Сплавы с эффектом памяти.

1. Металлические стекла, или аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации (10⁶…10⁸ °С/с). В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становятся невозможными и ме­талл после затвердевания имеет аморфное строение ¹.

Рис. 30. Схема получения аморф­ных сплавов с помощью быстрого охлаждения из расплава:

а – разливка на диск; б – разливка между двумя дисками; 1 – индуктор; 2 – расплав; 3 – тигель; 4 – диск; 5 – лента аморфного материала

Высокие скорости охлажде­ния могут быть достигнуты различными методами, однако наибо­лее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 30). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Al, Pb, Sn, Сu и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Co, Fe, Mn, Сr к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М₈₀Х₂₀, где М – один или несколько переходных элементов, а X – один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe₈₀P₁₃C, Ni₈₂P_l8, Ni₈₀S₂₀).

Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристал­лизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд метастабильных в стабильное кристаллическое состояние. Механи­ческие, магнитные, электрические и другие структурночувстви­тельные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упроч­нения.

Так, например, аморфный сплав Fe₈₀B₂₀ имеет σ_т = 3600 МПа, a Fe₆₀Cr₆Mo₆B₂₈ – σ_т = 4500 МПа. Высокими механическими свойствами (σ_т ≥ 4500 МПа) обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравни­тельно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться хо­лодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью (HV = 3,2σ_т) для сплавов на основе же­леза и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теорети­ческой Е/σ_т ≈ 50. Это объясняется, с одной стороны, высоким значением σ_т, а с другой – более низкими значениями модуля упругости Е (на 30…50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3…5 % Сr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Co, Ni с добавками 15…25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, P используют как маг­нитно-мягкие материалы.

2. Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы:

1) аморфные сплавы на основе железа (например, Fe₈₁Si_3,5B_13,5C₂) с высокими значениями магнитной индукции (1,60…1,61 Тл) и низкой коэрцитивной силой (32…35 мА/см);

2) железоникелевые сплавы (например, Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆) со сред­ними значениями магнитной индукции (0,75…0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных спла­вов (6…7 мА/см);

3) аморфные сплавы на основе кобальта (например, Co₆₆Fe₄ (Mo, Si, B)₃₀), имеющие сравнительно небольшую индук­цию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900…1000 HV), низкую коэрцитивную силу (Н_с = 2…4 мА/см) и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи – это их главное достоинство.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы применяют в электротех­нической и электронной промышленности (магнитопроводы транс­форматоров, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготов­ления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.

Область применения металлических стекол пока еще огра­ничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм и более или проволоки диаметром 0,5…20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы.

3. При напряжениях выше предела упругости после сня­тия нагрузки металл не воспроизводит первоначальные размеры и форму. Сравнительно недавно открыты сплавы, обладающие эффектом «памяти формы». Эти сплавы после пластической дефор­мации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект «памяти формы»), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Так, если проволоку закрутить в спираль при высокой температуре и выпрямить при низкой температуре, то при повторном нагреве проволока вновь самопроизвольно закручивается в спираль.

Механизмом, определяющим свойства «памяти формы», яв­ляется кристаллографическое обратимое термоупругое мартенситное превращение – эффект Курдюмова. Термоупругое мартенситное превращение сопровождается изменением объема, которое носит обратный характер, обеспечивая «память». В сплавах с эф­фектом «памяти формы» при охлаждении происходит рост термо­упругих кристаллов мартенсита, а при нагреве – их уменьшение или исчезновение. Эффект «памяти формы» наиболее хорошо про­является, когда мартенситное превращение происходит при низких температурах и в узком интервале температур, иногда порядка нескольких градусов.

В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов с обратным мартенситным превращением, обла­дающих в разной степени свойствами «памяти формы»: Ni–А1, Ni–Co, Ni–Ti, Ti–Nb, Fe–Ni, Cu–Al, Cu–Al–Ni и др.

Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi, получившие название нитинол. Эффект «памяти формы» в соединении NiTi может повторяться в течение многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью (σ_в = 770…1100 МПа, σ_т =300…500 МПа), пластичностью (δ = 10…15 %), коррозионной и кавитационной стойкостью и демп­фирующей способностью (хорошо поглощает шум и вибрацию). Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях. Имеются данные, что из нитинола изготовляют антенны спутников Земли. Антенна скручивается в маленький бунт, а после запуска в космос восста­навливает свою первоначальную форму при нагреве до темпера­туры выше 100 °С. Нитинол широко используется в автомати­ческих прерывателях тока, запоминающих устройствах, для изготовления деталей машин и вычислительной техники, в температурно-чувствительных датчиках.