В лаборатории цветных сплавов Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН изучают сплавы, способные подвергаться деформации при определенной температуре, сохранять деформированную форму после снятия внешней нагрузки, а затем восстанавливать исходную форму при нагревании выше «температуры превращения». Исследования показывают, что даже привычные медные материалы могут проявлять такие свойства, если научиться точно управлять их структурой. Речь идет о так называемых сплавах с эффектом памяти формы — одном из наиболее интересных направлений современного материаловедения, где фундаментальная физика фазовых и структурных превращений напрямую связана с инженерными задачами. Именно такими материалами занимается старший научный сотрудник лаборатории кандидат физико-математических наук Алексей Свирид. За цикл исследований, посвященных медным сплавам с эффектом памяти формы, он стал лауреатом премии губернатора Свердловской области для молодых ученых.

— Если говорить совсем просто, металлический элемент можно согнуть, а затем нагреть или, наоборот, охладить, и он вернется к своей исходной форме. Это происходит благодаря уникальным фазовым превращениям в металле. В определенном температурном диапазоне кристаллическая решетка перестраивается, и материал как бы «возвращается» в состояние, в котором он был до деформации, — поясняет ученый.

Также с эффектом памяти формы тесно связано явление сверхупругости — свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Поэтому создается впечатление, будто металл действительно помнит свою форму.

История применения таких материалов началась в середине прошлого века. В 1950-е годы американские инженеры, работавшие над созданием прочных деталей для авиационной техники, обнаружили необычные свойства сплава никеля и титана: после деформации он мог восстанавливать форму при нагреве. Со временем подобные материалы нашли применение в самых разных областях техники — от космических аппаратов до медицинских устройств.

— Например, элементы из таких сплавов использовали в качестве соединительных муфт для самолетов палубной авиации США. Это очень надежный механизм, потому что он работает не за счет сложной электроники, а благодаря свойствам самого материала. Подобные решения особенно ценятся там, где важна предсказуемость и безотказность.

Сегодня эти сплавы активно применяются в отечественной и мировой медицине в качестве имплантатов и различных медицинских инструментов, в частности в травматологии, кардиохирургии, стоматологии и т.д. Однако наиболее известные материалы этого класса, прежде всего никелид титана, обладают серьезным недостатком: они дороги и технологически сложны.

— Никелид титана обладает выдающимися характеристиками, но его довольно трудно обрабатывать. Кроме того, требуется очень точное соблюдение химического состава. Если немного от него отклониться, материал может потерять нужные свойства. Поэтому с точки зрения массовых инженерных решений он далеко не всегда оказывается самым удобным вариантом.

Одной из задач материаловедения остается поиск более доступных альтернатив, и одним из перспективных направлений здесь стали сплавы на основе меди. Медные системы привлекают исследователей сразу несколькими преимуществами: они дешевле, легче поддаются механической обработке, обладают высокой тепло- и электропроводностью и устойчивостью к коррозии. Но у них есть и слабое место: в исходном состоянии такие сплавы часто оказываются хрупкими.

— Чтобы реализовать эффект памяти формы, материал нужно сначала продеформировать. Но если сплав недостаточно пластичен, он может просто разрушиться. Поэтому ключевая задача исследований заключается в том, чтобы совместить две характеристики, которые обычно плохо сочетаются: высокую прочность и достаточную пластичность материала.

Решение этой задачи связано с управлением внутренней структурой металла. Любой сплав состоит из множества кристаллических областей — так называемых «зерен». Их размеры и взаимное расположение во многом определяют механические свойства материала.

— Представьте крупное зерно размером примерно миллиметр. На его границах концентрируются упругие напряжения, которые могут привести к хрупкому разрушению. Если же структура состоит из множества мелких зерен, то локализация напряжений уменьшается. В результате металл начинает вести себя иначе: он становится более устойчивым к деформации и менее склонным к разрушению. Поэтому одна из ключевых задач исследований — сформировать мелкозернистую структуру материала. Этого удается добиться сочетанием легирования, термической обработки и интенсивной пластической деформации. 

В своих работах Алексей Свирид исследует медные сплавы, содержащие алюминий, никель и цинк. Используя методы термомеханической обработки, его группа получила материалы с мелко- и ультрамелкозернистой структурой, обладающие значительно более высокими механическими характеристиками.

Одним из инструментов для достижения этого стало микролегирование бором. Даже небольшие добавки этого элемента заметно изменяют процессы кристаллизации и позволяют подавить рост крупных зерен. В результате структура сплава становится более однородной, а его прочность и пластичность возрастают. 

Другим важным результатом стала разработка схемы высокотемпературной термомеханической обработки, включающей горячую ковку и прокатку. Она позволяет получать крупные металлические полосы с мелкозернистой структурой, а подобные материалы можно будет использовать не только в лабораторных образцах, но и в реальных инженерных изделиях. Испытания показали, что такие сплавы способны выдерживать значительные деформации и при этом сохранять эффект памяти формы: степень восстановления формы достигает 80–90 %. 

Промышленность, в частности нефтедобывающие предприятия уже проявляют интерес к разработкам уральских ученых. При геологоразведке в скважины опускают приборы, фиксирующие сигналы от пород. Чтобы оборудование находилось строго по центру скважины, на трубе устанавливаются специальные элементы — центраторы. Как поясняет Свирид, сейчас такие детали делают из стали. Но сталь может подвергаться коррозии, а кроме того, она магнитная и способна искажать сигнал приборов. Медь же немагнитна и хорошо сопротивляется коррозии. Поэтому для некоторых задач она оказывается более подходящим материалом. Инженеры заинтересовались возможностью изготовления таких элементов из медных сплавов. Сотрудники лаборатории уже изготовили опытные образцы и готовят их к испытаниям. Если все пройдет успешно, результаты фундаментальных исследований начнут работать в реальных технических задачах.

Работа материаловеда редко ограничивается теорией или компьютерными расчетами.

— Мой обычный день может начаться у печей, продолжиться на испытательных установках и закончиться у микроскопа, — говорит Алексей. — Иногда приходится и руками поработать — подготовить образец, сделать шлиф. А потом уже анализировать результаты исследований, писать статьи, готовиться к конференциям. Научная работа обычно складывается из множества таких небольших этапов.

Стоит добавить, что в материаловедение Алексей Свирид пришел еще во время учебы в университете под влиянием лекций главного научного сотрудника Института физики металлов УрО РАН, доктора физико-математических наук профессора Владимира Григорьевича Пушина.

— Однажды на лекции он сказал, что в институт требуются сотрудники, — вспоминает молодой ученый. — Я решил попробовать. Сначала работал инженером, потом постепенно включился в научную работу, занялся исследованиями, защитил кандидатскую диссертацию. Так постепенно и сформировалась моя научная тема. Медь используют с древнейших времен. И я уверен, что люди будут применять ее и дальше. Просто теперь мы начинаем лучше понимать, на что она способна.

Вадим МЕЛЬНИКОВ