Kovové materiály s tvarovou pamětí

Tuto schopnost umožňuje tzv. paměťový jev, kterým disponují určité slitiny, nazývané materiály s tvarovou pamětí, označované SMA (z angl. Shape Memory Alloys). Těmto materiálům se slangově také říká inteligentní materiály.
Tvarová paměť se projevuje tím, že se chladnější materiál mechanicky zdeformuje do jiného tvaru a po zahřátí nad určitou vyšší teplotu samovolně obnoví svůj původní tvar i rozměry.
Teplota chladnějšího materiálu se většinou rovná pokojové teplotě, ale některé materiály je nutno ochlazovat pod touto teplotou, aby mohl proběhnout paměťový proces.
Názorným příkladem může být pletený stent, který se za pokojové teploty zdeformuje do tvaru menšího, než je průřez tepny. Po zavedení na místo zúženého průchodu tepny se takto zdeformovaný stent po ohřevu na tělesnou teplotu rozepne a obnoví svůj původní tvar, čímž rozšíří zúženou část tepny a zajistí bezproblémový průchod krve obr. 1.

Paměťový jev je způsoben tzv. martenzitickou transformací. Při ní struktura materiálu přechází při určité teplotě z jedné krystalické struktury do jiné.
Poznámka: Označení martenzitická přeměna, martenzit, austenit nemají nic společného se stejnými pojmy z oblasti rozpadu austenitu při prudkém ochlazení.
Průběh martenzitické transformace je silně závislý na okolních podmínkách, jako jsou teplota, vnější síly a u některých slitin i magnetismus (např. NiMnGa).
Martenzitická transformace je způsobena snahou SMA udržet se v energeticky nejvýhodnějším stavu, a proto se vždy přeorientuje do krystalické mřížky, která je za daných podmínek energeticky nejúspornější. Pokud slitině něco v přechodu brání, dokáže v závislosti na teplotě vyvinout značnou sílu k dosažení té krystalické struktury, která je pro ni za daných podmínek nejvýhodnější.
Krystalická struktura, kterou látka zaujímá za nižších teplot, se nazývá martenzit. Ten má nižší symetrii, protože jeho strukturu tvoří různé mřížky, jako jsou ortorombická, tetragonální, monoklinická – obr. 2. Struktura, která vznikne při vyšších teplotách, se nazývá austenit, který má strukturu s prostorově centrovanou kubickou mřížkou – obr. 3.

Při martenzitické transformaci dochází v materiálu k posunu atomů na vzdálenosti kratší, než je vzdálenost mezi atomy. Přestože posunutí atomů není nijak velké, projeví se tento přesun jako změna celkového tvaru slitiny. Jednotlivé vrstvy atomových rovin martenzitu jsou mezi sebou odděleny zlomy. Deformací se všechny vrstvy martenzitu zorientují jedním směrem. Protože atomy v martenzitu zaujímají různé polohy, které vytvářejí různé mřížky, může vzniknout z jednoho austenitu až 24 různých variant martenzitu (záleží na symetrii martenzitu), ale při zpětné transformaci martenzitu do austenitu vzniká pouze struktura s prostorově centrovanou kubickou mřížkou – obr. 4.
Přechod z austenitu do martenzitu vypadá jako skládání krychle z kosých kvádrů, různě orientovaných k původní krychli.

Objemový podíl martenzitické fáze a s ním spojené fyzikální vlastnosti slitiny (barva, elektrický odpor, modul pružnosti) se mění při tepelném cyklu podle hysterezní křivky – obr. 5. Na ní lze znázornit základní pře¬chodové (transformační) teploty:
Při ochlazování: Ms – začátek tvorby martenzitu přeměnou z austenitu;
Mf – konec přeměny austenitu na martenzit;
Při ohřevu: As – začátek tvorby austenitu přeměnou z martenzitu;
Af – konec přeměny martenzitu na austenit;
Tmax – nejvyšší teplota ohřevu pro zachování paměťového efektu.
Hodnoty přechodových teplot jsou velmi citlivé na chemické složení slitiny a také na způsob předchozího termomechanického zpracování.
Jestliže si po ochlazení na původní (chladnější) teplotu materiál podrží obnovený původní tvar, který měl před deformací, jedná se o jednocestnou tvarovou paměť.

Příklad transformace jednocestné tvarové paměti rovného drátu je znázorněn na obr. 5. Drát o určité délce se tahovým zatížením při pokojové teplotě trvale prodlouží o délku L2 – L1. Ohřevem nad teplotu Af (např. průchodem elektrického proudu) se pak drát zkrátí na původní délku před deformací. Ochlazením na pokojovou teplotu (např. vypnutím elektrického proudu) se tato délka už nezmění.

Příklad jednocestné tvarové paměti celého výrobku je znázorněn na obr. 6. Z drátu se za pokojové teploty vytvaruje součástka do požadovaného tvaru. Aby se vytvarovaná součástka tvarově stabilizovala, ponechá se v tvarovacím přípravku a s ním se vyžíhá tak, aby se odstranila všechna vnitřní pnutí (obr. 6a). Po vyjmutí z přípravku se tato součástka zdeformuje do zcela jiného tvaru – obr. 6b. Ohřevem nad teplotu Af se samovolně obnoví původní tvar zdeformované součástky, který se již ochlazením na pokojovou teplotu nezmění – obr. 6c.

U materiálů s jednocestnou pamětí k opakování celého procesu je nutno materiálm znovu mechanicky deformovat, protože slitina si pamatuje jenom výchozí tvar před deformací. Součástka vyrobená z SMA slitiny je schopna vyvinout značnou sílu (až několik set MPa), je-li jí bráněno v návratu do původního stavu. Takovéto slitiny jsou nejpoužívanější.
Jestliže si materiál po ochlazení na původní teplotu obnoví svůj tvar po deformaci, jedná se o dvoucestnou (vratnou) tvarovou paměť. Při přechodu austenitu na martenzit a martenzitu na austenit vzniká hysterezní smyčka, na které je možné pozorovat v rozmezí teplot Ms a As teplotní hysterezi. Její šířka bývá v závislosti na složení a typu slitiny v rozmezí 1 °C až 60 °C.
Příklad dvoucestné tvarové paměti rovného drátu je znázorněn na obr. 7. Průběh chování drátu je obdobný jednocestné paměti s tím rozdílem, že se neobnoví původní délka, ale už délka zdeformovaného drátu. Tohoto procesu lze využít k opakovanému přestavování polohy nějakého pohyblivého dílu, který tak může zaujímat opakovaně dvě různé polohy pouze změnou teploty.

U materiálů s dvoucestnou pamětí (TWSMA – Two Way Shape Memory Alloy), není potřeba k obnovení tvaru po deformaci mechanická energie. TWSMA je tak schopen si zapamatovat dva tvary – nízkoteplotní (martenzitický) a vysokoteplotní (austenitický). Síla, kterou TWSMA vyvine při přechodu mezi fázemi, je ale mnohem nižší než při jednocestném efektu. Také velikost vratné deformace těchto materiálů je pouze něco okolo 1 %. Navíc, pokud se materiálu příliš silně brání ve změně tvaru, může dvoucestnou paměť ztratit.
V technických aplikacích se TWSMA používají zejména jako pružiny, kdy je změna tvaru o 1 % pro daný účel postačující.
Poznámka: Dvoucestný paměťový efekt spočívá v opakovaném precipitačním vytvrzování austenitu za současného působení deformace větší, než je mez kluzu.
POUŽITÍ MATERIÁLŮ S TVAROVOU PAMĚTÍ
Mezi nejznámější materiály s tvarovou pamětí patří slitiny Ni+Ti, Cu+Al+Ni , Ni+Mn+Ga či Fe+Pd. Poslední dvě mají navíc i magnetické vlastnosti a transformaci mezi austenitem a martenzitem u nich lze řídit i vnějším magnetickým polem.
Praktické využití SMA je v mnoha variantách. Jako příklady je možno uvést využití pro pohonné jednotky (aktuátory), pro spojky potrubí (obr. 8), jimiž jsou spojovány špatně svařitelné materiály, prvky reagující na teplotu jako jsou otvírače a zavírače žaluzií klimatizátoru, mísící vodovodní baterie (obr. 9), pojistné ventily, u nichž SMA detekuje teplotu a zároveň na ni reaguje přesněji než bimetal a na druhou stranu levněji než elektronika. V případě potřeby součástka z SMA materiálu nahradí teplotní čidlo, procesor a lineární motor. To má velký význam zejména v miniaturizaci. Pro dobrou biokompatibilitu je řada těchto materiálů i vhodným materiálem pro medicínské využití.

Poznámka: Aktuátor je akční člen mechanizmu, který vykonává určitý mechanický pohyb. Aktuátory bývají řízeny elektricky, magneticky, hydraulicky, piezoelektricky apod. Součástku z SMA lze zmenšovat až do rozměrů řádově mikrometrů, aniž by se omezila její funkčnost, protože funkci vykonává samotná transformující se krystalická struktura materiálu.
Protože síla nutná pro stlačení či natažení SMA součástky je vyšší než síla, kterou látka působí na své okolí po odtížení, byly by z SMA slitin velmi špatné pružiny, ale naopak, lze je dobře využít pro tlumení vibrací:
V technických aplikacích jsou jako SMA zdaleka nejrozšířenější SMA slitiny Ni-Ti (50 – 51 at. % Ni), případně s přísadou třetího prvku (Cu, Hf, Nb, Pd aj.) známé pod obchodním názvem nitinol. Pro svoji korozivzdornost proti kyselinám i zásadám se běžně používá v lékařství. Alergennost Ni je eliminována vrstvou TiO2, kterou je nitinol pokryt.
Vedle nitinolu je známa dlouhá řada dalších SMA slitin, např. AuCd, CuZnAl, CuAlNi, a další jsou ve vývoji (FePd,TiPd, NiMnGa aj.). Co se týká formy prodávaných polotovarů, nejběžnější jsou dráty (průměr 0,1 – 5 mm), ale nově jsou vyráběny i trubky (průměr ~ 0,2 – 6 mm), tenké folie (~ 50 – 100 μm), tenké vrstvy (~10 μm) a práškové slitiny.
S přechodem z jedné struktury do druhé se může měnit také barva slitiny. Nejpatrnější je to u slitin mědi CuAlNi, kdy austenit je načervenalý, martenzit je nažloutlý. Tato vlastnost SMA ale žádné praktické využití zatím nemá.
Další zajímavostí u některých SMA je schopnost reagovat na magnetické pole. Citlivost není sice nijak vysoká a fázová transformace vyvolaná tímto efektem má vratnou deformaci pouze pár procent, ale hlavní výhodou oproti běžným SMA je rychlost reakce. U běžných SMA je schopnost změny přecházet z jedné fáze do druhé omezena rychlostí ohřevu a ochlazení, které nedosahuje ani jednoho Hz. Snížení reakční doby lze dosáhnou miniaturizací SMA součástek, čímž lze teoreticky dosáhnout rychlosti cyklování až několika desítek Hz. SMA citlivé na magnetické pole mohou ale měnit fázi s frekvencí až 1 kHz.
SUPERELASTICITA SMA MATERIÁLŮ
Zatímco u běžných kovů pružná deformace nepřesahuje 1 %, u některých SMA může plně vratná deformace dosahovat až 15 %. Tato termomechanická vlastnost SMA se označuje jako superelasticita, na níž je možné ukázat, že martenzitickou přeměnu je možno vyvolat nejen změnou teploty, ale i mechanicky. Využívá se při tom plynulého přechodu mezi austenitem a martenzitem.

Superelastické materiály zatěžované vnější silou se chovají z počátku jako běžné kovové slitiny, tedy pružně. Superelasticita se u SMA vyskytuje v případě, že součástka je mechanicky namáhána při teplotě vyšší než Af, při níž strukturu SMA tvoří austenit. Pak již poměrně malé napětí v SMA stačí k překročení hranice kritického napětí pro vznik martenzitu, kdy se spustí martenzitické transformace, při níž se austenit přemění na martenzit. SMA se tak nachází v oblasti superelasticity, kdy se jeho austeni¬tická struktura vrací zpět do martenzitického stavu. Pokud napětí v SMA nepřekročí hranici kritického kluzového napětí, bude jeho deformace po-kračovat na uvedených až 15 %, aniž by bylo nutné zvyšovat vnější sílu. Při odlehčení se celá deformace chová jako pružná a součástka obnovuje svůj původní tvar – obr. 10.
Superelasticita je velmi nelineární jev doprovázený hysterezí, kdy síla, a tím i napětí, potřebné pro deformaci austenitu na martenzit (A→M) je vyšší, než síla vydávána součástkou při návratu do původní polohy (A←M) – obr. 11, 12.

PSEUDOPLASTICITA SMA MATERIÁLŮ
Je-li SMA namáhán v martenzitickém stavu, tj. pod teplotou Ms v tahu nebo tlaku, deformuje se snadno v rozsahu ± cca 5 až 10 %, kdy se postupně vytvoří pro dané zatížení nejvýhodnější varianta martenzitu. Za touto mezí a při odtížení se zorientovaný martenzit chová elasticky. Tento jev se označuje jako pseudoplasticita.
Přestože pseudoplasticita vypadá podobně jako u běžných kovových materiálů, nedochází u SMA k pohybu skluzových dislokací, způsobujících nezvratné změny, ale pouze k pohybu fázových a vnitřních rozhraní typu dvojčat. Po zahřátí se SMA vrátí z jakéhokoli martenzitu zpět do jediné varianty austenitu, čímž opět vzniká jev tvarové paměti.

LITERATURA
[1] Josiek, R.: Paměťové materiály – bakalářská práce. VUT Brno 2010
[2] Losertová, M.: Progresivní Materiály. VŠB – TU Ostrava 2012
[3] Mazancová, E.: Materiály pro náročné technické aplikace. VŠB Ostrava
[4] Novák, V.: Intermetalika a jevy tvarové paměti. Fyzikální ústav Akademie věd ČR.
[5] Odstrčil, M. – Odstrčil, T.: Slitiny s tvarovou pamětí. FJFI – ČVUT v Praze
[6] Šesták, J., Strnad, Z., Tříska, A. a kol.: Speciální technologie a materiály. Praha 1993.

TEXT/FOTO ING. VÁCLAV MACHEK, CSC. FAKULTA DOPRAVNÍ, ING. FRANTIŠEK TATÍČEK, FAKULTA STROJNÍ, ČVUT V PRAZE