Hogyan éri el a nikkel-titán ötvözet tökéletes egyensúlyt az energiaelnyelés és az atomszintű interakciók révén felszabadulás között?

A nikkel-titán ötvözet szuperelaszticitása az egyedi martenzitikus fázis-transzformációs jellemzőkből származik. A hőmérsékleti tartományban kissé az átalakulási hőmérséklet (AF) felett van, az anyag az austenit szülői fázis állapotában van, és a rácsszerkezet nagyon szimmetrikus köbös kristály elrendezést mutat. Ha a külső erő miatt a törzs meghaladja a kritikus értéket, az anyag diffúziós fázis -transzformáció révén az anyag a martenzit fázisgá alakul. Ezt a fázis-transzformációt a rácsszerkezet rekonstrukciója kíséri: az eredetileg szokásos köbös egységcellát alacsony energiájú állapotú struktúrává alakítják, monoklinikus szimmetriával. Ez a szerkezeti transzformáció alapvetően egy energiaelnyelési folyamat, amely a stressz koncentrációját diszpergálja az atomszintű koordinált elmozdulás révén.

A külső erő kirakodása után a rendszermentes energia csökken és meghajtja a fordított fázis -transzformációt A teljes folyamat során az anyag a deformációt és a gyógyulást a fázisátalakításon keresztül, nem pedig a hagyományos diszlokációs mozgás révén éri el. Ez a mechanizmus lehetővé teszi a nikkel-titán ötvözet számára, hogy a kirakodási pillanatban akár 8% -ot szabadítson fel a kirakodás pillanatában, ami messze meghaladja a rendes fémek 0,5–2% -os elasztikus határát.

A mikroszerkezet szuperelaszticitásra gyakorolt ​​hatása mechanizmusa
A nanokristályos nikkel-titánötvözetek szuperelasztikus tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a durva szemcsés anyagok. Amikor a szemcseméretet a szubmikron szintre finomítják, a gabona határ sűrűségének jelentősen növekszik, ami nemcsak korlátozza a martenzitikus fázis -átalakulás terjedési útját, hanem a törzs egy részét is megosztja a gabonahatár csúszásán keresztül. A tanulmányok kimutatták, hogy ha a gabona mérete 50 nm alá csökken, akkor az anyag maximális feszültség amplitúdója körülbelül 30%-kal növekszik, miközben fenntartja a stabilabb hiszterézis jellemzőit.

A második fázisú részecskék, mint például az öregedéssel bevezetett ti₃ni₄, jelentősen optimalizálhatják a szuperelasztikus teljesítményt. Ezek a nanoméretű csapadékok gátolják a diszlokációs mozgást a pining hatások révén, és elősegítik az egyenletes martenzitikus transzformációt, mint fázisdeformációs nukleációs helyek. Amikor a csapadékfázis mérete megegyezik a martenzitikus variáns méretével, az anyag alacsonyabb maradék törzset és magasabb ciklikus stabilitást mutat.

Enyhe változások a nikkel-titán Az atomarány (NI/TI) alapvetően megváltoztatja a fázis -transzformációs viselkedést. Amikor a NI-tartalom eltér az egyenlőségi aránytól (50:50), a fázis-transzformációs hőmérséklet eltolódik, és a martenzitikus variáns morfológiája az önálló-kooperatívról a detwinned-re változik. Ez a szerkezeti evolúció lehetővé teszi az anyag számára, hogy jobb csillapítási tulajdonságokat mutatjon ki egy meghatározott feszültségnél, amely alkalmas a rezgéskontroll területére.

Az energiaeloszlás és a gyógyulás dinamikus folyamata
A szuperelasztikus ciklus energiakonverziós mechanizmusa több léptékű fizikai folyamatokat foglal magában. A betöltési szakaszban a külső erő által elvégzett munkát először rácsos torzító energiává alakítják. Amikor a törzs meghaladja a fázis-transzformáció kritikus értékét, az energia kb. A fennmaradó energiát a maradék austenit fázisban és az interfész stresszmezőjében tárolják. A kirakodás során a fordított fázis -transzformáció által felszabaduló látens hő és az elasztikus feszültség energiája együttesen vezeti az alak visszanyerését. A teljes folyamat energiavesztesége kevesebb, mint 10%, ami sokkal jobb, mint a hagyományos fémek 30–50%-ának hiszterézis vesztesége.

A fázis -transzformációs sebesség jelentős hatással van a szuperelasztikus teljesítményre. Ha a feszültség sebessége meghaladja a 10⁻3/s-t, a martenzitikus fázis-transzformáció hővel aktivált típusról stressz által indukált típusra változik. Ebben az időben a fázis -transzformáció látens hőjének nincs ideje eloszlatni, ami a helyi hőmérséklet -növekedést több tíz Celsius fokig növeli. Ez az önmelegítő hatás elősegítheti a szövetvágást a minimálisan invazív műtéti műszerekben, de a mikroszerkezet-tervezés révén a termálkezelést is igényli.

Műszaki áttörés szuperelasztikus alkalmazásban
A NITI ötvözetű érrendszeri sztentek szuperelaszticitást használnak a sugárirányú támogató erő dinamikus beállításához. A beültetés során az anyagot összenyomják és 1 mm átmérőre deformálják, és a lézió belépése után a törzs felszabadul és 3 mm -re helyreáll. A teljes folyamat során az anyagot több mint 300% -os feszültségnek vetik alá műanyag deformáció nélkül. Ez a tulajdonság lehetővé teszi a stent számára, hogy ellenálljon az erek falának elasztikus visszahúzódásának, és elkerülje az erek tartós károsodását.

Az űrrepülés területén a szuperelasztikus csatlakozók akár 5% -os tengelyirányú törzset is képesek ellenállni, hatékonyan kompenzálva a motor és az átviteli rendszer közötti termikus tágulás különbségét. Egyedülálló stressz-feszültséggörbeje (platform stressz körülbelül 500mPa) lehetővé teszi a szerkezeti integritás fenntartását túlterhelés körülmények között, miközben a súlyt 40% -kal csökkenti a hagyományos fémcsatlakozókhoz képest, és a fáradtság élettartamát több mint háromszor meghosszabbítja.

A szuperelasztikus adaptív lengéscsillapító eszközök alapján a merevséget dinamikusan beállítják a környezeti rezgés frekvenciájának érzékelésével. A szeizmikus hullámok hatása alatt az anyag szabályozható fázisváltozáson megy keresztül, hogy elnyelje az energiát, és a rezgés leállása után azonnal visszatér az eredeti állapotába. A kísérleti adatok azt mutatják, hogy az ilyen eszközök 60% -75% -kal csökkenthetik az épületszerkezetek rezgési amplitúdóját anélkül, hogy külső energiabemenetet igényelnének.