Интеллектуальные материалы. 
Материаловедение в машиностроении

Интеллектуальные, или «смарт», материалы (термин Smart пришел из зарубежной англоязычной литературы, слово Smart имеет много значений, в том числе остроумный, находчивый) — это материалы, которые «реагируют» на изменения внешних условий, меняя строго определенным образом свои характеристики.

Интеллектуальные материалы могут играть роль датчиков или исполнительных механизмов. В первом случае по изменению свойств материала оценивают некоторые параметры состояния объекта (например, температуру, напряжения, состав газов и т. п.). Такие датчики являются необходимым элементом систем автоматического регулирования самых разнообразных технологических процессов. Во втором — это силовые устройства (например, двигатели), которые также могут быть частью систем автоматического регулирования.

Многие материалы, которые можно отнести к «интеллектуальным», базируются на давно известных физических эффектах (например, пьезоэффект обнаружен Джоулем в 1860 г.). Также достаточно давно известны и некоторые материалы (например, термоэлектродные), широко применяющиеся в различных отраслях промышленности. Вместе с тем в ряде случаев именно интеллектуальные материалы открывают новые отрасли науки и техники, определяют принципиальную работоспособность сложнейших устройств. В частности, весьма малые перемещения зонда в сканирующем туннельном зондовом микроскопе нельзя реализовать механическими системами. Для этого используют интеллектуальные материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом (см. ниже).

Сплавы с эффектом памяти формы

" Интеллект" материала проявляется в том, что он «имеет память», т. е. способность восстанавливать исходную форму, которую имела заготовка (деталь) до пластической деформации, в процессе проведения которой эта (исходная) форма была изменена.

В основе эффекта памяти формы (ЭПФ) лежит явление обратного мартенситного превращения. Напомним (см. 5.4.2), что при мартенситном превращении меняется кристаллическая решетка, т. е. происходит полиморфное бездиффузионное превращение. Аустенит превращается в мартенсит, при этом атомы перемещаются на весьма малые расстояния, соизмеримые с периодом решетки. Мартенситное превращение совершается при охлаждении в интервале температур Мн… Мк (начало и конец мартенситного превращения).

Для некоторых сплавов возможно обратное мартенситное превращение, т. е. бездиффузинное превращение мартенсита в аустенит при нагреве. Такое превращение так же, как и прямое мартенситное, происходит при нагреве в интервале температур Ан… Ак (начало и конец обратного бездиффузионного превращения мартенсита в аустенит).

В сталях обратного мартенситного превращения не происходит (во всяком случае, обнаружено не было). Это связано с тем, что при нагреве, еще не достигнув Ан (т.е. ниже этой температуры), происходит диффузионный распад мартенсита (выделение карбидов из мартенсита — отпуск).

Обратное мартенситное превращение наблюдается в сплавах систем «Au — Cd», «Ni — Al», «Cu — Al (Fe, Ni, Со, ?n)» и др. В этих сплавах обратное мартенситное превращение происходит при нагреве путем бездиффузионного превращения мартенсита в высокотемпературную фазу. Эта фаза не является аустенитом (аустенит — твердый раствор углерода в Fe?). Но для удобства будем называть температуры начала и конца обратного мартенситного превращения Aи и Ак.

В промышленности нашли применение сплавы системы «Ni — Ti», в частности сплав Ni50Ti50 — нитинол (обозначается аналогично аморфным сплавам, цифры — атомные, а не массовые проценты).

Цикл восстановления формы следующий (рис. 14.11):

• — пластическая деформация заготовки в высокотемпературной области (при температуре tдеф, превышающей точку Мн), обеспечивающая получение не? обходимой формы;
• — охлаждение ниже Мк, при котором происходит мартенситное превращение; структура заготовки — мартенсит; форма заготовки, полученная в результате деформации, не изменяется;
• — в таком состоянии (т.е. ниже Ан) вновь проводят пластическую деформацию, изменяя полученную ранее форму и придавая заготовке новую (мартенсит таких сплавов достаточно пластичен? т = 70…140 МПа);
• — восстановление формы, полученной в результате первоначальной высокотемпературной пластической деформации, за счет нагрева выше Ак (например, до температуры tдеф).

Уникальные свойства сплавов с ЭПФ определяют их широкое применение в разных областях техники. Приведем некоторые примеры.

Рис. 14.11. Восстановления формы материала с эффектом памяти:

Mн, Mk — начало и конец прямого мартенситного превращения (А > М); Aи и Ak — начало и конец обратного мартенситного превращения (М > А) Промышленное использование сплавов началось с выпуска соединительных муфт и уплотнений трубопроводов. При температуре выше Мн пластическим деформированием изготавливают муфту с малым диаметром (меньшим диаметра соединяемых труб), охлаждают ниже Мк и производят деформацию (например, раскатку), увеличивая внутренний диаметр. Осуществляют соединение труб этими муфтами, а затем выполняют нагрев, в результате которого диаметр муфты уменьшается, создавая соединение с натягом. Эта технология заменяет сварку или пайку, т. е. существенно менее производительные процессы. Она может быть использована при сборке для обеспечения посадок с натягом.

Сплавы с ЭПФ применяют для изготовления разворачивающихся антенн космических аппаратов. Антенны, предварительно компактно уложенные, в космосе разворачиваются за счет нагрева при пропускании по нитинолу электрического тока.