Slitiny s tvarovou pamětí

Představte si kov, který si dokáže zapamatovat svůj tvar, a pokud jej zdeformujeme, dokáže se do něj při určitém podnětu vrátit. Takové kovy - přesněji slitiny - skutečně existují, a kromě této schopnosti (nazvané nepřekvapivě tvarová paměť) mívají superschopnost ještě jednu. Mohou se totiž pružně natáhnou nebo zkroutit mnohem více než obyčejně používané kovy - tomu se říká superelasticita. (Když je deformace pružná, znamená to, že materiál se dokáže po uvolnění sám vrátit - podobně jako natažená pružina.) Obě tyto superschopnosti souvisí - jak jinak - s jejich strukturou.

Slitin s tvarovou pamětí existuje mnoho a reagují na různé podněty. My se v tomto článku podíváme jen na ty, které reagují na změnu teploty. Neexistuje jen jedna, tyto vlastnosti má hned několik slitin. Asi nejznámější a nejpoužívanější je nitinol, složený z niklu a titanu, jejichž atomy se ve struktuře střídají.

Tyto slitiny se mohou vyskytovat ve dvou různých strukturách, odborně nazývaných fáze. Jedna se nazývá austenit a má krychlovou krystalovou mřížku, druhá je martenzit se strukturou jednoklonnou (připomínající kosočtverce). Přirozeně najdeme takovou formu martenzitu, kde se orientace jednotlivých řad kosočtverců střídají (zdvojčatělý martenzit). Když jej ale budeme deformovat, můžeme dosáhnout toho, že více řad (nebo i všechny) bude orientováno stejně.

Čím je ale způsobeno to, že materiál se dokáže vrátit do původního tvaru, a proč zrovna působením teploty? Je to tím, že každá fáze existuje jen v určitém rozsahu teplot - při vyšších teplotách má materiál austenitickou strukturu, při nižších martenzitickou.

Představme si, že máme kus materiálu, který má zrovna austenitickou strukturu a začneme jej chladit. Při určité teplotě se začne struktura měnit na martenzit a při teplotě ještě o něco nižší bude přeměna dokonána. Teď začneme působit silou (například kroutit drát). Kosočtverce původně zdvojčatělého martenzitu se naorientují na jednu stranu, což uvidíme jako změnu tvaru drátu, ale vazby mezi atomy se nezpřetrhají. Když začneme pro změnu ohřívat, chvilku potrvá, než se začne struktura měnit zpátky na austenit. Nakonec se však při dostatečně vysoké teplotě austenitická struktura kompletně vrátí - a s ní i původní tvar drátu. A máme tvarovou pamět!

Co když drát ale začneme deformovat, dokud je struktura materiálu pořád ještě austenitická? Meziatomové vazby se začnou natahovat, zdeformují se a v materiálu opět vzniknout martenzitické kosočtverce orientované na jednu stranu. Pokud deformace drátu není ještě příliš veliká a drát uvolníme, vazby se zase vrátí do původního stavu, získáme opět austenit a drát se vrátí do původního tvaru - to je superelasticita. Když jej zdeformujeme moc, změní svůj tvar trvale jako kterýkoliv jiný kov. Jak moc můžeme materiál zdeformovat, aby se vrátil, závisí na druhu slitiny - nitinol můžeme zdeformovat o 8-10 % (u obyčejných kovů to nebývá ani procento).

Zdroje:

1. HAMMACK, Bill. Nitinol: The Shape Memory Effect and Superelasticity. YouTube [online]. 25. 10. 2018 [cit. 2022-10-26]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=wI-qAxKJoSU&ab_channel=engineerguy
2. LOBO, Paolo Silva, Joao ALMEIDA a Luís GUERREIRO. Shape Memory Alloys Behaviour: A Review. Procedia Engineering. 2015, (114), 776-783. Dostupné z: doi:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.025