Selon les idées reçues, les métaux sont les matériaux les plus durables et les plus résistants. Cependant, il existe des alliages qui peuvent retrouver leur forme après déformation sans appliquer de charge externe. Ils se caractérisent également par d'autres propriétés physiques et mécaniques uniques qui les distinguent des matériaux de structure.
Essence du phénomène
L'effet mémoire de forme des alliages est qu'un métal pré-déformé récupère spontanément sous l'effet d'un échauffement ou simplement après un déchargement. Ces propriétés inhabituelles ont été remarquées par les scientifiques dès les années 1950. 20ième siècle Même alors, ce phénomène était associé à des transformations martensitiques dans le réseau cristallin, au cours desquelles il y a un mouvement ordonné des atomes.
La martensite dans les matériaux à mémoire de forme est thermoélastique. Cette structure est constituée de cristaux en forme de plaques minces, qui sont étirées dans les couches externes et comprimées dans les couches internes. Les "porteurs" de déformation sont les joints d'interphase, de macle et d'intercristallite. Après avoir chauffé le déforméalliage, des contraintes internes apparaissent, essayant de redonner au métal sa forme d'origine.
La nature de la récupération spontanée dépend du mécanisme de l'exposition précédente et des conditions de température dans lesquelles elle s'est déroulée. Le plus intéressant est la cyclicité multiple, qui peut représenter plusieurs millions de déformations.
Les métaux et alliages à effet de mémoire de forme ont une autre propriété unique: une dépendance non linéaire des caractéristiques physiques et mécaniques du matériau à la température.
Variétés
Le processus ci-dessus peut prendre plusieurs formes:
- superplasticité (superélasticité), dans laquelle la structure cristalline du métal peut résister à des déformations dépassant considérablement la limite d'élasticité à l'état normal;
- mémoire de forme simple et réversible (dans ce dernier cas, l'effet est reproduit à plusieurs reprises lors du cyclage thermique);
- ductilité de transformation directe et inverse (accumulation de déformation lors du refroidissement et du chauffage, respectivement, lors du passage par une transformation martensitique);
- mémoire réversible: lorsqu'il est chauffé, une première déformation est restaurée, puis, avec une nouvelle augmentation de la température, une autre;
- transformation orientée (accumulation de déformations après suppression de la charge);
- pseudoélasticité - récupération des déformations inélastiques à partir de valeurs élastiques comprises entre 1 et 30 %.
Retour à l'état d'origine pour les métaux avec effetla mémoire de forme peut être si intense qu'elle ne peut pas être supprimée par une force proche de la résistance à la traction.
Matériaux
Parmi les alliages dotés de telles propriétés, les plus courants sont le titane-nickel (49–57 % Ni et 38–50 % Ti). Ils ont de bonnes performances:
- haute résistance et résistance à la corrosion;
- facteur de récupération significatif;
- grande valeur de contrainte interne lors du retour à l'état initial (jusqu'à 800 MPa);
- bonne compatibilité avec les structures biologiques;
- absorption efficace des vibrations.
En plus du nickelure de titane (ou nitinol), d'autres alliages sont également utilisés:
- deux-composants - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- trois composants - Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si et autres.
Les additifs d'alliage peuvent modifier considérablement la température de transformation martensitique, affectant les propriétés de réduction.
Utilisation industrielle
L'application de l'effet mémoire de forme permet de résoudre de nombreux problèmes techniques:
- création d'assemblages de tuyauteries étanches similaires à la méthode d'évasement (raccords à brides, colliers auto-serrants et raccords);
- fabrication d'outils de serrage, pinces, poussoirs;
- conception"superressorts" et accumulateurs d'énergie mécanique, moteurs pas à pas;
- créer des joints à partir de matériaux différents (métal-non métallique) ou dans des endroits difficiles d'accès lorsque le soudage ou le brasage devient impossible;
- production d'éléments de puissance réutilisables;
- étanchement des microcircuits, douilles pour leur connexion;
- production de contrôleurs et de capteurs de température dans divers appareils (alarmes incendie, fusibles, vannes de moteurs thermiques et autres).
La création de tels dispositifs pour l'industrie spatiale (antennes et panneaux solaires à déploiement automatique, dispositifs télescopiques, outils pour les travaux d'installation dans l'espace, entraînements pour mécanismes rotatifs - gouvernails, volets, écoutilles, manipulateurs) a de grandes perspectives. Leur avantage est l'absence de charges impulsionnelles qui perturbent la position spatiale dans l'espace.
Application des alliages à mémoire de forme en médecine
Dans la science des matériaux médicaux, les métaux dotés de ces propriétés sont utilisés pour fabriquer des dispositifs technologiques tels que:
- moteurs pas à pas pour étirer les os, redresser la colonne vertébrale;
- filtres pour substituts sanguins;
- dispositifs pour réparer les fractures;
- appareils orthopédiques;
- pinces pour veines et artères;
- pièces de pompe pour cœur ou rein artificiels;
- stents et endoprothèses à implanter dans les vaisseaux sanguins;
- fils orthodontiques pour corriger la dentition.
Inconvénients et perspectives
Malgré leur grand potentiel, les alliages à mémoire de forme présentent des inconvénients qui limitent leur adoption généralisée:
- composants chimiques coûteux;
- technologie de fabrication compliquée, nécessité d'utiliser un équipement sous vide (pour éviter l'inclusion d'impuretés d'azote et d'oxygène);
- instabilité de phase;
- faible usinabilité des métaux;
- difficultés à modéliser avec précision le comportement des structures et à fabriquer des alliages aux caractéristiques souhaitées;
- vieillissement, fatigue et dégradation des alliages.
Une direction prometteuse dans le développement de ce domaine technologique est la création de revêtements à partir de métaux à effet de mémoire de forme, ainsi que la fabrication de tels alliages à base de fer. Les structures composites permettront de combiner les propriétés de deux ou plusieurs matériaux en une seule solution technique.
