Кафедра физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ развивает исследования сплавов с памятью формы

Кафедра физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ (№70) с успехом продолжает исследования сплавов с памятью формы. Эти материалы признаны одними из наиболее перспективных для применения в устройствах микро-электро-механических систем (МЭМС), таких как микро-клапаны, микро-захваты, микро-пинцеты и микро-приводы, в которых используются тонкие пленки и ленты. Результаты наших ученых нашли отражение в статье N. Resnina, S. Belyaev, A. Shelyakov, Pseudoelasticity effect in amorphous – crystalline Ti40.7Hf9.5Ni44.8Cu5 shape memory alloy // Smart Mater. Struct. 24 (2015) 045013 (8pp). (IF 2.735) http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/24/4/045013

Сегодня по просьбе редакции сайта НИЯУ МИФИ о перспективных исследованиях рассказывает доцент кафедры №70 Александр Васильевич Шеляков:

– Сплавы с памятью формы широко используются в различных областях техники из-за их уникальной способности восстанавливать деформированное состояние при нагревании (эффект памяти формы) или при разгрузке (эффект псевдоупругости).

Такое функциональное поведение сплавов с памятью формы обусловлено протекающими в них термоупругими мартенситными превращениями. В последние 15 лет эти материалы были признаны одними из наиболее перспективных для применения в устройствах микро-электро-механических систем (МЭМС), таких как микро-клапаны, микро-захваты, микро-пинцеты и микро-приводы, в которых используются тонкие пленки и ленты. В то же время было обнаружено, что функциональные свойства этих объектов (тонких пленок и лент) отличаются от свойств объемных сплавов с таких же химическим составом.

Как правило, структура пленок и лент после изготовления является аморфной, и необходима кристаллизация сплава, которая формирует ультрамелкозернистую структуру со средним размером зерна менее одного микрона. В то же время в объемных сплавах на основе никелида титана средний размер зерен составляет десятки микрон.

Варьируя параметры кристаллизации, можно получить объекты с различными параметрами структуры (размер зерна и распределение зерен) и, как результат, они демонстрируют различные функциональные свойства. Кроме того, управляемая кристаллизация позволяет получать образцы с аморфно-кристаллической структурой. Целью настоящей работы являлось изучение эффекта псевдоупругости в аморфно-кристаллических тонких лентах из сплава Ti40.7Hf9.5Ni44.8Cu5 с различными объемными долями кристаллической фазы.

Аморфная тонкая лента из сплава Ti40.7Hf9.5Ni44.8Cu5, полученная быстрой закалкой из расплава, была использована для приготовления аморфно-кристаллических образцов с различными объемными долями кристаллической фазы в процессе частичной кристаллизации при температуре 470 С в дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) аппарата. С помощью этого метода были получены образцы с 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 85% и 100% кристаллической фазы.

Было установлено, что эффект псевдоупругости в сплаве наблюдается в том случае, если объемная доля кристаллической фазы составляет 60% и выше. Увеличение объемной доли кристаллической фазы приводит к увеличению значений деформации, накапливаемой в образце при нагружении и возвращаемой при разгрузке, снижению величины механического напряжения, необходимого для появления кристаллов мартенсита под нагрузкой, и росту гистерезиса напряжения.

Зависимость параметров псевдоупругости от объемной доли кристаллической фазы обусловлена влиянием поверхностной энергии на формирование кристаллов мартенсита с предпочтительной ориентацией, что обеспечивает накопление деформации при нагрузке. В малом зерне поверхностная энергия высока, и большие напряжения должны быть приложены к образцу для зарождения мартенситной пластины. Кроме того, большая поверхностная энергия предотвращает образование большого количества предпочтительно ориентированных кристаллов мартенсита за счет очень высокого внутреннего напряжения, которое появляется в образце. Чем выше объемная доля кристаллической фазы, тем больше размер зерен и тем ниже влияние поверхностной энергии на формирование кристаллов мартенсита. Таким образом, величина напряжения, необходимая для появления кристаллов мартенсита при нагрузке, уменьшается, а число предпочтительных ориентированных кристаллов мартенсита увеличивается, что приводит к повышению величины эффекта псевдоупругости.

О других результатах, полученных в НИЯУ МИФИ при исследовании сплавов с памятью формы, – в следующих публикациях сайта.