При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры — мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.
При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.
Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.
Рис. 3.4 – Суть эффекта памяти формы
Тесно связанным с эффектом памяти формы явлением является сверхупругость — свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.
Таким образом, в основе ЭПФ большинства сплавов лежат так называемые термоупругие мартенситные превращения (ТУМП). Теория мартенситных превращений основывается на фундаментальных представлениях о закономерном характере перестройки кристаллической решетки и когерентности сосуществующих фаз аустенита (А) и мартенсита (М), сформулированных Г.В. Курдюмовым (высокотемпературную фазу принято называть аустенитом, а низкотемпературную — мартенситом).
Для сплавов с ТУМП характерна зависимость фазового состава от температуры (рисунок 3.5).
Рисунок 3.5. — Зависимость фазового состава сплава от температуры:
а — широкий гистерезис; б — узкий гистерезис
Из аустенитного состояния при охлаждении материала с некоторой температуры Мн. начинает образовываться мартенсит. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается. Полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза. При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается с некоторой температуры Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак–Мн или Ан–Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (рисунок 1, а, б). При наличии механических напряжений температуры Мн, Мк, Ан и Ак могут смещаться в сторону более высоких температур. В этом случае их обозначают как Mнσ , Мкσ , Анσ , Акσ .
Важно отметить, что при ТУМП (в отличие от обычных мартенситных превращений, например в сталях) межфазные границы между А и М сохраняют когерентность и являются легко подвижными. При охлаждении (прямое превращение) в интервале температур (Мн–Мк) зарождаются и растут кристаллы мартенсита, а при нагреве (обратное превращение) в интервале температур (Ан–Ак) кристаллы мартенсита исчезают (превращаются в аустенит) в обратной последовательности (рисунок 3.6).
