной зависимостью физических и механических характеристик материала от температуры.

Разновидности

Вышеописанный процесс может проявляться в нескольких формах:

  • сверхпластичность (сверхупругость), при которой кристаллическая структура металла выдерживает деформации, значительно превышающие предел текучести в обычном состоянии;
  • однократная и обратимая память формы (в последнем случае эффект неоднократно воспроизводится при термоциклировании);
  • пластичность прямого и обратного превращения (накопление деформации во время охлаждения и нагрева, соответственно, при прохождении через мартенситное превращение);
  • реверсивная память: при нагревании сначала происходит восстановление одной деформации, а затем, при дальнейшем увеличении температуры, – другой;
  • ориентированное превращение (накопление деформаций после устранения нагрузки);
  • псевдоупругость – восстановление неупругих деформаций от значений упругих в диапазоне 1-30 %.
Читать еще:  Мод умных жителей для pc. Helpful Villagers — мод на умных жителей

Возврат к исходному состоянию у металлов с эффектом памяти формы может происходить настолько интенсивно, что его не удается подавить усилием, близким к пределу прочности.

Среди сплавов, обладающих такими свойствами, наиболее распространены титано-никелевые (49– 57 % Ni и 38–50 % Ti). Они обладают хорошими эксплуатационными характеристиками:

  • высокая прочность и сопротивляемость к разрушению коррозией;
  • значительный коэффициент восстановления формы;
  • большое значение внутреннего напряжения при возврате в начальное состояние (до 800 МПа);
  • хорошая совместимость с биологическими структурами;
  • эффективное поглощение вибраций.

Кроме никелида титана (или нитинола) применяются и другие сплавы:

  • двухкомпонентные – Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
  • трехкомпонентные – Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn-Si и другие.

Легирующие добавки могут сильно смещать температуру мартенситных превращений, влияя на свойства восстановления.

Использование в промышленности

Применение эффекта памяти формы позволяет решать многие технические задачи:

  • создание герметичных трубных узлов аналогично методу развальцовки (фланцевые соединения, самозатягивающиеся обоймы и муфты);
  • изготовление зажимных инструментов, захватов, толкателей;
  • проектирование «суперпружин» и аккумуляторов механической энергии, шаговых двигателей;
  • создание соединений из разнородных материалов (металл-неметалл) или в труднодоступных местах, когда применение сварки или пайки становится невозможным;
  • изготовление силовых элементов многоразового действия;
  • корпусная герметизация микросхем, гнезда для их присоединения;
  • производство регуляторов и датчиков температуры в различных приборах (пожарная сигнализация, предохранители, клапаны тепловых машин и другие).

Большие перспективы имеет создание подобных аппаратов для космической промышленности (саморазворачивающиеся антенны и солнечные батареи, телескопические устройства, инструмент для монтажных работ в открытом космосе, приводы поворотных механизмов – рулей, заслонок, люков, манипуляторов). Их преимуществом является отсутствие импульсных нагрузок, которые вносят нарушения в пространственное положение в космосе.

Применение сплавов с эффектом памяти формы в медицине

В медицинском материаловедении металлы с данными свойствами используются для изготовления таких технологических устройств, как:

  • шаговые двигатели для вытяжения костей, выпрямления позвоночника;
  • фильтры для кровезаменителей;
  • приспособления для фиксации переломов;
  • ортопедические аппараты;
  • зажимы для вен и артерий;
  • детали насосов для искусственного сердца или почки;
  • стенты и эндопротезы для имплантации в кровеносных сосудах;
  • ортодонтические дуги для коррекции зубного ряда.

Недостатки и перспективы

Несмотря на широкие возможности, сплавы с эффектом памяти формы имеют недостатки, которые ограничивают их широкое внедрение:

  • дорогостоящие компоненты химического состава;
  • сложная технология изготовления, необходимость использования вакуумного оборудования (чтобы избежать включения примесей азота и кислорода);
  • фазовая нестабильность;
  • низкая обрабатываемость металлов резанием;
  • трудности в точном моделировании поведения конструкций и изготовлении сплавов с заданными характеристиками;
  • старение, усталость и деградация сплавов.

Перспективным направлением в развитии этой области технологий является создание покрытий из металлов, обладающих эффектом памяти формы, а также изготовление таких сплавов на основе железа. Композитные структуры позволят объединить в одном техническом решении свойства двух и более материалов.

Источники:

http://www.wewees.ru/article/33/18/
http://studref.com/366054/sotsiologiya/nekotorye_effekty_zakony_pamyati
http://fb.ru/article/424073/effektyi-pamyati-formyi-materialyi-i-mehanizm-deystviya-vozmojnosti-primeneniya

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector