EFEKT PAMIĘCI KSZTAŁTU

EFEKT PAMIĘCI KSZTAŁTU

1. Przykłady efektu.

2. Co się dzieje podczas odwracalnej przemiany martenzytycznej ? 3. Przykłady stopów wykazujących pamięć kształtu.

4. Charakterystyka przemiany.

5. Opis termodynamiczny.

6. Tekstura przemiany martenzytycznej.

7. Zastosowania.

I. Przykłady efektu :

„ Jeśli stopowi o strukturze A nadamy pewien kształt, a następnie przeprowadzimy do struktury M i zmienimy jego kształt, to powrót do struktury A spowoduje odzyskanie pierwotnego kształtu ”

A – faza wysokotemperaturowa

M – faza niskotemperaturowa

a)

b)

Efekt „ dwukierunkowy” Ti – 50% Ni

A M M M A A

373 K 273 K 373 K

c) krzywe rozciągania

- Efekt pamięci kształtu (P.K.)
bodziec : ∆∆∆∆T

∆∆∆∆T ≠≠≠≠ 0 σσσσ ij = 0

- Super-spręŜystość lub pseudo-spręŜystość (P.E.)
bodziec: σσσσ ij ≠≠≠≠ 0 dla T > Af Dwie zmienne : T i σσσσij

II. Co się dzieje podczas odwracalnej przemiany martenzytycznej ?

- Tworzenie płytek nowej fazy (M) z fazy macierzystej (A) - Prędkość przesuwania się frontu płytki

v

v

( w stalach

v

- Na ogół kilka wariantów martenzytu ( kilka płaszczyzn habitus)

- Przy transformacji odwrotnej – atomy wracają na stare miejsca
powraca Stara struktura i stary kształt

ozięb.

ogrzew.

deformacja

ogrzewanie deformacja

M

M

T

A

A

T

A M

płaszcz. habitus

A

A

(110)

(111)

płaszcz.

habitus Fe - C - Ni

Aspekt atomowy „ Rzeźba ” powierzchni

Martenzyt w stali

T, C °

800 700 600 500 400 300 200 100 0

0.5 1 2 5 10 10² 10³ 10⁴ 10⁵

1 min 1 h 1 dzień 1 tydzień przemiana martenzytyczna

Fe C₃

M_f γ α +

γ α + _t α + Fe C₃

M

γγγγ - austenit, αααα -ferryt, Fe₃C – cementyt, K s dt

dT ≅250 /

Austenit

Martenzyt

(R.S.C.) (T.P.C.)

III. Przykłady stopów wykazujących pamięć kształtu:

Stopy na bazie Cu, Ag, Au:

Ti Zr

V Mn Fe Co Ni Pd

Cu Ag Au

Be Mg

Zn Cd

Al Ga

In Si Ge Sn Sb

C A B

Stopy potrójne:

Sieć wyjściowa : R.P.C. ( faza β )
sieć końcowa : R.S.C. lub H.Z. lub ortorombowa

Wybrane stopy podwójne :

Ag - Cd , 44 ÷ 49 % Cd , B2
2H ( R.P.C.
H.Z. ) Au - Cd , 46.5 ÷ 50 % Cd , B2
2H ( R.P.C.
H.Z. )

Cu - Zn , 38.5 ÷ 41.5 % Zn , B2
9R ( R.P.C.
ortorombowa) Cu - Sn , ~ 15 % Sn , DO3  2H, 18 R (R.P.C.  H.Z. lub

ortorombowa) Mn - Cu , 5 ÷ 35 %Cu , R.S.C.  T.S.C.

Ni - Al. , 36 ÷ 38 Al. , B2  3R ( R.P.C.
ortorombowa) Ti - Ni , 49 ÷ 51 % Ni , B2  jednoskośna ( R.P.C.  jednosk.) Tn - Cd , 4 ÷ 5 % Cd , R.S.C.  T.S.C.

Fe - Pd , ~ 30 % Pd , R.S.C.  T.S.C.

IV. Charakterystyka przemiany

!) - Istnieje płaszczyzna habitus

K

→

→

→

→

- Zasadnicza deformacja : niezmiennicze płaskie odkształcenie.











 ••••

==== ^{→→→→ →→→→ →→→→}

→

→

→

→

K r u ηηηη

Ogólnie:

- proste ścinanie

!!) Konieczne jest odkształcenie normalne  ( ∆V/V ~ 3*10^-3 )

!!!) Istnieje pewna rotacja ωij

Dlaczego odwracalność ?

1. Atomy przemieszczają się np. o a 3

1  powrót łatwy.

K

K

2. Zawsze istnieją zarodki A w M .

3. Istnienie dyslokacji strefowych – zapis starej konfiguracji 4. NapręŜenia wewnętrzne – faworyzują powrót do A

(czasem przedwcześnie – transformacja termoelastyczna

i wtedy ).

Mechanizm w skali atomowej.

- „ Mięknięcie ” sieci w pewnych kierunkach.

W strukturze regularnej:

C` = ( C11 – C12 ) / 2 – stała elastyczna określająca łatwość ścinania <110>{110}

C44 / C` - anizotropia elastyczna

A - faza β (R.P.C.)

- Miękki mod fononowy

TA₁  ( C11 - C₁₂ ) / 2 , dla 3

≅≅≅≅ 2 q ( AuCuZn2 )

MS

T

A_S

C`

C`

C /C`

(M) (A)

T

T

C`,

C /C`

V. Opis termodynamiczny

Siła napędowa – róŜnica energii swobodnej obu faz

T_O - M_S = ∆∆∆∆T , ∆∆∆∆T ~ 20 K – 400 K

Warunek wzrostu płytki martenzytu :

dV dS

dV dV

dV

G^{A M} ++++

σσσσ

εεεε

σσσσ

εεεε

γγγγ

ξξξξ εεεε

∆∆∆∆ >>>>

<<<<

→

→→

→

róŜnica energii siła napędowa energia energia praca przeciw swobodnej obu od przyłoŜonego napręŜeń tworzenia tarciu (ruch faz napręŜenia wewnętrznych granicy granicy

Rodzaj przemiany

Na ogół

I

! ) QP ~ 100 ÷ 1000 J / mol

!! ) histereza własności w funkcji T

G

M _S T ₀ A _S T A

M

G ^{M A}

G ^{A M}

VI. Tekstura przemiany martenzytycznej

ZaleŜność orientacji ; np. dla Ti ( i jego stopów ):

A ( R.P.C. )  M ( H.Z. )

Relacja orientacji : relacja Burgersa

Stop : Ti - 3% Al - 8% V – 6% Cr – 4% Mo – 4% Zr

VII. Zastosowania

1. Silniki.

η : 5 ÷ 21 % ( wyprowadzone z równania Clausiusa – Clapeyrona )

~15% l

∆∆∆∆l

2. Łączenie elementów ( zamiast spawania ). Zespalanie obwodów scalonych 3. Zastosowania medyczne – np. korekcja kręgosłupa,

element sztucznych narządów.

4. Przełączniki temperaturowe 5. Elementy akustyczne

6. Manipulatory, roboty ( sterowanie temperaturowe )

7. Magazynowanie energii mechanicznej – hamowanie samochodu 8. Wytrzymałość na cykliczne zginanie ( N ~ 10⁴ ÷ 10^-6 )

M A

373 K 273 K 373 K

{{{{ }}}} {{{{ }}}}

A A M

111 0

1 10

110 0001

DODATEK: Przykładowy wykres fazowy stopu potrójnego (Cu - Zn – Al) Naniesiono takŜe zaleŜność temperatury MS(początek przemiany martenzytycznej)

PERCENT ZINC

PE RC

EN T A

LU MIN

IUM

PERCENT COPPER

Cu Al

Zn

10 20

30 40

50 60

70 80

90 20 10

30

40 50

60 70

80 90

90 80 70 60 50 40

30 20 10

PERCENT COPPER PERCENT ZINC

PE RC

EN T ALU

MIN IUM Ms TEMPERATURE (DEGREES C.)

200 150

100

50 0 - 50

- 100

30 5

- 105°

- 86°

- 64°

- 36°

25

- 6°

- 90°

59°

44°

84°

38°

53°

32°

48°

48°

15°

67°

75 153°

170°

66°

73°

148°

146°

10 299° 80

70

65 10

20

15