STOPY Z PAMIĘCIA KSZTAŁTU

STOPY Z PAMIĘCIA
KSZTAŁTU
• NiTi 53-57% Ni, Ti50Ni48,5Co1,5
• Przemiana martenzytyczna termosprężysta: wyniku
wzajemnego dopasowania sieci macierzystej i tworzącego
się martenzytu zachodzi odkształcenie sprężyste.
• Korzystny wpływ: duży opór odkształcenia, mała wartość
stałych spręzystości, niewielka siła napędowa, odwracalny
mechanizm uwalniania naprężeń
• Cecha martenzytu termosprężystego: zbliźniaczenie
występujące w pojedynczych płytkach oraz dziedziczenie
cech fazy macierzystej, w tym uporządkowania
atomowego
• Zjawisko pamięci kształtu w stopach może
być związane z jednokierunkowym efektem
pamięci, pseudosprężystością lub też
dwukierunkowym efektem pamięci
Jednokierunkowy efekt pamięci
• Dwa stany wyjściowe:
• I) Element o zaprogramowanym kształcie i określonej
fazie macierzystej zmienia przez odkształcenie swoją
postać geometryczną, a przez to struktura przemienia się w
martenzytyczną. Nagrzanie elementu do temperatury
charakterystycznej powoduje przemianę martenzytu
ponownie w fazę macierzystą, a element odzyskuje swój
pierwotny kształt. Wielkośc naprężeń w punkcie początku
przemiany fazy macierzystej w martenzyt jest funkcją
temperatury. Naprężenie wzrasta ze wzrostem temperatury.
Natomiast dla martenzytu otrzymanego drogą hartowania
wielkość naprężeń w tym punkcie określona jest
naprężeniem potrzebnym do przemieszczenia płytki
martenzytu lub bliźniaka. Temperaturowa zależność tego
naprężenia jest określona zmianą stałych sprężystości
martenzytu
• Element o ustalonym kształcie wyjściowym po
zahartowaniu otrzymuje strukturę martenzytyczną.
Kolejne odkształcenie zmienia strukturę
martenzytyczną. Zmiana struktury martenzytu
zachodzi dopiero po ogrzaniu. Odwrotna
przemiana martenzytyczna, a w jej wyniku
wytworzenie fazy macierzystej i powrót do
pierwotnego kształtu następuje podczas dalszego
ogrzewania elementu
Pseudosprężystość
• Związana z odwracalną przemianą wywołaną
naprężeniem zewnętrznym. Utworzenie
martenzytu przy temperaturach > Af wiąże się ze
sprężystym odkształceniem o wielkości kilka do
kilkunastu procent, które całkowicie znika
podczas odciążenia. AB – sprężyste odkształcenie
fazy macierzystej. B – początek tworzenia
martenzytu, C – koniec przemiany. Sprężyste
odkształcnie CC`. D – granica plastyczności
martenzytu. C`F sprężyste odciążenie martenzytu.
F początek pdwracalnej przemiany martenzytu.
Dwukierunkowy efekt pamięci
• Gdy temperatura, w której następuje odciążenie, jest zbyt
niska, odciążenie nie inicjuje odwrotnej przemiany
martenzytycznej i zanika zjawisko pseudosprężystości.
Powrót do fazy macierzystej następuje dopiero po
nagrzaniu i bazuje na jednokierunkowym efekcie pamięci
kształtu. Zjawisko pseudosprężystości i jednokierunkowy
efekt pamięci wzajemnie się uzupełniają. Efekt związne
jest z cyklicznym przebiegiem przemian w zakresie
temperatur Ms i Af, które wywołują zmianu odwracalne
kształtu elementu bez udziału zewnętrznego naprężenia
• Na wielkość naprężeń uzyskanych w dwukierunkowym
efekcie pamięci wpływ ma wielkość przyłożonych
naprężeń. Istnieje optymalna wielkość dla uzyskania
największego efektu pamięci kształtu. Dla zainicjowania
stosuje się wielokrotne powtarzanie cyklu obróbki cieplnomechanicznej. Efekt można indukowac przez:
• - odkształcenie próbki w stanie martenzytycznym,
nagrzanie powyżej Af o następnie chłodzenie poniżej Mf,
• - odkształcenie próbki powyżej Af prowadzące do
indukowania martenzytu przyłożonym naprężeniem z
wykorzystaniem pseudospręzystości
• - nałożenie obu sposobów indukcji
Chirurgia kostna
• Najbardziej przydatny efekt dwukierunkowej
pamięci kształtu
• Bariera: biotolerancja NiTi (nikiel!). Odporność
korozyjna zbliżona do stali Cr-Ni-Mo.
• Propozycje: płytki zespoleń dociskowych,
stabilizator do leczenia skolioz, igły
śródszpikowe, klamry do osteoporozy, tulejki
dystansowe do kręgosłupa
• Zakres przemian fazowych NiTi: -50 - +51 C
(praktyczna możliwość regulowania dopływu
ciepła i sterowanie procesem odzysku kształtu
podczas operacji
• Stan wyjściowy implantu cechuje wstępne odkształcenie. Implant o
temperaturze pokojowej wprowadzony do organizmu nie zmienia
swojej struktury i kształtu (obszar I). Podczas nagrzewania implant
osiąga temperaturę As (początek przemiany odwrotnej – punkt 2),
któremu towarzyszy odzysk kształtu postępujący do osiągnięcia
temperatury Af (punkt 3), przy której z kolei następuje całkowity
powrót do pierwotnego kształtu. Po przerwaniu dopływu ciepła w
zakresie As-Af zatrzymany zostaje równocześnie proces odzyskiwania
kształtu. Dalsze schładzanie implantu do temperatury ciała nie zmienia
jego kształtu (obszar II). Stop posiada strukturę fazy macierzystej.
Dopiero oziębianie do temperatury Ms (punkt 4) powoduje jego
częściowe odkształcenie przebiegające aż do końca przemiany
martenzytycznej M (punkt 5)
• Skład NiTi można tak dobrać, aby przemiany
zachodziły w zakresie temperatur zbliżonym do
temperatury ciała pacjenta, nie narażając tkanek na
efekty zmian cieplnych
• Nagrzewanie: przez bezpośrednie doprowadzenie
ciepła za pomoca sondy kontaktowej nagrzewanej
oporowo (klamry); przez wykorzystanie ciepła
przepływającej wody, doprowadzanej ssawkami
lub przy użyciu diatermii
• Druty łukowe NiTi popularne w leczeniu
wad zgryzu: spłaszczone w stanie
martenzytycznym przrz walcowanie do
30% zgniotu, przy którym istnieje
pseudospręzystość, po odkształceniu o kąt
90° powracaja do pierwotnej postaci