§ 11. Неслабеющие пружины и немые сплавы

Заманчивые перспективы открывает использование сверхупругих сплавов в технике. Не рассматривая этот вопрос детально, мы остановимся лишь на трех принципиально важных обстоятельствах.

Во-первых, задумаемся, почему остановились наши наручные часы, если мы забыли их завести. Все ясно - "кончился завод". А что значит "кончился завод"? Это значит полностью разгрузилась заводная пружина, она исчерпала весь свой запас упругой энергии. А почему нельзя увеличить этот запас?

Энергия упругой деформации единицы объема, как мы знаем, равна а = σε/2. Путь, связанный с увеличением объема пружины, обсуждать не будем - это поведет к росту габаритов часов и другим неудобствам. Может быть увеличить напряжение, туже затягивать пружину? Но нас сдерживает величина σ_упр. Больше грузить нельзя, будут появляться остаточные деформации с вытекающими отсюда последствиями. Тогда нельзя ли увеличить деформацию? Но в упругой области σ и ε связаны законом Гука и любое увеличение ε повлечет рост σ. Вот мы и оказались в тупике, выхода нет. Приходится раз в сутки заводить часы.

Рис. 30

Теперь изготовим заводную пружину из сверхупругого материала и рассчитаем ее так, чтобы при полном заводе в ней развивалось напряжение, соответствующее точке А' на рис. 30. Остаточной деформации после разгрузки не будет, а сама разгрузка будет длиться в десятки раз дольше, чем разгружался бы обычный металл от того же уровня напряжения. В такой пружине запасено при данном значении а гораздо больше упругой энергии, так как величина сверхупругой деформации значительно больше обычной упругой. Есть много других разнообразных конструкций, в которых необходимо накапливать большую упругую энергию с тем, чтобы расходовать ее или постепенно, или же сразу "выплеснуть" ее в нужный момент. Здесь сверхупругие сплавы еще должны сказать свое веское слово.

Второе обстоятельство по сути дела является одним из аспектов первого. Рассмотрим его снова на примере пружины. Всем известно, что пружины постепенно "садятся", частично утрачивают свои функции. Часто причиной этого являются внутренние процессы релаксации, протекающие в материале самой пружины. Но нередко возникает и другая ситуация - пружина слабеет из-за изменения размеров соединенной с ней детали, которое происходит под действием самой пружины. Это может сильно осложнить решение некоторых конкретных задач. Вот пример из области медицины, к которому мы еще вернемся (см. рис. 69).

Для лечения такой травмы, как перелом челюсти, применяют скобку-пружинку, которую натягивают и вставляют в два отверстия, высверленных в кости по обе стороны от места перелома. Под давлением пружинки сращивание кости происходит гораздо быстрее, чем в свободном состоянии, но по мере сращивания концы пружинки сближаются, ее деформация уменьшается и оказываемое ею давление на кость снижается по закону Гука. Так происходит с любой "нормальной" пружиной - изменение ее силовой характеристики следует линии АО на рис. 13.

Но взглянем на линию разгрузки сверхупругого материала - А'АО на рис. 30. Видно, что на очень большом перемещении усилие остается практически неизменным, что и нужно для решения данной задачи. Этот метод уже используется в нашей стране и, между прочим, дает солидный экономический эффект: больной бюллетенит одну неделю вместо обычных трех.

Рис. 31

Много подобных задач возникает и в технике, когда требуется обеспечить постоянное усилие прижатия одной детали к другой. Сверхупругие сплавы с успехом используются, например, для изготовления микрозондов, контролирующих параметры интегральных схем в электронной технике. При контроле с помощью такого микрозонда обеспечивается постоянство электросопротивления контактной площадки и, следовательно, высокая точность измерений.

И, наконец, снова о "говорящих" и "немых" сплавах. Есть сверхупругие сплавы, у которых линия разгрузки располагается заметно ниже линии нагрузки, как показано пунктиром на рис. 30. Вспомним, что внутреннее трение определяется площадью петли на диаграмме σ - ε; видно, что названная ранее цифра (внутреннее трение порядка 10%) - не предел для сверхупругих сплавов. Если возбудить колебания в сверхупругом сплаве с такой исходной амплитудой деформации, которая уже выходит на сверхупругий участок АА' диаграммы, то они будут затухать с чрезвычайно большой скоростью. Амплитуда каждого следующего колебания будет в несколько раз меньше, чем предыдущего. При ударе молотка по куску такого сплава мы услышим лишь слабый, глухой, короткий звук. Сверхупругие сплавы - самые "немые" из существующих. Вряд ли можно придумать лучший металлический амортизатор, если не прибегать к специальным конструктивным приемам - использованию гидравлики и пр.