Kouzelná paměť slitin

O vlastnostech a chování materiálů v makroskopickém měřítku často rozhodují procesy, které se odehrávají až na zcela elementární úrovni jednotlivých atomů. Tuto skutečnost demonstrujeme na příkladu slitin s tvarovou pamětí.

Možnost ukázat posluchačům při výkladu kouzlo, které je svým způsobem šokující, je pro přednášejícího velmi cenný instrument, jak publikum vtáhnout do fascinujícího světa materiálové fyziky. Jedním z takových příkladů je tvarová paměť slitin. Použijeme zdánlivě běžný drát, kterému je vetknutý tvar, například nápis HOT (obr. 1 vlevo). Poté drát před zraky posluchačů libovolným způsobem zdeformujeme a odložíme na keramickou misku, nápis HOT neexistuje (obr. 1 uprostřed). Následně drát zalijeme horkou vodou z konvice, a voilà, nápis HOT je zpátky (obr. 1 vpravo). Posluchači jsou polapeni, vtaženi „do hry“, chtějí kouzlu porozumět a pochopit, proč se drát chová tak kuriózním způsobem.

Tady začíná ta zajímavější část příběhu. K tomu, aby efekty tvarové paměti fungovaly, je třeba splnit několik nutných podmínek. Zcela základním fyzikálním principem tvarově paměťových jevů ve slitinách je koordinované kolektivní chování jednotlivých atomů v krystalické mřížce. Ve všech stavech, kterými slitina prochází, si atomy musí „pamatovat“ své nejbližší sousedy a nesmějí svá okolí nejbližších sousedů opustit. V krystalografické teorii se tento princip nazývá příslušnost k Eriksenovu-Pitteriho okolí.

V tomto smyslu tedy u tvarově paměťových slitin existuje kolektivní paměť založená na lokálních atomárních interakcích. Uvážíme-li, že náš úsek drátu obsahuje hrubým odhadem 5 × 1021 atomů, jde vskutku o unikátní demonstraci koordinovaného chování meziatomárních sil. To není vůbec běžný případ standardních technických materiálů, jako jsou oceli či hliníkové slitiny, kde plastická deformace vysune atomy z původních pozic natolik, že makroskopický tvar nelze vratným způsobem obnovit. Proto je u tvarově paměťových slitin nutné nastavit chemické složení a vytvořit vhodný typ krystalografické mřížky. Experimentální vývoj posledních dekád prokázal, že tvarově paměťové slitiny patří do třídy slitin intermetalických, v jejichž mřížkách jsou atomy různých prvků pravidelně uspořádány na vzdálenosti nesouměřitelně větší, než jsou rozměry elementární krystalické buňky. Toto je jeden aspekt, který napomáhá kolektivní paměti atomů.

Nápis HOT je vytvarován z drátu intermetalické slitiny NiTi.
Levá část: Při pokojové teplotě se vnitřní struktura drátu skládá ze vzájemně se akomodujících krystalografických variant monoklinické mřížky B19' martenzitu NiTi, ve které jsou atomy obou prvků pravidelně uspořádány na velké vzdálenosti. To je schematicky znázorněno jednoduchou dvouvariantní martenzitickou strukturou sestavenou z červených a bílých atomů.
Uprostřed: Při pokojové teplotě lze drát snadno deformovat a nápis HOT zrušit. Krystalografické varianty NiTi martenzitu, které svým tvarem vyhovují námi vyvolané deformaci, rostou na úkor variant ostatních. V jednoduché reprezentaci bílých a červených atomů se z dvouvariantní struktury stal v důsledku deformace jednovariantní martenzit.
Pravá část: Drát přelijeme horkou vodou s teplotou nad 75 °C a nápis HOT se nám obnoví ve všech detailech. Při zvýšení teploty projde slitina NiTi polymorfní transformací, při které se monoklinická mřížka B19' martenzitu mění na kubickou mřížku austenitu typu B2. Zvýšení symetrie mřížky při reálné transformaci B19' → B2 reprezentujeme odpovídajícím zvýšením symetrie mřížky složené z červených a bílých atomů ve schématu.

Druhým zásadním předpokladem je schopnost intermetalické slitiny projít přímou a zpětnou polymorfní transformací. Tedy zjednodušeně řečeno, v závislosti na změně vnějších podmínek (např. teploty) změnit posunutím atomů v rámci Eriksenova- Pitteriho okolí typ mřížky z vysoce symetrické, např. kubické, na mřížku s nižší symetrií, např. ortorombickou nebo monoklinickou. V odborné terminologii nazýváme modifikaci slitiny se symetrickou mřížkou austenit, jenž je stabilní při vysokých teplotách, a modifikaci s nižší symetrií martenzit, který existuje pod teplotou polymorfní transformace. Uvedené snížení symetrie krystalické mřížky během transformace umožní vznik více variant martenzitu s jednoznačným vztahem k původní symetrické mřížce austenitu.