Cum realizează aliajul nichel-titanium un echilibru perfect între absorbția energetică și eliberarea prin interacțiuni la nivel atomic?

Superelasticitatea aliajului nichel-titanium provine din caracteristicile sale unice de transformare a fazei martensitice. În intervalul de temperatură ușor peste temperatura de transformare (AF), materialul se află în starea de fază a părintelui austenit, iar structura de zăbrele prezintă un aranjament de cristal cubic extrem de simetric. Când forța externă face ca tulpina să depășească valoarea critică, materialul se va transforma în faza martensită printr -o transformare în fază fără difuzie. Această transformare în fază este însoțită de reconstrucția structurii de zăpadă: celula de unitate cubică inițial obișnuită este transformată într-o structură de stare cu energie scăzută, cu simetrie monoclinică. Această transformare structurală este în esență un proces de absorbție a energiei, care dispersează concentrația de stres prin deplasarea coordonată la nivel atomic.

După descărcarea forței externe, energia liberă a sistemului scade și conduce transformarea fazei inverse, faza de martensită este transformată înapoi în faza austenită, iar structura de zăbrele revine la starea sa inițială. Pe parcursul întregului proces, materialul obține deformare și recuperare prin transformarea fazelor, mai degrabă decât prin mișcarea tradițională de luxație. Acest mecanism permite aliajului nichel-titanium să elibereze până la 8% din tulpina elastică în momentul descărcării, depășind cu mult limita elastică de 0,5% -2% din metale obișnuite.

Mecanismul influenței microstructurii asupra superelasticității
Aliajele nanocristaline de nichel-titanium prezintă proprietăți superelastice superioare celor ale materialelor cu granulație grosieră. Atunci când dimensiunea bobului este rafinată la nivelul submicronului, densitatea limitei de cereale crește semnificativ, ceea ce nu numai că limitează calea de propagare a transformării fazei martensitice, dar împărtășește și o parte din tulpină prin alunecarea limitelor de cereale. Studiile au arătat că atunci când dimensiunea bobului este redusă la sub 50 nm, amplitudinea maximă a tulpinii pe care materialul o poate rezista crește cu aproximativ 30%, menținând în același timp caracteristici de histereză mai stabile.

Particulele de fază a doua, cum ar fi Ti₃ni₄, introduse prin tratamentul de îmbătrânire pot optimiza semnificativ performanța suprelastică. Aceste precipitații la nano -scală inhibă mișcarea de dislocare prin efecte de fixare și promovează transformarea martensitică uniformă ca site -uri de nucleare de deformare a fazelor. Când dimensiunea fazei precipitate se potrivește cu dimensiunea variantei martensitice, materialul prezintă o tulpină reziduală mai mică și o stabilitate ciclică mai mare.

Modificări ușoare în nichel-titanium Raportul atomic (NI/TI) schimbă fundamental comportamentul de transformare a fazelor. Când conținutul de Ni se abate de la raportul equatomic (50:50), temperatura de transformare a fazelor se schimbă, iar morfologia variantei martensitice se schimbă de la auto-cooperanță la detwinned. Această evoluție structurală permite materialului să prezinte proprietăți de amortizare mai bune la o viteză specifică de încordare, care este potrivită pentru câmpul de control al vibrațiilor.

Proces dinamic de disipare și recuperare a energiei
Mecanismul de conversie a energiei în ciclul superelastic implică procese fizice pe mai multe scări. În timpul etapei de încărcare, munca depusă de forța externă este transformată mai întâi în energie de distorsiune a zăbrelei. Când tulpina depășește valoarea critică a transformării fazei, aproximativ 60% -70% din energie este transformată în căldură latentă de transformare a fazelor prin transformarea fazei martensitice. Energia rămasă este stocată în faza austenită reziduală și în câmpul de stres al interfeței. În timpul descărcării, căldura latentă eliberată de transformarea fazei inverse și energia tulpinii elastice conduc în comun recuperarea formei. Pierderea de energie a întregului proces este mai mică de 10%, ceea ce este mult mai bun decât pierderea de histereză de 30%-50%din metalele tradiționale.

Rata de transformare a fazelor are un efect semnificativ asupra performanței suprelastice. Când viteza de tulpină depășește 10⁻./S, transformarea fazei martensitice se schimbă de la tipul activat de căldură la tipul indus de stres. În acest moment, căldura latentă a transformării în fază nu are timp să se disipeze, ceea ce duce la o creștere locală a temperaturii de până la zeci de grade Celsius. Acest efect de auto-încălzire poate ajuta la tăierea țesuturilor în instrumente chirurgicale minim invazive, dar necesită, de asemenea, gestionarea termică prin proiectarea microstructurii.

Descoperire inginerească în aplicarea superelastică
Stenturile vasculare din aliaj NITI folosesc superelasticitate pentru a obține o reglare dinamică a forței de susținere radială. În timpul implantării, materialul este comprimat și deformat la un diametru de 1 mm, iar după intrarea în leziune, tulpina este eliberată și restabilită la 3 mm. Pe parcursul întregului proces, materialul este supus la mai mult de 300% tulpini fără deformare plastică. Această caracteristică permite stentului să reziste retragerii elastice a peretelui vasului de sânge și să evite deteriorarea permanentă a vasului de sânge.

În domeniul aerospațial, cuplajele superelastice pot rezista până la 5% tulpină axială, compensând eficient diferența de expansiune termică între motor și sistemul de transmisie. Curba sa unică de tensiune-tensiune (stresul platformei de aproximativ 500MPa) îi permite să mențină integritatea structurală în condiții de suprasarcină, reducând în același timp greutatea cu 40% în comparație cu cuplajele tradiționale de metal și prelungând durata de oboseală de mai mult de 3 ori.

Pe baza dispozitivelor de absorbție a șocurilor adaptive superelastice, rigiditatea este ajustată dinamic prin detectarea frecvenței de vibrație ambientală. În cadrul acțiunii undelor seismice, materialul suferă o schimbare de fază controlabilă pentru a absorbi energia și revine instantaneu la starea inițială după ce vibrația se oprește. Datele experimentale arată că astfel de dispozitive pot reduce amplitudinea vibrațiilor structurilor de construcție cu 60% -75% fără a fi nevoie de aport de energie externă.