Автор: Юрий Трифонов. Сейчас частенько можно услышать, что тот или иной материал с эффектом памяти формы научились использовать очередным перспективным образом. В большинстве случаев, про «память формы» многие вычитывают в описании какого-нибудь умного матраса или подушки для сна. Такой матрас принимает форму тела пользователя и потом тело поддерживается в удобном состоянии.

Но на самом деле эффект памяти куда более интересный, если рассматривать его с позиции материаловеда.

Чаще всего эффект демонстрируют на примере проволоки из сплавов титана с никелем. Это лишь самый простой вариант демонстрации и на практике память формы наблюдается у разных материалов, в том числе и полимерных. Но, традиционно для моих заметок, разбирать подобные эффекты на металлах проще всего.

Опыт простой. Берем проволоку из титана-никеля, которая скручена в пружинку, нагреваем зажигалкой эту пружинку и видим, что спираль начала распрямляться и опять стала ровной проволокой.

После остывания проволока так и останется прямой. Холодный образец можно вновь скрутить и вновь распрямить зажигалкой. Причём, форму можно придать абсолютно любую. Скажем, можно сделать импровизированную скрепку, которая при нагревании опять станет прямой.

Главный вопрос, который следует из опыта, тут логичен – что такое происходит с этой проволокой и что это за особая уличная магия?

Для объяснения эффекта нужно иметь общее представление о кристаллической структуре металлов и о процессе закалки. Давайте вспомним самые основы. Попрошу тут не придираться к формулировкам, так как хочется адаптировать текст для самых разных читателей с самыми разными уровнями знаний по теме.

Металлы в обычном состоянии имеют кристаллическую структуру и кристаллическую решётку. Кристаллической решеткой называется мнимая конструкция, которую мы можем изобразить, если в пространстве соединим атомы элемента друг с другом линиями.

Чистое альфа-железо

При этом атомы металла будут расположены в точках пересечения этих мнимых линий или, как это называется более правильно, в узлах решётки. Та часть, которая регулярно повторяется, будет называться элементарной ячейкой решётки. И так всё здорово будет до тех пор, пока речь идёт о чистом компоненте.

Если сплавить два металла вместе, то атомам второго компонента сплава тоже нужно где-то расположиться. У второго компонента, как правило, есть собственная кристаллическая структура, но пока оба компонента системы жидкие, атомы спокойно сосуществуют друг с другом, как хлопья разного типа в молоке.

Когда система начинает затвердевать или кристаллизоваться, то атомам второго компонента нужно найти для себя место. При этом основной компонент старается доминировать и его атомы образуют уверенные каркасы, обладая высокой энергией связи. Примесные атомы стараются занять оставшиеся свободные места.

Появились атомы второго компонента

Система уравновешивается в некоторой конфигурации и атомы второго компонента пытаются позанимать вакантные места в новой кристаллической решетке.

Теперь представим себе, что такой двухкомпонентный сплав мы нагрели и видим, что атомы и первого, и второго компонентов пытаются начать интенсивное тепловое движение. Если остудить это великолепие с нормальной скоростью, то система вернется к равновесному состоянию.

Зато вот если охлаждать сплав резко, то второй компонент не успеет распределиться стандартным образом и будут образовываться новые конструкции. Такая структура может называться, например, мартенсит, а процесс именуется закалкой.

Это пример для стали, но он хороший. Видите – перестраивается и сама решетка с ОЦК на ГПУ, и углерод перераспределяется в системе.

Структура после закалки обычно напряжена и напоминает что-то типа сжатой пружины в закрытом ящике. Атомы уже не могут свободно двигаться, а сам ящик становится твёрже. Поэтому, повышаются хрупкость и ломкость. При этом на самом металлическом образце могут образовываться самые различные артефакты. Как думаете, например, откуда берётся узор на знаменитом дамасске?

Появление игл

В некоторых случаях наблюдается интересное явление, которое, как раз-таки и свойственно сплавам титана и никеля.

Структуры, образованные в результате закалки, остаются относительно подвижными. Закаленная проволока из такого сплава хоть и имеет мартенситную структуру, но обладает ещё и памятью формы.

Если мы деформируем такой сплав после закалки (распрямление проволоки из примера), то иглы в структуре закаленного сплава не разрушатся, а просто поменяют конфигурацию. Где-то сместятся, а где-то начнут распрямляться.

Тот стресс, который структура испытала при закалке и та конфигурация, которая получилась при процессе, требовала большой энергии. Эта энергия была отнята у системы с помощью резкого охлаждения. Пока не проведется, например, длительный отжиг для нормализации получившейся структуры, именно конфигурация с иглами станет равновесной. Система будет стремиться к ней.

Эта картинка, на самом деле, не очень удачная. Все после этого думают, что каждый раз происходит полиморфное превращение от нагрева свечкой.

При простой механической деформации иглы не сломаются и не перестроятся, а пластично деформируются. Этим и отличаются сплавы с памятью формы. В распрямленном образце будет происходить борьба между механическим удержанием каркаса структуры и попыткой системы вернуться к зафиксированному виду после закалки. Когда это только лишь механическая деформация, то напряжений недостаточно и образец остается прямым. Зато если начать его нагревать, то в работу вступают диффузионные процессы.

Эти диффузионные процессы первым делом не заставят структуру вернуться к самой ранней модификации, а потянут её к варианту «после закалки». Иглы мартенсита, деформируемые механическим образом, начнут возвращаться к первоначально закаленной конфигурации.

Это будет проявляться, как обратное скручивание в форму пружинки. Исходя из схемы чуть выше, стоило бы рассматривать только нижние два состояния.

Подобные сюрпризы, которые появляются при работе внутренних напряжений и температур, могут происходить в самых разных случаях и с разными материалами. Например, на ранних автомобилях сформованная торпеда из полимерного материала выворачивалась обратно при воздействии сильного нагрева из-за стремления вернуться к форме обычного листа. Причем, сворачивалась вместе со всем оборудование. Это было настоящим сюрпризом для разработчиков, которые не учли эффект. Ну и для владельцев легковушек тоже.