Функциональные материалы с эффектом памяти формы

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ
С ЭФФЕКТОМ 
ПАМЯТИ ФОРМЫ

Допущено 
Учебно-методическим объединением высших учебных заведений РФ 
по образованию в области материаловедения, технологии материалов 
и покрытий в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки магистратуры 22.04.01 
«Материаловедение и технологии материалов»

Москва
ИНФРА-М
2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Московский авиационный институт
(Национальный исследовательский университет)

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
 
Ф94

Ф94
 
Функциональные материалы с эффектом памяти формы : учебное пособие / 
М.Ю. Коллеров, Д.Е. Гусев, Г.В. Гуртовая [и др.]. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 
140 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/18648.

ISBN 978-5-16-011769-0 (print)
ISBN 978-5-16-104189-5 (online)
В пособии рассматриваются особенности структуры и свойств функциональных материалов с эффектом памяти формы. Описаны кристаллографические характеристики мартенситных превращений и термомеханические свойства сплавов на основе различных металлов и интерметаллидов, а также методы 
их определения. Показаны основные области применения функциональных 
материалов с эффектом памяти формы.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Учебное пособие предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей технических вузов, а также для инженеров, специализирующихся в областях 
разработки и применения новых функциональных материалов в современных 
конструкциях авиационно-космической техники, судостроения, транспорта, 
различных отраслей машиностроения, а также в медицинских изделиях.

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

А в т о р ы:
Коллеров М.Ю., д-р техн. наук, профессор — введение, гл. 1, п. 4.2, 4.3, 6.7, 
заключение;
Гусев Д.Е., канд. техн. наук, доцент — список условных обозначений и сокращений, п. 3.2, 3.3, гл. 5;
Гуртовая Г.В., канд. техн. наук, доцент — гл. 2, п. 3.2, составитель;
Ручина Н.В., канд. техн. наук — п. 6.1–6.6, контрольные вопросы по гл. 1–6;
Гвоздева О.Н., канд. техн. наук — п. 4.1, 4.4

Р е ц е н з е н т ы:
Попов А.А., д-р техн. наук;
Шляпин А.Д., д-р техн. наук;
Мамонов А.М., д-р техн. наук

ISBN 978-5-16-011769-0 (print)
ISBN 978-5-16-104189-5 (online)
© Коллектив авторов, 2016

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

Список условных обозначений и сокращений

Ак — температура конца обратного мартенситного превращения 
В19′ → В2 (при одностадийном превращении) или R → В2 (при двухстадийном превращении) при нагреве;
Ав
к — температура конца восстановления формы;
Ан — температура начала обратного мартенситного превращения 
В19′→ В2 (при одностадийном превращении) или R → В2 (при двухстадийном превращении) при нагреве;
А

в
н — температура начала восстановления формы;
ав — удельная работа восстановления формы;
БПС — ближний порядок смещения в решетке исходной фазы 
в предмартенситном состоянии;
ВДП — вакуумная дуговая плавка;
ВДПНЭ — вакуумная дуговая плавка с нерасходуемым электродом;
ВИП — вакуумная индукционная плавка;
В19′ — моноклинная решетка мартенсита;
В19′′ — триклинная решетка мартенсита;
ВФ — восстановление формы;
В2 — структурный тип кристаллической решетки бинарного соединения типа АВ (например, CsCl): простая кубическая решетка 
пространственной группы Pm3m, в которой атомы А и В заполняют все пустоты; иногда В2 рассматривают как упорядоченную 
ОЦК решетку, состоящую из двух простых кубических подрешеток 
атомов А и атомов В;
ГРЭ — гарнисаж — расходуемый электрод;
ГЦК — гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка;
ГЦТ — гранецентрированная тетрагональная кристаллическая 
решетка;
ДУ — дефект упаковки;
Кβ — коэффициент β-стабилизации (для титановых сплавов);

МД — температура, при которой осуществляют деформацию изделий из МПФ для реализации ЭПФ (как правило, Мд< Ан);
Мк — температура конца прямого мартенситного превращения В2 → В19′ (при одностадийном превращении) или R→ В19′ 
(при двухстадийном превращении) при охлаждении;
Мк
σ — температура конца прямого мартенситного превращения 
под действием внешнего напряжения;

Мн — температура начала прямого мартенситного превращения В2→ В19′ (при одностадийном превращении) или R→ В19′ 
(при двухстадийном превращении) при охлаждении;
Мн
σ — температура начала прямого мартенситного превращения 
под действием внешнего напряжения;
Мσ — температура, выше которой мартенситное превращение 
под напряжением подавляется;
МП — мартенситное превращение;
ММП — мартенсит-мартенситное превращение;
МПФ — материалы с памятью формы;
М2Н — моноклинная периодическая слоистая структура мартенсита с гексагональной симметрией плоскости укладки в вертикальном направлении;
2Н — ромбическая периодическая слоистая структура мартенсита 
с гексагональной симметрией плоскости укладки в вертикальном 
направлении;
М3R — моноклинная периодическая слоистая (3 слоя) структура 
мартенсита с ромбоэдрической симметрией плоскости укладки 
в вертикальном направлении;
М9R — моноклинная длиннопериодическая слоистая (9 слоев) 
структура мартенсита с ромбоэдрической симметрией плоскости 
укладки в вертикальном направлении;
9R — ромбическая длиннопериодическая слоистая (9 слоев) 
структура мартенсита с ромбоэдрической симметрией плоскости 
укладки в вертикальном направлении;
М18R — моноклинная длиннопериодическая слоистая (18 слоев) 
структура мартенсита с ромбоэдрической симметрией плоскости 
укладки в вертикальном направлении;
18R — ромбическая длиннопериодическая слоистая (18 слоев) 
структура мартенсита с ромбоэдрической симметрией плоскости 
укладки в вертикальном направлении;
ОР — орторомбическая решетка мартенсита;
ОСВФ — общая степень восстановления формы при реализации 
ЭПФ, включающая упругую составляющую деформации;
ОЦК — объемно-центрированная кубическая кристаллическая 
решетка;
ОЦТ — объемно-центрированная тетрагональная кристаллическая решетка;
ПСС — промежуточные структуры сдвига в решетке исходной 
фазы в предмартенситном состоянии;
ПУ — псевдоупругость;
СВФ — степень восстановления формы при реализации ЭПФ;

СУ — сверхупругость;
ТМС — термомеханические соединения;
Т0 — температура термодинамического равновесия аустенитной 
и мартенситной фаз;
Тд — температура деформации;
TR — температура перехода моноклинного в триклинный мартенсит;
ЭПФ — эффект памяти формы;
DO3 — кубическая упорядоченная кристаллическая структура 
типа Fe3Al, полученная из ОЦК-решетки;
L21 — упорядоченная кристаллическая структура типа Cu2MnAl, 
полученная из ОЦК-решетки;
R — ромбоэдрическая решетка мартенсита;
v –скорость охлаждения;
v1
кр – первая критическая скорость охлаждения;
ε — деформация при испытании на растяжение, сжатие, изгиб;
γ — деформация при испытании на кручение;
ε0 2

кр
, , γ0 2

кр
,  –критическая степень наведенной деформации, определенная по заданному допуску на величину невосстановленной деформации (0,2%);
ε1
кр, γ1
кр — первая критическая степень деформации;

ε2

кр, γ2
кр — вторая критическая степень деформации;
εв, γв– восстановленная деформация;

εк

об, γк

об – максимально возможная кристаллографически обратимая деформация;
εн, γн — наведенная деформация;
εнв, γнв — не восстановленная деформация;

εо

в, γо

в — обратимая величина восстановления формы при обратимом ЭПФ;
εост, γост — остаточная деформация;
εсу, γсу — сверхупругая деформация;
εу, γу — упругая деформация;

σ0 2

кр
, , τ0 2

кр
,  — критическое напряжение, отвечающее критической 

деформации ε0 2

кр
,  (γ0 2
кр
, );
σ — нормальное напряжение;
σмп — механическое напряжение, вызывающее образование мартенсита напряжения;

σв
н — напряжения начала возврата деформации;

σн
н — напряжения начала накопления деформации при нагружении;
σв
к — напряжения конца возврата деформации;
σн
к — напряжения конца накопления деформации при нагружении;
σм — критическое напряжение мартенситного сдвига;
σпц — предел пропорциональности;
σр– реактивные напряжения;
σск — критическое напряжение скольжения;
σт – физический предел текучести;

σдв
т  – напряжение, вызывающее процесс двойникования и передвойникования в мартенсите;
σу – упругие напряжения;
τ – касательное напряжение;
ϕ – угол закручивания образца при испытании на кручение.

Введение

По своему назначению материалы чаще всего разделяют на следующие группы:
1) конструкционные;
2) инструментальные;
3) жаропрочные;
4) специальные.
Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей машин, эксплуатирующихся при относительно невысоких температурах (для каждого материала — своя область температур). Основная 
задача конструкционных материалов — сохранять форму изготовленных из них деталей (пластически не деформироваться и не разрушаться). Поэтому их главной характеристикой является предел текучести, определяющий максимальный уровень напряжений, которые 
может испытывать деталь в процессе эксплуатации. Некоторые особенности работы изделия могут накладывать дополнительные требования. 
Так, если деталь подвергается циклическим нагрузкам, то на первое 
место выходит предел выносливости материала. Если деталь должна 
обладать высокой жесткостью (сохранять форму в области упругих 
деформаций), то необходимо анализировать модули упругости материала. Для применения в авиации и космонавтике важными являются не абсолютные значения характеристик прочности и жесткости, 
а их удельные значения, отнесенные к плотности материала.
Жаропрочные материалы можно считать разновидностью конструкционных, но эксплуатирующихся при более высоких температурах, что 
накладывает на них специфические требования, в частности к длительной прочности, ползучести др. Необходимо отметить, что рабочие 
температуры одних жаропрочных сплавов (например, на основе алюминия) могут быть ниже температуры эксплуатации конструкционных 
сплавов на другой основе (стали, титановые сплавы).
Инструментальные сплавы объединяют в себе группу материалов, имеющих особые требования по ряду механических и физических свойств и предназначенных для изготовления инструмента 
и оснастки для обработки различных материалов. Обычно выделяют 
сплавы для изготовления режущего, штампового и другого подобного инструмента. К таким сплавам предъявляются требования повышенной твердости и сохранения ее при высоких температурах.
Сплавы, предназначенные для изготовления измерительного инструмента, должны иметь низкий коэффициент термического расширения.

Сплавы специального назначения, как правило, можно отнести 
к вышеупомянутым материалам, но они имеют высокий уровень 
требований к определенным группам механических, физических 
или химических свойств. Можно выделить магнитные, электротехнические материалы, износостойкие сплавы и др. Особую группу 
специальных материалов иногда определяют как функциональные 
материалы, умные или интеллектуальные материалы (smart material). 
Их физические или механические свойства резко отличаются от поведения обычных конструкционных, жаропрочных или инструментальных материалов. К таким функциональным материалам 
относятся сплавы с эффектом памяти формы. Их механическое поведение в значительной степени зависит от внешних условий (температура, давление) и предыстории их изменения.
Материалы с памятью формы (МПФ) [1–4] способны при низких 
температурах при нагружении накапливать деформацию, а после нагрева полностью или частично ее восстанавливать. К таким материалам относят в первую очередь сплавы, в которых при термическом 
и (или) механическом воздействии развиваются обратимые мартенситные превращения [5]. Эти сплавы могут быть основой композиционных материалов, в большей или меньшей степени способных 
к восстановлению формы.
Подобное явление изменения формы наблюдается и в полимерных материалах. Однако природа формоизменения в них 
и условия его создания и реализации значительно отличаются 
от сплавов с памятью формы. Поэтому в настоящем учебном пособии под материалами с памятью формы мы будем понимать только 
сплавы с термически и механически обратимым мартенситным превращением и композиционные материалы на их основе.
Интерес к материалам с эффектом памяти формы за последние 
50 лет изменялся от взлета к падению и снова к взлету. Первый пик 
пришелся на 70–80-е годы прошлого столетия после открытия эффекта памяти формы (shape memory effect) в никелиде титана в 1962 г. 
Этот всплеск интереса был обусловлен теми невероятными возможностями, которые сулило обнаруженное явление. Во всем мире было 
подано несколько десятков тысяч заявок на изобретения, в которых 
основным элементом является материал с памятью формы. Практически все изобретения получили патенты, но только несколько десятков 
из них могли быть реально использованы. Материал был настолько 
капризен, что заставить его работать так, как надо разработчику конструкции, удавалось крайне редко. Поэтому первоначальная эйфория 
от открытия сменилась пессимизмом. В 80–90-х годах о нем начали 
забывать, но в этот период материал «перешел» из-под опеки изобрета

телей-конструкторов к материаловедам-технологам. В процессе долгих 
и кропотливых исследований, чередовании удач и неудач научились 
в определенной степени управлять структурой и свойствами этих материалов и обеспечивать большинство требований изобретателей-конструкторов и производителей. Материал с памятью формы стал востребован во многих отраслях экономики и интерес к нему с началом 
нового века вновь вырос. Он более широко стал использоваться в медицине и товарах народного потребления. Если вы видите человека с брекетами для исправления прикуса зубов, то скорее всего у него силовой 
элемент, обеспечивающий плавное, нетравматическое смещение зубов, 
выполнен из сверхупругой проволоки сплава на основе никелида титана 
(рис. 1.1, а). Такая же проволока используется в оправе очков (рис. 1.1, 
б) или в гибких рыболовных поводках для спиннинга (рис. 1.1, в).

а
б

в

Рис. 1.1. Примеры применения МПФ 
в медицине и товарах народного потребления:
а — силовой элемент брекет-системы1; б — оправа очков из МПФ2; в — гибкие рыболовные поводки из МПФ для спиннинга

1 
Стоматологическая клиника «Стоматов». Безлигатурные брекеты http://
stomatov.ru/areas/ispravlenie-prikusa/bezligaturnye-brekety/
2 
Сеть салонов оптики «Оптикомания». Металлы с памятью формы http://www.
optikomania.ru/mem.php

Несмотря на очевидный успех в применении МПФ, их возможности 
в настоящее время использованы ничтожно мало. Это связано с нерешенными проблемами обеспечения регламентированных характеристик и высокой стоимостью производства полуфабрикатов и изделий. 
Поэтому работы у материаловедов-технологов еще очень и очень много.
Настоящее учебное пособие составлено с целью ознакомления 
читателей со специфическими особенностями работы с материалами 
с эффектом памяти формы. Оно может быть полезно как для тех, кто 
ииследует этот материал, так и для тех, кто занимается производсвом 
или применением изделий из него.
Поскольку изделия из МПФ могут применяться в совершенно 
разных областях, специалисты по проектированию и применению 
таких изделий могут иметь подготовку в разных научных областях. 
Поэтому пособие составлено таким образом, что первая его часть 
(гл. 1) дает достаточно общее представление о МПФ, а другие разделы посвящены отдельным вопросам исследования, обработки, 
производства или применения этого материала. Читающие данное 
пособие (магистры, аспиранты, инженеры, научные работники 
и другие специалисты) могут сами выбирать те разделы, которые 
окажутся полезными с их точки зрения.
Мы будем благодарны читателям, которые сделают свои замечания по содержанию учебного пособия и выскажут пожелания 
по более углубленному изложению отдельных проблем МПФ. Мы 
постараемся все учесть и внести исправления и добавления в следующих изданиях.
Данное учебное пособие обобщает опыт изучения функциональных материалов, обладающих эффектом памяти формы, зарубежных и российских ученых, а также результаты собственных исследований авторов, выполненных на кафедре «Материаловедение 
и технология обработки материалов» МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского начиная с 1980 г.
Пособие предназначено для подготовки бакалавров и магистров 
по направлению «Материаловедение и технологии материалов» 
(22.03.01 ПК-3, ПК-5, ПК-9, ПК-11, ПК-12 и 22.04.01 ПК-2, ПК-3, 
ПК-4, ПК-7, ПК-14) по дисциплинам «Перспективные материалы 
и технологии», «Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов», а также будет полезно для подготовки бакалавров по направлению «Биотехнические системы и технологии» 
(12.03.04 ПК-1, ПК-5, ПК-6) по дисциплине «Биотехнические 
системы медицинского назначения», для аспирантов по специальности «Металловедение и термическая обработка» и «Материаловедение (Машиностроение)», инженеров (40.086:А/03.5, С/03.7; 40.083: 
C/05.7; 40.085: B/04.6, B/05.6, B/06.6; 40.017: С/07.7, 31.013: C/01.4, 
C/04.4, C/06.4) и научных работников, занимающихся изучением 
и применением материалов с эффектом памяти формы.