Kim loại có trí nhớ không?!

3

Kim loại có trí nhớ!

Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
V. A. ZAIMOVSKY

Các hiện tượng sống và vô tri của hiện tại rất đa dạng và gắn bó chặt chẽ với nhau đến nỗi khi đối mặt với một điều gì đó mới mẻ trong thế giới vô cơ, chúng ta vô tình tìm kiếm sự tương đồng với những biểu hiện của đời sống và hoạt động của con người. Mong muốn này được phản ánh trong thuật ngữ khoa học. Các thuật ngữ như “tuổi thọ” hoặc “tuổi thọ ổn định” (liên quan đến các bộ phận), “khả năng sống sót”, “độ mỏi” (liên quan đến vật liệu kết cấu) được coi là nghiêm ngặt và đã được chấp nhận rộng rãi cùng với hàng trăm thuật ngữ tương tự khác theo nghĩa này. Không phải ngẫu nhiên mà đặc tính được phát hiện tương đối gần đây của hợp kim kim loại được gọi là “bộ nhớ hình dạng”. Kim loại có thể ghi nhớ, ghi nhớ, ghi điểm không? Chúng ta hãy thử gán những khả năng này của sinh vật sống cho kim loại, và sau đó chúng ta sẽ thấy rằng kim loại thậm chí còn có khả năng là chính mình!

Biến dạng đàn hồi và dẻo

Đầu tiên, chúng ta hãy nhớ lại những gì chúng ta biết từ môn vật lý ở trường về sự biến dạng của kim loại và sự thống nhất về một số ký hiệu.

Nếu một lực tác dụng lên một mẫu kim loại—một lực bên ngoài truyền gia tốc đến một phần của cơ thể so với phần khác—khi đó mẫu sẽ thay đổi kích thước và hình dạng—nó sẽ biến dạng. Biến dạng thường được đặc trưng bởi tỷ lệ giữa sự thay đổi Δl trong cỡ mẫu với kích thước ban đầu l: ε = Δl/l. Số đo cụ thể của tải trọng là ứng suất - tỷ số giữa độ lớn của lực tác dụng lên mẫu và diện tích mặt cắt ngang của mẫu.

Mối quan hệ giữa σ và ε chỉ được xác định bởi tính chất của vật liệu còn đối với kim loại và hợp kim thông thường được thể hiện bằng đường cong như trên Hình 1.

Trong phần OA sự phụ thuộc của σ (ε) là tuyến tính. Mô hình này được thiết lập vào thế kỷ 17 bởi nhà khoa học người Anh Hooke. Định luật Hooke σ = Eε chỉ áp dụng trong trường hợp trước

4

Hình 1. Biểu đồ ứng suất - biến dạng.

các vấn đề của “vùng đàn hồi” của sơ đồ cho đến khi ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi $\sigma_{\text{упр}}$. Hằng số $E$ được gọi là mô hình đàn hồi. Đối với hầu hết các kim loại, $E$ có ​​độ lớn là $10^{10}-10^{11}$ N/m$^2$ và bậc $\sigma_{\text{упр}}$ thường là $10^7-10^8$ N/m$^2$; do đó, biến dạng đàn hồi tối đa thường có độ lớn $10^{-3}$, tức là một phần trăm. Đặc điểm chính thức của biến dạng đàn hồi là tính thuận nghịch của nó: biến dạng biến mất khi dỡ tải và mẫu trở về kích thước và hình dạng ban đầu. Nhân tiện, điều này có nghĩa là, dưới bất kỳ ứng suất nào không vượt quá $\sigma_{\text{упр}}$, kim loại sẽ ghi nhớ hình dạng ban đầu của nó và phục hồi ngay sau khi loại bỏ ứng suất. Ví dụ, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta tăng ứng suất và ứng suất vượt quá $\sigma_{\text{упр}}$ và ứng suất vượt quá $\varepsilon_{\text{упр}}^{\max}$? Biến dạng đàn hồi tiếp tục tăng tỷ lệ thuận với giá trị ứng suất ngày càng tăng (theo định luật Hooke), nhưng thành phần biến dạng thứ hai xuất hiện - dẻo. Tổng lượng biến dạng tương ứng với một điểm nhất định $B$ trong Hình 1 bây giờ bao gồm $\varepsilon_{\text{упр}}$, sẽ biến mất trong quá trình dỡ tải (đường dỡ tải $BC$ xuất hiện song song với phần đàn hồi $AO$) và $\varepsilon_{\text{ост}}$ - biến dạng dư còn lại khi loại bỏ ứng suất. Từ Hình 1, rõ ràng là $\varepsilon_{B\text{упр}}^{\max}$ lớn hơn $\varepsilon_{\text{упр}}^{\max}$, vì vậy ký hiệu “max” ở đây không có nghĩa là không thể thu được biến dạng đàn hồi lớn hơn giá trị. Điều đó chỉ có nghĩa là nếu tổng biến dạng vượt quá $\varepsilon_{\text{упр}}^{\max}$ thì nó sẽ không còn thuần túy đàn hồi nữa và hình dạng của vật sau khi dỡ tải sẽ khác với hình dạng ban đầu.

Do đó, dấu hiệu chính thức của biến dạng dẻo là tính không thể đảo ngược của nó: sau khi dỡ tải, phần dư được sửa đổi còn lại, tức là bộ nhớ, vẫn còn

5

kim loại bắt đầu bị hỏng. Nếu chúng ta tiếp tục biến dạng hơn nữa, vượt quá điểm $B$, thì thành phần nhựa sẽ tăng lên với mức tăng ứng suất tương đối yếu. Tất nhiên, quá trình này cuối cùng sẽ kết thúc với việc mẫu bị phá hủy; giá trị $\varepsilon_{\text{ост}}$ trước khi bị phá hủy trong kim loại nhựa là 10%, tức là cao hơn $\varepsilon_{\text{упр}}$ 2 bậc độ lớn. Đây gần như là tình trạng “xơ cứng” hoàn toàn – kim loại quên đi hình dạng ban đầu và mang hình dạng mới.

Các quy trình công nghiệp xử lý chúng dựa trên sự quên lãng của kim loại, chẳng hạn như khi chúng ta chuyển từ một thỏi khổng lồ sang một sợi dây mỏng. Nếu chúng ta quay lại ví dụ của mình với một tấm mỏng, theo nửa vòng, nhưng tăng độ dày của nó lên 2 mm, thì độ biến dạng của các từ vi phạm sẽ là 10%. Bây giờ, sau khi dỡ tải, các đầu của tấm sẽ chỉ “lò xo” một chút, dịch chuyển ra xa nhau (độ biến dạng tương đối sẽ giảm 0,5%) và tấm sẽ dừng lại ở gần như cùng một nửa vòng với bán kính lớn hơn một chút.

Khi họ nói: “uốn cong nó như một cái sừng cừu đực”, họ muốn nói chính xác những biến dạng lớn đến mức thành phần đàn hồi có thể bị bỏ qua do nó nhỏ so với thành phần còn lại. Giữa những dòng của biểu thức quyết định này, bạn có thể đọc: “bạn sẽ không thể tăng tốc được nữa.” Thật vậy, để loại bỏ hậu quả của biến dạng dẻo và đưa vật thể trở lại hình dạng ban đầu, cần phải biến dạng dẻo một cách mạnh mẽ theo hướng ngược lại. Nếu bạn nung nóng kim loại bị biến dạng bằng nhựa, thì hình dạng của nó vẫn giữ nguyên - không có lý do gì để giảm hoặc tăng độ lớn của biến dạng dư.

Để hiểu rõ hơn về bản chất của khả năng ghi nhớ hình dạng hiệu quả trong kim loại, cần phải hiểu cơ chế biến dạng dẻo của chúng. Chính xác hơn, chúng ta chỉ cần xem xét khía cạnh hình học của cơ chế này. Là chất kết tinh, kim loại dẻo bị biến dạng khi bị cắt

Hình 3. Biến dạng dẻo xảy ra do lực cắt. Bức ảnh cho thấy một tinh thể tuần hoàn sau khi bị biến dạng dẻo nghiêm trọng (×50).

dọc theo các mặt phẳng nguyên tử nhất định trong mạng (Hình 3). Điều này tương tự như sự dịch chuyển của một chồng tiền xu hoặc một bộ bài. Chúng ta không thể tăng kích thước bộ bài bằng cách kéo tất cả các lá bài cùng một lúc theo một hướng liên tục, nhưng chiều dài của bộ bài sẽ tăng lên nếu chúng ta trượt từng lá bài dọc theo nó. Tương tự như vậy, khi thanh kim loại bị kéo căng, các lớp kim loại liền kề sẽ dịch chuyển ra xa nhau. Để đảm bảo tính liên tục của kim loại không bị xáo trộn, các lớp được ngăn cách bởi các mặt phẳng cắt được quay dần theo hướng của tải trọng. Những thay đổi này, như chúng ta đã biết, là không thể đảo ngược được; chúng gây ra biến dạng dư.

Khai mạc
G. V. Kurdyumova và L. G. Handroa

Có quá trình cắt nào trong kim loại có thể xảy ra mà không cần đến ngoại lực? Hóa ra chúng tồn tại và sử dụng con người suốt 3000 năm. Ngay cả ở Hy Lạp và La Mã cổ đại, hiện tượng thép cứng lại đã được sử dụng để tạo cho nó độ cứng và độ bền đặc biệt. Tuy nhiên, chỉ đến thế kỷ 20, người ta mới thấy rõ rằng sự thay đổi tính chất này của thép có liên quan đến sự biến đổi một dạng tinh thể của sắt thành dạng khác.

7

G.V. Kurdimov đã dự đoán và vào năm sau, cùng với cộng tác viên của mình là L.G. Khandros (nay là Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học), đã quan sát bằng thực nghiệm một loại biến đổi tốt nhất mới ở đồng nhôm. Năm 1980 nó được tuyên bố mở cửa. Các tác giả của khám phá này đã nhận được bằng tốt nghiệp tương ứng và bản thân hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng Kurdimov”. Bản chất của nó là như sau. Dưới sự kết hợp thuận lợi của một số điều kiện nhất định (đặc biệt, sự chênh lệch về thể tích pha phải nhỏ), quá trình biến đổi austenite (A) thành marstestite (M) thu được các tính năng đặc biệt. Nó trở thành, như G.V. Kurdimov gọi nó là “nhiệt đàn hồi”. Thuật ngữ này phản ánh nhiều đặc điểm chưa được báo trước của một sự biến đổi lớn nhất như vậy. Đặc biệt, ông ủng hộ thực tế rằng nếu bạn ngừng làm mát, quá trình biến đổi ngay lập tức dừng lại ở giai đoạn mà nó bị dừng bởi nhiệt độ dừng và nếu bạn bắt đầu làm nóng mẫu, thì quá trình biến đổi sẽ sớm bắt đầu đi theo hướng ngược lại. Điều này có nghĩa là martestite một lần nữa biến thành austenite, tất cả sự pha trộn cắt của các nguyên tử đều đi theo hướng ngược lại và bản thân các nguyên tử trở lại chính xác vị trí ban đầu tương ứng với mạng austenite.

Hình 4. Sự biến đổi Martestin trong quá trình làm lạnh (a) và dưới tác dụng của ngoại lực tăng dần (b).

Trong các hợp kim đã trải qua quá trình biến đổi nhiệt đàn hồi, việc áp dụng ứng suất bên ngoài có thể làm tăng nhiệt độ của quá trình biến đổi lớn nhất, nhưng điều quan trọng chính là trong các hợp kim này, sự hiện diện của tải trọng bên ngoài làm thay đổi đặc biệt hình ảnh hình học của sự biến đổi. Nếu đặt điện áp như trong Hình 4, b, thì tỷ lệ tinh thể 1, trong đó hướng của các nguyên tử cắt phù hợp với hướng của tải, sẽ tăng và tỷ lệ tinh thể 2 giảm. Trong trường hợp giới hạn, trong quá trình chuyển đổi A → M, chỉ có một phiên bản trộn nguyên tử được thực hiện (Hình 4, b) và chúng ta thu được biến dạng tổng thể đáng kể của mẫu, tương ứng với biến dạng tương đối từ 10% trở lên.

Về cường độ, biến dạng này cao hơn nhiều so với εmax của kim loại đàn hồi, nhưng nó tích tụ không phải do sự dịch chuyển không thuận nghịch mà do sự biến đổi có hướng A → M. Một lực bên ngoài ra lệnh trộn lẫn các nguyên tử trong quá trình biến đổi này. Nếu bây giờ chúng ta tạo ra phép biến đổi ngược M → A, thì tất cả sự biến dạng to lớn này sẽ biến mất, vì các nguyên tử trở về vị trí ban đầu mà chúng chiếm giữ trong mạng austenite.

Hóa ra một tấm làm bằng hợp kim như vậy và được uốn thành một chiếc nhẫn sẽ ghi nhớ hình dạng phẳng ban đầu của nó và có thể lưu trữ nó trong bộ nhớ khá lâu. Quá trình “ghi nhớ” được thực hiện khi đun nóng và giờ đây chúng ta có thể “nhớ lại” kim loại vào thời điểm và tại khu vực mà chúng ta cần.

Hiện nay, có hàng trăm hợp kim được biết là có hiệu ứng Kurdimov. Bằng cách điều chỉnh thành phần của chúng, chúng ta có thể dịch chuyển khoảng biến đổi A → M → A dọc theo thang nhiệt độ. Ví dụ: hãy đảm bảo rằng điểm martest Mₙ thấp hơn nhiệt độ phòng một chút và Aₙ—nhiệt độ tại đó quá trình biến đổi M → A ngược bắt đầu khi được làm nóng—cao hơn một chút. Khi đó những ứng suất nhỏ tác dụng ở nhiệt độ phòng sẽ gây ra sự biến đổi A → M và một sự thay đổi đáng kể

8

không phải là hình dạng của vật thể, nhưng khi được làm nóng ở nhiệt độ 50-100 °C, nó sẽ giữ được hình dạng ban đầu. Bạn có thể “hạ thấp” khoảng thời gian chuyển sang trạng thái lạnh sâu. Sau đó, cần phải thiết lập hình dạng mới ở nhiệt độ thấp và kim loại sẽ ghi nhớ hình dạng trước đó của nó trong quá trình nung đến nhiệt độ môi trường. Điều thú vị là, nếu chúng ta hoàn nguyên hợp kim trở lại dạng ban đầu, ứng suất rất cao sẽ xuất hiện trong đó. Giả sử, bạn có thể uốn cong thanh của một cây leo $M_1$ với tải trọng 10 N, và khi được nung nóng, cố gắng làm thẳng, nó có thể nâng được một tải trọng 100 N. Nếu chúng ta treo một tải trọng “quá sức”, thì thật đau đớn khi nhớ lại hình dạng trước đó của nó, thanh có khi còn gãy thành từng mảnh (tự sát?!).

Bộ nhớ kim loại được sử dụng như thế nào?

Khả năng ứng dụng thực tế của hợp kim với đặc tính tạo hình độc đáo là vô cùng đa dạng và hấp dẫn. Tòa nhà trước mắt các nhà thiết kế là một lĩnh vực hoạt động rộng lớn, có nhiều giải pháp kỹ thuật mới về cơ bản. Ví dụ, trong công nghệ vũ trụ, những hợp kim này giải quyết hiệu quả vấn đề truyền thống là tiết kiệm không gian trong tòa nhà. Ăng-ten, bộ phát năng lượng, v.v., được gấp hoặc xoắn thành hình nhỏ gọn và đặt ở phần đáy nhỏ của khối không gian, được làm thẳng sau khi phương tiện được phóng lên quỹ đạo dưới tác động của nhiệt mặt trời. Hợp kim bộ nhớ có thể được sử dụng để tạo ra radiotelexan không gian - một động cơ nhỏ gọn có dây mỏng sẽ mở ra khi được nung nóng thành một vòng tròn có đường kính khoảng 2 km!

Tất nhiên, hợp kim bộ nhớ cũng có nhiều ứng dụng trên Trái đất. Khả năng nâng tải khi bị nung nóng của chúng mở ra khả năng tạo ra động cơ để biến cơ thể thành công cơ học. Các mô hình động cơ như vậy đã được chế tạo. Hiệu suất của chúng thấp, nhưng để vận hành, có thể sử dụng các nguồn nhiệt nhiệt độ thấp - năng lượng mặt trời, chất thải nhiệt từ các doanh nghiệp công nghiệp, v.v.

Đặc tính tương tự này của hợp kim bộ nhớ đã được ứng dụng trong việc tạo ra các khớp nối theo cách thay thế hàn, hàn điện và các phương pháp truyền thống khác. Giả sử chúng ta cần kết nối hai ống để tạo ra đường dẫn nhiên liệu động cơ máy bay. Chúng tôi lấy một ống lót làm bằng hợp kim nhớ nhiệt độ thấp, đường kính bên trong nhỏ hơn 4% so với đường kính ngoài của khớp nối ba mảnh (Hình 5). Trong nitơ lỏng (-196 °C), chúng tôi làm biến dạng ống lót sao cho đường kính bên trong của nó lớn hơn 4% so với đường kính ngoài của ống lót ba lỗ. Bây giờ chúng ta có thể lắp ống lót vào các đầu của ba mảnh, khi làm nóng đến nhiệt độ phòng, chúng sẽ nhớ lại hình dạng trước đó, uốn cong và nén các đầu của ba mảnh, tạo ra một kết nối kín chắc chắn. Ở đây, hoàn hảo từ quan điểm kỹ thuật, đặc biệt là các biểu hiện của bộ nhớ kim loại được sử dụng. Xét cho cùng, tất cả đều bình thường, tức là những kim loại “quên”, khi đun nóng sẽ nở ra theo mọi hướng. Và chúng tôi đã làm cho hợp kim nhớ co lại khi bị nung nóng! Tất nhiên, nó chỉ bị nén dọc theo hai trục và dọc theo trục thứ ba - dọc theo trục tam giác - nó bị kéo giãn, vì khối lượng vật liệu trong quá trình biến đổi $M \rightarrow A$ thay đổi rất ít. Nhưng trong trường hợp này nó

Hình 5. Sơ đồ thu được kết nối bằng khớp nối hợp kim bộ nhớ.

9

không can thiệp lời giải bài toán; Điều quan trọng là phải giảm đường kính của ống lót khi đun nóng để nó nén các đầu của ống nối.

Hàng trăm ngàn kết nối như vậy đã được lắp đặt trong ngành hàng không và đóng tàu. Họ đã cho thấy độ tin cậy cao và hoạt động hoàn hảo. Nhưng chúng ta phải tính đến việc về mặt kỹ thuật, đây là một quá trình quan trọng hơn là hàn hoặc hàn. Những kết nối như vậy có thể dễ dàng được thực hiện ở những nơi khó tiếp cận hoặc có nguy cơ cháy nổ, và ngay cả trong những điều kiện kỳ ​​lạ như vậy, nơi việc hàn hoặc hàn nói chung là không thể, chẳng hạn như dưới đáy biển.

Hợp kim bộ nhớ được sử dụng để tạo ra nhiều loại bộ điều nhiệt tự động khác nhau có khả năng kiểm soát, khi cần thiết, vượt quá giá trị nhiệt độ xác định trước.

Khả năng sử dụng các hợp kim này trong y học rất thú vị. Chúng đã được sử dụng trong các hoạt động liên quan đến gãy xương so sánh. Các phương pháp mới đang được phát triển để điều trị các bệnh như chứng vẹo cột sống, một biến dạng của cột sống. Một thanh được uốn cong theo hình dạng bất thường của cột sống được phẫu thuật đưa vào cơ thể của một người lớn và được gắn chặt vào cột sống. Thanh ghi nhớ hình dạng chính xác đã định trước của cột sống và bắt đầu phục hồi nó khi cần thiết (không gây nguy hiểm và không gây đau đớn cho con người) khi nhiệt độ tăng lên (Hình 6). Bác sĩ có thể dễ dàng điều chỉnh quá trình điều trị.

Một ví dụ khác là các bộ lọc để bắt cục máu đông (cục máu đông) trong mạch máu. Một sợi dây thẳng mỏng được làm nguội một chút được đưa vào vị trí mong muốn của mạch máu và ở đó, làm nóng lên theo nhiệt độ cơ thể, nó có hình dạng kỳ quái, phức tạp vốn có. Bộ lọc cho phép máu đi qua nhưng vẫn giữ lại cục máu đông (Hình 7), nếu nó đến tim hoặc não thì có thể gây tử vong.

Công việc tạo ra trái tim nhân tạo đã bắt đầu bằng cách sử dụng các dây mỏng làm từ hợp kim. Trong y học, ngoài trí nhớ, một trở ngại khác được sử dụng là một số hợp kim làm đầy, đặc biệt là hợp kim và titan - nitinol, có khả năng chống ăn mòn rất cao và cho thấy khả năng tương thích tuyệt vời với các mô của sinh vật sống.

Nitinol không bị rỉ sét, nhẹ và khá bền. Ví dụ, có thể trong tương lai họ sẽ chế tạo một ngôi nhà tự động từ nó. Một tính năng tự động như vậy, ngay cả sau một vụ tai nạn trên đường của máy chủ, sẽ khôi phục lại hình dạng của thân xe chỉ bằng cách làm nóng nhẹ các khu vực bị hư hỏng.

Tất nhiên, hiện nay dự báo về “ô tô” có vẻ quá táo bạo, vì hợp kim làm đầy vẫn còn khá đắt. Nhưng chúng ta vẫn chưa biết địa chất sẽ ra sao với chúng ta vào ngày mai.