CC BY
542
opment under loading thermoelastic B2-L10 martensitic transformations (MT), value of super-elasticity (SE), temperature interval SE is investigated at deformation by compression. It is shown, that precipitation of disperse y'-phases particles leads to increase in temperature interval SE in 2 times in comparison with mono-phase
crystals. Influence of variants number of particles on development B2-L10 MT under loading and on size of a mechanical hysteresis Aa is established.
Key words: single crystals; shape memory effect; superelasticity; y'-phase particles.
УДК 53.091
ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
© М.В. Бойцова
Ключевые слова: материалы с памятью формы; мартенсит; импланты.
Приведен краткий обзор литературных данных по получению и применению МПФ в стоматологии и черепнолицевой хирургии. Показаны преимущества и уникальность этих сплавов.
Материалы с памятью формы (МПФ) были открыты в конце 60-х гг. ХХ в. В настоящее время для МПФ определенны функциональные свойства: одно- и двухсторонний эффект памяти, псевдо- или суперэластичность, высокая заглушающая способность и т. д. [1].
МПФ уже нашли широкое применение в медицине в качестве имплантируемых в организм длительно функционирующих материалов. Они проявляют высокие эластичные свойства, способны изменять свою форму при изменении температуры и не разрушаться в условиях знакопеременной нагрузки. Сложный характер фазовых превращений мартенситного типа, происходящий в сплавах на основе никелида титана, ярко проявляется в пористых структурах. Фазовые переходы в таких сплавах характеризуются широким гистерезисом и продолжительным температурным интервалом, в котором материал проявляет эффекты памяти формы и сверхэластичности [2]. Кроме сплавов на основе №-Ті мартенситные превращения существуют, например, в таких системах, как К-Ті, РЮа, К-А1.
Механизм реализации эффекта памяти формы. В исходном состоянии в материале существует определенная структура (рис. 1).
При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры - мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.
При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, т. е. сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.
Никелид титана - это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас. % №. Температура плавления 12401310 °С, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура ни-
келида титана - стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа С8С1 - при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии.
Суть эффекта памяти формы
Исходное состояние
Термоупругий
Деформация
исходного
состояния
Рис. 1. Реализация эффекта памяти формы
Никелид титана обладает:
- превосходной коррозионной стойкостью;
- высокой прочностью;
- хорошими характеристиками формозапоминания. Деформация до 8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа. Хорошая совместимость с живыми организмами. Высокая демпфирующая способность материала.
Недостатки:
2059
- из-за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве, надо использовать вакуумное оборудование;
- затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием, (оборотная сторона высокой прочности).
Мартенситные превращения. Для интерметалли-дов N1-11 с составом, близким к эвтектическому, характерен переход от кубической (аустенитной фазы) к моноклинной (мартенситной) фазе при комнатной температуре. Такие превращения обычно происходят в сплавах при высоких напряжениях, но в результате наличия эффекта памяти или суперэластичности превращения могут происходить и при низких напряжениях. Аустенитные N1-11 сплавы проявляют суперэла-стичное поведение при механических нагрузках и растяжении (8 %), вызванное мартенситным превращением. При разгрузке мартенсит становится нестабильным и переходит в аустенит с компенсацией всех макроскопических напряжений [3].
Мартенситное превращение - полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путем их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решетки в микрообластях обычно сводится к деформации ее ячейки, и конечная фаза мар-тенситного превращения - однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации мала (—1-10 %), и, соответственно, мал по сравнению с энергией связи в кристалле энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную.
Получение сплавов с памятью формы. Сплавы с памятью формы получаются путем сплавления индивидуальных компонентов. Расплав быстро охлаждают и проводят высокотемпературную обработку [4].
Предложен целый класс композиционных материалов «биокерамика - никелид титана» для медицины. В таких материалах одна составляющая (никелид титана) обладает памятью формы и сверхэластичностью, а другая сохраняет свойства биокерамики. В качестве керамической составляющей наиболее часто используется фарфор, который широко используется в ортопедической стоматологии и является хрупким материалом. Для изготовления таких образцов используют порошки никелида титана и фарфоровой массы, которые после смешивания и просушивания спекают в вакууме [5].
Немедицинское применение. Впервые сплав с памятью формы был применен в самолете Е-14 в 1971 г., это был №-ТкРе. Использование №-П-ЫЪ сплава стало большим достижением, но также и Ее-Мп-81 сплавы получили много внимания, несмотря на их более низкое восстанавливаемое напряжение.
Полезные космические грузы типа солнечных батарей или антенн спутников сейчас используют в основном пиротехнические способы раскрытия, которые создают множество проблем. Использование материалов с памятью формы позволит устранить все эти проблемы, также предоставит возможность неоднократно проверить работоспособность системы еще на Земле.
Недавнее исследование относительно N1-11 сплавов показало, что суперэластичное поведение приводит к повышению износостойкости. Псевдоэластичное поведение уменьшает область упругого контакта во время
скольжения. Уменьшение области упругого контакта между двумя скользящими частями увеличивает износостойкость материала. Специальный тип износа -кавитационная эрозия, которая создает специфические проблемы в гидравлических машинах, винтах судов, водяных турбинах.
Медицинское применение. В медицине используется новый класс композиционных материалов «биокерамика - никелид титана», которые являются биосо-вместимыми [5]. В качестве керамической составляющей может выступать фарфор, который широко используется в ортопедической стоматологии.
Из этих материалов изготавливаются перчатки, применяемые в процессе реабилитации и предназначенные для реактивации групп активных мышц с функциональной недостаточностью. Они могут быть использованы в межзапястных, локтевых, плечевых, голеностопных и коленных суставах. Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела. Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током. Крепежные штифты, предназначенные для фиксации протезов на костях. Искусственное удлинительное приспособление для т. н. «растущих» протезов у детей. Замещение хрящей головки бедренной кости. Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе. Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика. Оправа для очков. Проволока (ортодонти-ческая дуга) для исправления зубного ряда. Имплантаты дентальные (самофиксация расходящихся элементов в кости).
Применение сплавов №-Ті в стоматологии и ор-тодонтологии. Проблема имплантации является одной из центральных в медицине, в т. ч. и в стоматологии, поскольку имплантируемые конструкции широко применяются для остеосинтеза костей, замены, реконструкции и восстановления тканей и органов [6]. Оптимальный имплантат по своим свойствам должен быть подобен живой ткани, т. е. обладать эластичностью, иметь близкие к ней диаграмму «напряжение - деформация» и присущую тканям величину гистерезиса на диаграмме «нагрузка - разгрузка».
Другое свойство сплавов с эффектом памяти формы - способность восстанавливать свою исходную форму после деформации в хладагенте и развивать в процессе формовосстановления силовые воздействия,-позволяет изготавливать из них имплантаты и конструкции с заранее заданными свойствами и открывает новые перспективы в различных разделах стоматологии: травматологии и ортопедии, реконструктивной хирургии, ортодонтии и др.
Стабильная фиксация костных фрагментов с одномоментным замещением дефекта мягких тканей хорошо васкуляризированными тканями и ранней послеоперационной нагрузкой на жевательный аппарат создает благоприятные условия для заживления раны, значительно сокращает сроки реабилитации больных [7].
Внедрение сверхэластичных конструкций с памятью формы позволило революционировать ортодонти-ческие технологии, т. е. лечение зубочелюстных деформаций, которыми страдают до 25 % детей (рис. 2). Изменились принципы воздействия на зубочелюстную систему.
2060
Использование при этом новых литейных сплавов позволяет создавать удивительные по эффективности и комплексу воздействия ортодонтические аппараты и зубные протезы [8].
Конструкции из никелида титана нашли широкое применение при реставрации твердых тканей зубов путем использования каркасов, вкладок, а также в па-родонтологии особенно в качестве шинирующих устройств.
ИСПРАВЛЕНИЕ ЗУБНОГО РЯДА
Рис. 2. Исправление прикуса при помощи брекетов, изготовленных из МПФ
В отдельных клинических наблюдениях сроки успешного функционирования дентальных имплантатов уже составили 14 лет [9, 10].
Вывод. Удивительный материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную стоматологию без композитных материалов на основе N111. Доставленные на орбиту в «свернутом» виде солнечные батареи разворачиваются сами на несколько десятков квадратных метров и т. д. Диапазон применения этих материалов увеличивается с каждым днем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Van Humbeeck J. Non-medical applications of shape memory alloys // Materials Science and Engineering. 1999. A. 273-275. С. 143-148.
2. Гюнтер В.Э., Ясенчук Ю.Ф., Клопотов А.А., Ходоренко В.Н. Физико-механические свойства и структура сверхпластичных пористых сплавов на основе никелида титана // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. № 1. С. 71-76.
3. Vaichyanathan R. et al. Shape memory materials // Acta mater. 1999.
V. 47. № 12. P. 3353-3366.
4. Biggs T. et. al. Martensite-type transformations in platinum alloys //
Materials Science and Engineering 1999. A273-275. С. 204-207.
5. Итин В.И., Шевченко Н.А., Коростелева Е.Н., Тухфатуллин А.А., Миргазизов М.З., Гюнтер В.Э. Функциональные композиционные материалы «биокерамика-никелид титана» для медицины // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. № 8. С. 1-6.
6. Вильямс Д.Ф., Роуф Р. Имплантаты в хирургии: пер. с англ. М., 1978. 552 с.
7. Сысолятин П.Г., Гюнтер В.Э., Сысолятин С.П. Разработка и внедрение высоких технологий на основе сверхэластичных материалов с памятью формы в стоматологии: бюллетень СО РАМНб. 2000. № 2 (96). С. 118-124.
8. Гюнтер В.Э., Сысолятин П.Г., Темерханов Ф.Т., Пушкарев В.П. и др. Сверхэластичные имплантаты с памятью формы в челюстнолицевой хирургии, травматологии, ортопедии и нейрохирургии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1995. 224 с.
9. Олесова В.Н. // Сверхэластичные медицинские материалы и имплантаты с памятью формы. Томск, 1998. С. 367-368.
10. Темерханов Ф.Т., Гарафутдинов Д.М., Мухин А.В. // Сверхэла-стичные имплантаты с памятью формы в медицине: материалы докладов междунар. конф. Новосибирск, 1995. С. 205-206.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Boytsova M.V. RECEIPT AND USE OF SHAPE MEMORY MATERIAL
A brief review of the literature on the preparation and use of the SMM in dental and craniofacial surgery is given. The advantages and uniqueness of these alloys are shown.
Key words: materials with shape memory; martensite; implants.
УДК 620.179
ЭФФЕКТ ОБРАТНОЙ МАГНИТОСТРИКЦИИ В ТРУБНОЙ СТАЛИ ПРИ ДВУХОСНОМ МЕХАНОЦИКЛИРОВАНИИ
© И.Н. Андронов, В.В. Мусонов
Ключевые слова: трубопровод; механоциклирование; изменение магнитных параметров.
Исследовано изменение магнитных свойств стального трубопровода при двухосном механоциклировании.
Выполнено исследование изменения составляющих магнитного поля в трех взаимно перпендикулярных направлениях вблизи поверхности трубы с помощью прибора МАГ-01 (изготовитель ОАО «Гипрогазцентр») при циклическом изменении давления в процессе проведения гидравлических испытаний. Установлено, что циклическое изменение внутреннего давления в трубе приводит к обратимому изменению составляющих магнитного поля. Сделано предположение, что обратимое изменение магнитного поля связано с эффектом обратной магнитострикции, инициированным пульса-ционным механоциклированием материала.
Исследования проводили на трубе, выполненной из стали 17Г1С длиной 11,7 мм, диаметром 1200 мм и толщиной стенки 12 мм.
Компоненты напряженности магнитного поля в осевом - Нх, радиальном - Ну и окружном направлении - Н2 измеряли в нескольких точках на разных расстояниях от поверхности металла в соответствии методикой, приведенной в [1]. Измерения проводили при циклическом изменении давления в трубе при значениях давления 0; 2,0; 4,0; 5,5; 6,8 МПа. Всего было осуществлено 40 бароциклов. Чему отвечало двухосное механоциклирование в двух взаимно перпендикуляр-
2061
