Stopy metali nieżelaznych z pamięcią kształtu

Stopy te są nową jakościowo grupą materiałów, rozwijającą się od roku 1962, po odkryciu przez W. J. Buehlera zjawiska w stopie Ni - Ti.
Szczególne właściwości tych stopów związane są z odwracalną przemianą martenzytyczną. Odwracalna przemiana martenzytyczną polega na powtórnej przemianie martenzytu w fazę macierzystą, tj. w austenit, podczas nagrzewania.
Austenit i martenzyt są dwiema różnymi fazami strukturalnymi w stanie stałym stopu. Warunkiem tworzenia się struktury austenitu jest nagrzanie stopu powyżej określonej temperatury. Przemiana rozpoczyna się się w temperaturze As (austenit start) i kończy się w temperaturze Af (austenit finish). Ma ona charakter dyfuzyjny i polega na rozrastaniu się zarodków austenitu. Przemiana martenzytyczną jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu (np. podczas hartowania) do temperatury Ms, początku tej przemiany, przy chłodzeniu z prędkością większą od krytycznej Vk. Zachodzi ona pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury, od tempe ratury początku przemiany Ms do temperatury końca przemiany Mf. W wyniku przemiany powstaje martenzyt, który jest przesyconym roztworem w stanie stałym. Przemianę martenzytyczną można wywołać również przez odkształcenie fazy macierzystej (auste nitu). Poza stalą przemiana martenzytyczną występuje w wielu stopach metali, w niektórych materiałach ceramicznych a nawet w komórkach żywych organizmów. O zjawisku pamięci kształtu decydują następujące mechanizmy strukturalne:

1. Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu

W zależności od stanu początkowego efekt ten polega na:
- przemianie martenzytycznej fazy macierzystej w przedmiocie o wymaganym kształcie, wywołanej przez odkształcenie. Po nagrzaniu tego przedmiotu do temperatury charakterystycznej martenzyt ulega odwrotnej przemianie w fazę macierzystą według reakcji:

Po przebiegu tej reakcji przedmiot powraca do swego pierwotnego kształtu.
- zmianach struktury martenzytowej w zahartowanym przedmiocie o wymaganym kształcie, w wyniku odkształcenia, usuwanych następnie podczas nagrzewania, skutkiem czego struktura powraca do stanu początkowego, a podczas dalszego nagrzewania przemie nia się w fazę macierzystą, zaś przedmiot powraca do pierwotnego kształtu, zgodnie z reakcjami:

2. Pseudosprężystość

Zjawisko pseudosprężystości jest związane z odwracalną przemianą martenzytyczną pod wpływem naprężenia zewnętrznego. Monokryształ fazy macierzystej po ochłodzeniu do temperatury niższej od Mf, ulega przemianie w martenzyt o dwóch orientacjach krystalicznych. Uzyskanie takiej struktury powoduje obniżenie energii odkształcenia. Naprężenie zewnętrzne przyłożone następnie powoduje przesunięcie granic między różnie zorientowanymi listwami martenzytu, następuje rozrost listew o jednej orientacji kosztem pozostałych. Następne nagrzanie przedmiotu do temperatury wyższej niż Af powoduje przemianę pozostałych listew martenzytu o obydwóch orientacjach w fazę macierzystą o orientacji początkowej i powrót kształtu przedmiotu do stanu wyjściowego. Tak więc powrót do pierwotnego kształtu następuje nie w wyniku odciążenia, lecz w wyniku nagrzewania.

3. Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu

Efekt ten polega na zachowaniu pamięci kształtu zarówno wysokotemperaturowej fazy macierzystej, jak i niskotemperaturowej fazy martenzytycznej. W wyniku dwukierunkowego efektu pamięci kształtu, w zakresie temperatury Mf - Af, cyklicznie przebiegają przemiany wywołujące odwracalne zmiany kształtu przedmiotu, bez udziału zewnętrznego naprężenia. Przemiany powodujące zmiany kształtu mogą być powtarzane cyklicznie przez chłodzenie i nagrzewanie, pod warunkiem, że podczas odwracalnej przemiany w fazę macierzystą lub w wyniku wysokotemperaturowego wyżarzania nie nastąpi usunięcie zarodków martenzytu.

W odróżnieniu od bimetali, w których cykliczne zmiany kształtu następują na skutek różnej rozszerzalności cieplnej kompo nentów, w stopach z pamięcią kształtu zmiany kształtu następują w wyniku odwracalnych przemian strukturalnych.

Zastosowanie stopów metali z pamięcią kształtu:

• w budowie maszyn i urządzeń
  Umożliwia stosowanie nowych zasad konstrukcyjnych, możliwe jest znaczne uproszczenie konstrukcji, miniaturyzacja produktów oraz obniżanie kosztów wytworzenia. Spośród licznych zastosowań można wymienić: trwałe połączenie elektryczne i mechaniczne, temperaturowe zawory bezpieczeństwa w sieci gazowej, czujniki przeciwpożarowe, zabezpieczenie przed spaleniem elektrycznego sprzętu gospodarstwa domowego, systemy regulacyjne w grzejnikach wodnych, systemy regulacji dopływu paliwa i powietrza do gaźnika w silnikach samochodowych, automatycz ne systemy zamykania i otwierania okien w szklarniach, elementy siłowe w wyłącznikach obwodów elektrycznych, układy tłumiące drgania i hałas, elementy robotów. Stopy metali z pamięcią kształtu zastępują niekiedy bimetale.
• w medycynie
  Implanty ze stopów z pamięcią kształtu umożliwiają usprawnienia i uproszczenie wielu operacji. Stosowanie implantów ze stopów metali z pamięcią kształtu wymaga odpowiedniego doboru sposobu ich nagrzewania do temperatury odwrotnej przemiany. Można tak dobrać skład stopu, by przemiana i związane z tym odzyskanie kształtu następowały w temperaturze ciała pacjenta. Ze znanych zastosowań można wymienić: klamry do osteosyntezy i leczenia złamań żeber, płytki do osteosyntezy np. szczęki, druty łukowe w ortodoncji, gwoździe kostne, tulejki dystansowe w leczeniu schorzeń kręgosłupa.

L.A. Dobrzański: Metaloznawstwo z podstawami nauki o metalach, WNT 1999 Warszawa, wydanie piąte