Техника - молодёжи 1972-10, страница 41

Два американских специалиста по жаропрочным соединениям, У. Бюглер и Р. Уайли, задались целью изготовить нитинол — сплав никеля и титана. Достигнутый результат их вполне устраивал. Получился материал с высокой прочностью и твердостью, способностью к закалке, с небольшим (по сравнению со сталью) удельным весом. Все это не так уж необычно. Патент, который в 1965 году получили Бюглер и Уайли, ничем не выделился бы среди сотен других, если бы не одно неожиданное обстоятельство.

В ходе исследований нитинола обнаружилось, что сплав имеет... «память». Из нитиноловой проволоки сделали спираль, нагрели ее до 150° С и охладили. Потом к спирали подвесили груз и растянули ее. Снова стали нагревать. И что же! Когда температура достигла 95° С, проволока на глазах стала свертываться в прежнюю спираль!

Последовала серия опытов, и в итоге описание предмета изобретения в патентной заявке двух металловедов пополнилось еще одним пунктом. В нем отмечалась способность нового сплава к пластической деформации при комнатной температуре и его свойство восстанавливать ранее полученную форму. Именно этот пункт и привлек к себе внимание многих специалистов и изобретателей.

Начались развернутые изыскания. Первые из них относились к материалам, в которых одно соединение никеля с титаном (TiNi₃) распределено в другом (TiNi). Вскоре удалось создать немало других сплавов, обладающих «памятью»: золото-кадмий, титан-кобальт, титан-железо, титан-никель-кобальт, цирконий-руби-дий, цирконий-палладий, медь-алюминий-никель. Каждый из них проявляет необычное свойство в своем температурном диапазоне. Не забыт и нитинол. Теперь технология его производства хорошо отработана. Заготовки из него выпускают в форме проволоки, стержней, листов, трубой, профильных заготовок, получаемых выдавливанием или литьем под давлением.

Проследим за тем, как размеры и конфигурация изделия фиксируются в «памяти» нитинола. Этот процесс показан на цветной вкладке. Вверху цифрой 1 обозначена исходная форма — ее-то и требуется «запомнить». Изделие помещают в плотную оправку — готовят к герметизации (2|. Когда герметизация закончена, оправку нагревают до 480—495° С (3), а затем охлаждают до комнатной температуры (4).

Теперь деталь можно извлечь и приступить к испытаниям. Деформируем исходную форму — растянем ее в полоску (5). Если полоску вновь нагреть (максимальная температура нагревания колеблется в широких пределах и зависит от состава сплава), произойдет восстановление формы (6 и 7). В итоге получаем изделие в его первоначальных размерах и конфигурации (8).

Каков же физический механизм «памяти» нитинола! Окончательного ответа не найдено до сих пор. Но вполне определенные соображения, по-видимому близкие к истине, уже появились. Еще в 70-х годах прошлого века немецкий металлург А. Мартене обнаружил обратимые изменения в кристаллической решетке стали: атомы железа и углерода меняли свое расположение при закалке и отпуске стальной заготовки. С тех пор эти превращения называют мартен-ситными. Их ебнаружили во многих сплавах и даже в чистых металлах.

При низкой температуре ничто не препятствует тому, чтобы силы притяжения сгруппировали атомы возможно ближе друг к другу. Будем считать, что атомы имеют форму шаров. Тогда самая плотная «упаковка» составится тремя шарами нижнего слоя, у которых в лунке находится четвертый, принадлежащий верхнему слою. Так укладывают яйца в корзине.

При повышении температуры амплитуда колебаний атомов увеличивается. Каждый из них смещается, выходит из лунки и занимает среднее положение уже не над тремя, а только над двумя атомами нижележащего слоя. Однако при мартенситном превращении форма изделия изменяется мало.

Эффект можно усилить, если приложить к заготовке направленные, сжимающие или растягивающие силы. Тогда слои атомов будут смещаться не произвольно, а в заданном направлении. И хотя сдвиг каждого слоя незначителен, общее смещение достигнет заметной величины. Но ведь фиксирование формы в памяти сплава как раз й достигается совместным действием нагревания и давления.

Перестройку атомов можно уподобить танцам со сложными фигурами. Особенность «танцев», которые разыгрываются в нитиноловых изделиях, состоит в том, что все партнеры непременно возвращаются к первоначальным партнершам. ▲ в сплавах, не обладающих обратимыми свойствами, атомы могут «заблудиться» и не прийти на свои прежние места.

Упругие силы, развивающиеся при возвращении к исходной форме, очень велики. Для проволоки диаметром 0,5 мм они составляют 800 иг/см². Степень полного восстановления и температурный диапазон его зависят от того, насколько значительной была предшествующая деформация. Абсолютная обратимость возможна при деформации не более 8%.

Несколько применений для деталей из нитинола показано на цветной вкладке. Для крепления конструкций, к которым можно подобраться только с одной стороны, очень удобна саморазводная шпилька (шплинт). Сначала в «памяти» сплава фиксируют рабочую форму (1), затем выпрямляют концы (2) и устанавливают шплинт в отверстии (3). Небольшой нагрев — и «усы» шпильки расходятся (4).

Точно так же ставят заклепки, развальцовывая их без молотка и поддержки — одним нагреванием головки. Крепление получается, можно сказать, мертвое. Для подобных деталей особенно выгодно брать сплавы с температурой перегруппировки ниже комнатной. До сборки заклепки держат в холодильнике и холодными вставляют в отверстия. Как только температура нитиноловых деталей сравняется с температурой окружающей среды, они прочно стянут части конструкции. А когда при эксплуатации эти части нагреются, заклепки обеспечат еще большую прочность соединения. Чудо-сплав, да и только!

Нагреванием можно регулировать объем бутылочного аккумулятора, поддерживающего давление жидкости на определенном уровне. Такого же рода устройства найдут применение в медицинской технике — ведь скорость циркуляции крови связана с изменением температуры. Подбирая соответствующий сплав, конструкторы стремятся построить саморегулирующийся двигатель для искусственного сердца. Тем более что нитинол очень стоек к коррозии. А хирурги начинают осваивать подобные сплавы дпя крепления костей, поврежденных при переломах. Изучаются способы последовательного возбуждения и снятия напряжений в нитиноловых деталях. Быть может, на этом пути удастся наконец создать искусственную мышцу.

А пока что выдано несколько патентов на элементы для пожарной сигнализации. В «памяти» нитиноловой проволоки (1) фиксируют форму спирали (2), которую снова превращают в прямую струну (3). В таком виде проволока и служит чувствительным элементом (4). Уже в начальный момент загорания устройство срабатывает: замыкает контакт и подает сигнал (5).

Как видим, найден материал с большим будущим. Надо думать, пока известна лишь незначительная часть его применений,

39