§ 9. Двойная память и "вечный" двигатель

В заключение этой главы вернемся к вопросу о том, почему запоминающие сплавы при охлаждении легко "уходят" от заданной им формы, но, "вспоминая" ее при нагреве, проявляют удивительную настойчивость (вплоть до готовности к самоубийству). Теперь мы можем выразить это другими словами: почему образование мартенсита, ориентированного определенным образом, можно вызвать малыми напряжениями, а при образовании аустенита в ходе нагрева возникают напряжения, гораздо большие? Зная в общих чертах механизм термоупругого мартенситного превращения (§ 8), мы легко найдем ответ на этот вопрос.

Как уже было сказано, в термоупругих сплавах, прикладывая внешнее напряжение, можно повысить температурный интервал мартенситного превращения и получить нужную ориентировку мартенситных кристаллов. Ранее мы обсуждали в основном последний (геометрический) аспект этих явлений. Теперь обратимся к первому.

По мере охлаждения аустенита в его решетке развиваются процессы, подготавливающие ее перестройку в решетку мартенсита. Эти процессы, анализ которых представляет собой довольно сложную задачу, выражаются в снижении модуля упругости. Решетка аустенита как бы теряет устойчивость по отношению к смещениям атомов в определенных направлениях. Это, понятно, и есть те направления, сдвиги вдоль которых переводят решетку аустенита в решетку мартенсита.

Чем ближе мы подходим к температуре начала мартенситного превращения М_н, тем больше "ослабляется" решетка, и, наконец, при температуре М_н начинается мартенситное превращение. Теперь рассмотрим положение, которое складывается вблизи температуры Мн, но несколько выше ее. Подготовительные процессы зашли достаточно далеко, у решетки аустенита уже "чемоданное настроение": если еще немного охладить сплав, началась бы ее перестройка в решетку мартенсита. Достаточно легкого толчка, чтобы эта перестройка произошла, и этот толчок дает внешнее напряжение, которое как раз и стремится вызвать сдвиг атомов в ослабленных направлениях. Из этих рассуждений ясно, что чем ближе мы подходим к точке М_н, тем меньшее напряжение нужно, чтобы вызвать мартенситное превращение.

Можно несколько "переиначить" ситуацию. Когда сплав находится в аустенитном состоянии, при достаточно высокой температуре (вдали от М_н), подвешиваем малый груз и начинаем охлаждение. Вначале небольшое напряжение (скажем, 100 МПа) от действия груза вызывает лишь соответствующую ему (по закону Гука) небольшую упругую деформацию решетки аустенита. При дальнейшем охлаждении (где-то недалеко от М_н) наступит момент, когда этого же напряжения будет достаточно, чтобы вызвать мартенситное превращение.

Поскольку напряжение одновременно "сортирует" ориентировки мартенситных кристаллов, сплав будет деформирован, "заряжен на вспоминание" исходной формы при последующем нагреве. Этот нагрев вызовет обратное превращение, образование аустенита, решетка которого вначале будет ослаблена; по мере повышения температуры и удаления от М_н решетка аустенита "мужает и крепнет", так что сплав может поднимать большие грузы. Предел упругости высокотемпературной фазы нитинола приближается к 1000 МПа, поэтому и напряжение, которое развивается в сплаве, если мы мешаем ему "вспоминать" форму, имеет такую же величину. Если мы подвесим еще больший груз, то начнется уже пластическая деформация аустенита, и что будет дальше - уже известно (см. выше).

Как видно, здесь нет никакой мистики, все объясняется самым естественным образом. Нет, конечно, и никаких шансов построить вечный двигатель, так как надо расходовать тепло, чтобы обеспечить подъем тяжелого груза. Это тепло расходуется на нагрев сплава до температуры обратного превращения и на само это превращение, которое, как мы знаем, развивается с поглощением тепла. Чем тяжелее груз, который мы стремимся таким способом поднять, тем выше будет температура обратного превращения и тем больше надо будет израсходовать тепловой энергии. Если взять отношение произведенной при подъеме груза работы к поглощенной при нагреве тепловой энергии, то эта величина (к. п. д.) окажется в пределах от 5 до 20%.

И все же способность запоминающих сплавов "заряжаться" под действием небольших напряжений дает еще один очень интересный эффект - так называемый обратимый ЭЗФ. Иначе это явление называют "двойной памятью". Суть его в следующем.

Если несколько раз нагреть и охладить нитиноловый стержень с подвешенным на конце небольшим грузом (например, по схеме рис. 63), то в нем будут повторяться уже знакомые нам процессы. При охлаждении стержень будет изгибаться, "заряжаясь" за счет мартенситного превращения, а при нагреве - выпрямляться, вспоминая прежнюю форму и легко поднимая подвешенный груз (легко - потому что он мог бы поднять и в 10 раз больший). Каждый раз при охлаждении образуются одни и те же кристаллы мартенсита, "избранные" внешним напряжением, и каждый кристалл всякий раз вырастает на одном и том же, "своем законном" месте. Дело в том, что в структуре аустенита всегда есть определенные неоднородности - границы зерен, дислокации, мелкие частички других фаз, создающие поля внутренних напряжений. Эти небольшие напряжения, вместе с напряжением, создаваемым внешней силой, способствуют росту таких кристаллов мартенсита, ориентировка которых лучше всего соответствует направлению равнодействующей всех сил, возникающих в данном участке образца. Конечно, главную роль играет внешнее напряжение, но мелкие геометрические детали перестройки решетки в каждом участке структуры - свои. При нагреве мартенситные кристаллы исчезнут, но при втором охлаждении под нагрузкой они вновь образуются в тех же местах, так как сработают те же тонкие особенности структуры.

Циклические переходы аустенита в мартенсит и обратно не проходят бесследно для структуры образца, хотя накопленная при охлаждении деформация практически полностью исчезает при нагреве. Сами эти циклы приводят к слабым изменениям в структуре аустенита, которая постепенно приспосабливается к тому, что мартенситные кристаллы появляются всегда в одних и тех же местах. Получается, что внешнее напряжение как бы "прорубает дорогу" мартенситным кристаллам нужной ориентировки. Когда оно сделает это несколько раз, собственное состояние структуры аустенита становится таким, что она уже "привыкает" к появлению именно этих кристаллов при охлаждении. Вырабатывается "вторая память" сплава - "память холодной формы". Теперь уже и без внешней нагрузки сплав деформируется при охлаждении в том же направлении, а при нагреве, как и прежде, восстанавливает исходную форму.

Конечно, ориентирующее действие внутренних полей напряжений, сформировавшихся в результате такого "приучения", не может быть таким мощным, как действие внешнего груза. Если охлаждением под нагрузкой можно получить, как мы уже знаем, приблизительно 10%-ную относительную деформацию, то "дрессированный" сплав дает деформацию всего 1 - 3%. Значит, благоприятные варианты ориентировки мартенсита реализуются в этом случае лишь частично (схематично это соответствует, например, второй позиции на рис. 77).

Таким образом, мы получаем материал, который уже без всякого участия внешних сил самопроизвольно деформируется при охлаждении в одном направлении, а при нагреве - в противоположном, т. е. сплав "помнит" две формы - "холодную" и "теплую". В этом состоянии сплав можно использовать, например, для автоматических терморегуляторов, реагирующих на небольшие колебания температуры, скажем, в помещении. Такие терморегуляторы можно сделать и с использованием обычного однократного ЭЗФ, но тогда требуются "встречные" пружины для "зарядки" устройства при охлаждении. Здесь же потребность в этом отпадает, и конструкции существенно упрощаются. Интересно, что при нагреве развиваются примерно такие же напряжения, как и при внешней "зарядке" на полную величину деформации.

И наконец, мы расскажем о том, как обратимый ЭЗФ проявил себя при разработке моделей нитинолового двигателя. Одна из таких моделей построена 10 лет назад под руководством американского инженера Р. Бэнкса. Она представляет собой устройство, основным элементом которого является колесо диаметром 35 см со спицами. На спицах укреплены петли длиной 15 см из нигиноловой проволоки диаметром 1,2 мм. Колесо вращается в горизонтальной плоскости так, что петли, свисающие со спиц, попадают в ванну с холодной водой (24°С), а на противоположной стороне круга - в ванну с подогретой водой (48°С) и т. д.

Не будем подробно описывать конструкцию этого двигателя. Скажем лишь, что центры вращения спиц и колеса слегка смещены друг относительно друга, поэтому сила, возникающая при распрямлении петли и направленная вдоль спицы, имеет составляющую, которая вызывает вращение (по принципу коленчатого вала). Механизм отрегулирован так, что в "холодном" полуцикле концы петель принудительно сближаются и происходит их "зарядка", а в "теплом" полуцикле петли с силой распрямляются, заставляя колесо вращаться. Мы уже знаем, что для "зарядки" требуется меньшее напряжение, чем то, которое возникает в "теплом" полуцикле в процессе вспоминания формы. Эта разница напряжений и обеспечивает вращение колеса.

Двигатель Р. Бэнкса совершил десятки миллионов оборотов, и возможно, что он работает и сейчас. Для нагрева воды в "теплой" ванне используется солнечное тепло, а выходная мощность машины составляет ∼0,2 Вт, т. е. он может обеспечить электроэнергией лишь маленькую лампочку. Но надо учесть, что это - всего-навсего модель, с помощью которой проверялась длительная работоспособность нитиноловых проволок и исследовались другие технические вопросы. В частности, уже после нескольких часов работы выяснилось, что в холодной воде петли самопроизвольно закрываются, т. е. вырабатывается "память холодной формы". Теперь уже не нужно затрачивать энергию на "зарядку" петель в "холодном" полуцикле, что приводит к росту выходной мощности двигателя.

Двигатель, о котором мы рассказали, конечно, никакого прямого практического применения не имеет. На нитиноловом принципе будут построены и более мощные, и более компактные, и более экономичные машины. Но свою главную роль эта модель сыграла - она стала демонстрацией возможностей использования низкотемпературных источников тепла. Так что, хотя это и не вечный двигатель в физическом смысле, он вечный в такой же мере, в какой вечно Солнце. Пусть в этой фразе есть некоторое преувеличение, но если читатель полюбил нитинол и ему подобные сплавы, он поймет, что мы имеем в виду.