Обзор теоретических и экспериментальных работ
Феменология эффекта памяти формы у металлических материалов
В настоящее время эффект памяти формы (часто его называют механической или мартенситной памятью) обнаружен у широкого круга сплавов, принадлежащих различным системам, в частности у сплавов систем Ti—Ni, Fe—Ni, Cu—Al, Си—Mn, Аи—Cd, Си—Al—Ni, Co—Ni, Ni—Al, Си—Zn—Al и многих других [2, 3]. Некоторые исследователи [4] полагают, что этот эффект принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситное превращение, и в том числе у таких чистых металлов, как Ti, Zr и Со.
Феноменология эффекта памяти заключается в следующем. Материал в виде ленты, проволоки и т. п., обладающий эффектом запоминания формы, пластически деформируют при температуре Тд выше температуры прямого мартенситного превращения Мн с целью придания ему определенной формы, затем 
охлаждают до температур, обеспечивающих протекание (полное или частичное) мартенситного превращения и деформируют в этой температурной области до получения плоскостной формы. При нагреве выше температуры обратного мартенситного превращения Ак образец вновь восстанавливает форму, которая была ему придана при температуре Тд больше Мн. Возможен и другой случай проявления эффекта памяти формы. Изделию придают требуемую форму в мартенситной области, затем нагревают его до аусте-нитного состояния и деформируют до получения первоначальной формы. При последующем охлаждении до мартенситного состояния изделие приобретает форму, приданную ему при ТК больше Ак В последнее время в технической литературе появились также сведения о так называемом эффекте обратимой памяти, проявляющемся в прямой зависимости формы образца от температурных условий. В этом случае форма заготовки как бы «следит» за температурой: при Т больше МН заготовка получает определенную форму, при охлаждении до температуры Т больше АН она становится плоской (как после деформации), а при последующем нагреве вновь приобретает форму, приданную при Т больше Мп. При дальнейшем циклировании температуры эффект повторяется вновь. Некоторые исследования показали, что эффект обратимой памяти в сплавах может наблюдаться многократно (например, для сплава Ti—55% Ni несколько миллионов циклов) без каких-либо заметных необратимых изменений в структуре и свойствах материала. Тем не менее следует отметить, что природа эффекта обратимой памяти до конца еще не выяснена, поэтому в настоящей работе рассмотрены в основном вопросы, касающиеся «обычного» эффекта памяти формы.
Анализ экспериментальных и теоретических работ [5, 6, 7, 4], посвященных изучению памяти в металлических материалах, позволяет выявить несколько основных закономерностей проявления этого эффекта (каких)?.
Основные свойства и характеристики сплавов, обладающих ЭМПФ
Как правило, эффект памяти формы наблюдается в сплавах, претерпевающих термоупругий мартенситный переход. Переходы такого типа были впервые обнаружены Г. В. Курдюмовым и Л. Г. Хандросом [7] и подробно исследованы в дальнейших работах [5, 6]. В результате исследований условий образования и роста новой фазы в среде с высокими упругими свойствами авторы работы [7] пришли к заключению, что на границе раздела фаз должна сохраняться структурная связь (когерентность) кристаллических решеток обеих фаз. Существование этой связи приводит к возникновению упругой энергии, величина которой зависит от соотношения межатомных расстояний в исходной и мартенситной фазах, от величины упругих констант и от способа перестройки решетки. При достижении некоторой температуры мартенситный кристалл приобретает определенные размеры, и если принять, что он имеет пластинчатую форму, то общее изменение свободной энергии системы запишется в виде [8]
, (1.2.1)
где 
— изменение химической свободной энергии, отнесенное к единице объема;
— размеры мартенситного кристалла;
— поверхностная энергия;
— модуль сдвига;
— угол сдвига.
При достижении определенных размеров рост мартенситного кристалла прекращается и устанавливается термоупругое неустойчивое равновесие между кристаллом мартенсита и исходной фазой. Дальнейшее охлаждение вызывает увеличение разности химических свободных энергий и приводит к дальнейшему росту мартенситного кристалла. Исчезновение же мартенситного кристалла при нагреве происходит с небольшим температурным гистерезисом. Как отмечают авторы [8], термоупругое равновесие возможно лишь в тех случаях, когда возникающая в процессе образования мартенсита упругая энергия сравнима по величине с химической свободной энергией. При этом температура должна быть достаточно низкой, чтобы ограничить влияние релаксационных процессов, приводящих к нарушению сопряженности на границе раздела фаз. Кристаллы мартенсита, образующиеся в процессе охлаждения сплава до температуры ниже Мн, ориентированы в соответствии с кристаллографической взаимосвязью: первые кристаллы мартенсита влияют на ориентировку кристаллов, возникающих при последующем охлаждении, а изменение ориентировки первых кристаллов изменяет всю картину рельефа при последующем превращении [8]. Рост упругих кристаллов мартенситной фазы может происходить также и при постоянной температуре под влиянием внешних напряжений [5]. Так, экспериментальные исследования показали, что при температуре выше Мн под действием внешней нагрузки на полированной поверхности образца появляется рельеф, соответствующий образованию кристалла мартенсита. Однако в отличие от клиновидных кристаллов, в отсутствие напряжений, возникающих при нагреве, кристаллы мартенсита имеют вид плоскопараллельных пластин, количество и размеры которых растут по мере увеличения напряжений [8]. При снятии нагрузки межфазные границы перемещаются в сторону исходной фазы. Если температура превышает Ак, кристаллы мартенсита полностью исчезают. При температуре ниже Ак после снятия нагрузки кристаллы мартенсита частично остаются. Если нагрузка прикладывается при температуре ниже Мк, когда в структуре сплава уже есть некоторое количество мартенситных кристаллов, то часть из них, имеющая благоприятную ориентировку по отношению к приложенной нагрузке, растет, наряду с образованием и ростом новых кристаллов мартенсита. Следует также отметить, что кристаллы мартенсита образуются при любом виде деформации.
По данным работы [5], при изменении направления приложенных напряжений могут исчезать кристаллы с одной ориентировкой габитусных плоскостей и возникать кристаллы с другой ориентировкой. Следствием существования термоупругого равновесия фаз является эффект сверхупругости, заключающийся в том, что деформация, сообщенная образцу при нагружении, полностью возвращается при разгрузке [9]. Таким образом, явление сверхупругости лежит в основе упоминавшегося выше эффекта обратимой памяти и при благоприятных условиях обеспечивает полное возвращение формы при снятии напряжений или изменении температурных условий.
Другим важным моментом, имеющим отношение к феноменологии эффекта памяти формы, является механизм восстановления структуры при нагрузке. По мнению многих исследователей, деформация в мартенситной области (или деформация при температуре Т меньше МК), уничтожающая форму, приданную изделию при Т больше МН, должна происходить по механизму, обеспечивающему полное восстановление структуры при обратном мартенситном переходе. Чаще всего таким механизмом является процесс двойникования; Д. Перкинс [10], однако, показал экспериментальным путем, что это не единственно возможный механизм восстановления структуры при обратном мартенситном превращении и что эффект памяти формы может быть обеспечен образованием в мартенсите трехмерной сетки частичных дислокаций с дефектами упаковки между ними протяженностью 30 А (сплав системы Сu—Al—Zn).
Многие исследователи считают, что эффект памяти формы в сплавах связан с их упорядочением при охлаждении, однако сколько-нибудь убедительного объяснения роли упорядочения в этом эффекте высказано не было. Отмечалось лишь то, что при протекании мартенситного превращения в упорядоченной системе, достигается полная обратимость структуры [11]. В случае же, когда прямое и обратное мартенситное превращения происходят в неупорядоченных сплавах, полная обратимость структуры не достигается. Под кристаллографической обратимостью мартенситного превращения авторы работы [11] понимали восстановление точной ориентировки матричной фазы после обратного мартенситного превращения. Тем не менее имеются сведения, что полная обратимость структуры наблюдается и в неупорядоченных сплавах (сплавы системы In—Тi), и в чистых металлах [12].
Для более полного представления об эффекте памяти формы важно отметить еще несколько его особенностей.
Чем выше точка Мн по шкале температур, тем в меньшей степени выражен этот эффект. Примером могут служить сплавы системы Fe—Ni (от 5 до 20 % Ni), имеющие довольно высокую температуру обратного мартенситного превращения (от 200 до 400 °С в зависимости от химического состава) и слабое проявление эффекта памяти формы (степень восстановления формы при обратном мартенситном превращении тем меньше, чем выше температура Мк).
Значительная деформация сплава в мартенситной области или при температуре ниже Мк (более 7—10 %) приводит к частичному или полному (в зависимости от степени деформации) исчезновению эффекта памяти формы [13].
Если температура М к лежит ниже комнатной температуры, то завершенности мартенситного превращения, как это следует из экспериментальных данных, можно добиться деформацией при 20 °С.