Bagaimanakah aloi nikel-titanium mencapai keseimbangan sempurna antara penyerapan tenaga dan melepaskan melalui interaksi peringkat atom?

Superelasticity aloi nikel-titanium berpunca dari ciri-ciri transformasi fasa martensit yang unik. Dalam julat suhu sedikit di atas suhu transformasi (AF), bahan tersebut berada dalam keadaan fasa induk austenit, dan struktur kekisi membentangkan susunan kristal padu yang sangat simetri. Apabila daya luaran menyebabkan ketegangan melebihi nilai kritikal, bahan akan berubah menjadi fasa martensit melalui transformasi fasa tidak tersebar. Transformasi fasa ini disertakan dengan pembinaan semula struktur kekisi: sel unit padu asalnya biasa diubah menjadi struktur negara tenaga rendah dengan simetri monoklinik. Transformasi struktur ini pada dasarnya merupakan proses penyerapan tenaga, yang menyebarkan kepekatan tekanan melalui anjakan yang diselaraskan pada tahap atom.

Selepas memunggah daya luaran, tenaga bebas sistem berkurangan dan memacu transformasi fasa terbalik, fasa martensit berubah kembali ke fasa austenit, dan struktur kekisi kembali ke keadaan awalnya. Sepanjang proses keseluruhan, bahan mencapai ubah bentuk dan pemulihan melalui transformasi fasa dan bukannya pergerakan dislokasi tradisional. Mekanisme ini membolehkan aloi nikel-titanium melepaskan sehingga 8% ketegangan elastik pada saat memunggah, jauh melebihi batas elastik sebanyak 0.5% -2% logam biasa.

Mekanisme pengaruh mikrostruktur pada superelasticity
Nanocrystalline Nickel-Titanium aloi mempamerkan sifat superelastik yang lebih baik daripada bahan-bahan kasar. Apabila saiz bijian ditapis ke tahap submikron, ketumpatan sempadan bijian meningkat dengan ketara, yang bukan sahaja mengehadkan laluan penyebaran transformasi fasa martensit, tetapi juga berkongsi sebahagian daripada ketegangan melalui gelongsor sempadan bijian. Kajian telah menunjukkan bahawa apabila saiz bijian dikurangkan ke bawah 50nm, amplitud terikan maksimum yang bahan dapat menahan meningkat sebanyak kira -kira 30%, sambil mengekalkan ciri -ciri histerisis yang lebih stabil.

Zarah fasa kedua seperti Ti₃ni₄ yang diperkenalkan oleh rawatan penuaan dapat mengoptimumkan prestasi superelastik dengan ketara. Nanoscale ini mendahului menghalang gerakan kehelan melalui kesan pinning dan menggalakkan transformasi martensit seragam sebagai tapak nukleasi ubah bentuk fasa. Apabila saiz fasa mendakan sepadan dengan saiz varian martensit, bahan menunjukkan ketegangan sisa yang lebih rendah dan kestabilan kitaran yang lebih tinggi.

Sedikit perubahan dalam nickel-titanium Nisbah atom (Ni/Ti) secara asasnya mengubah tingkah laku transformasi fasa. Apabila kandungan Ni menyimpang dari nisbah equiatomic (50:50), suhu transformasi fasa beralih, dan morfologi varian martensit berubah dari koperasi diri ke detwinned. Evolusi struktur ini membolehkan bahan untuk mempamerkan sifat redaman yang lebih baik pada kadar ketegangan tertentu, yang sesuai untuk bidang kawalan getaran.

Proses dinamik pelesapan dan pemulihan tenaga
Mekanisme penukaran tenaga dalam kitaran superelastik melibatkan proses fizikal pelbagai skala. Semasa peringkat pemuatan, kerja yang dilakukan oleh daya luaran mula -mula ditukar menjadi tenaga distorsi kekisi. Apabila ketegangan melebihi nilai kritikal transformasi fasa, kira-kira 60% -70% tenaga ditukar menjadi haba laten transformasi fasa melalui transformasi fasa martensit. Tenaga yang tersisa disimpan dalam fasa austenit sisa dan medan tekanan antara muka. Semasa memunggah, haba laten yang dikeluarkan oleh transformasi fasa terbalik dan tenaga terikan elastik bersama -sama memacu pemulihan bentuk. Kehilangan tenaga keseluruhan proses adalah kurang daripada 10%, yang jauh lebih baik daripada kehilangan histeresis sebanyak 30%-50%daripada logam tradisional.

Kadar transformasi fasa mempunyai kesan yang signifikan terhadap prestasi superelastik. Apabila kadar ketegangan melebihi 10 ⁻³/s, transformasi fasa martensit berubah dari jenis yang diaktifkan haba kepada jenis yang disebabkan oleh tekanan. Pada masa ini, haba laten transformasi fasa tidak mempunyai masa untuk menghilangkan, mengakibatkan peningkatan suhu tempatan sehingga puluhan darjah Celsius. Kesan pemanasan diri ini dapat membantu pemotongan tisu dalam instrumen pembedahan yang sedikit invasif, tetapi ia juga memerlukan pengurusan terma melalui reka bentuk mikrostruktur.

Kejayaan kejuruteraan dalam aplikasi superelastik
Stent Vaskular Alloy NITI menggunakan superelasticity untuk mencapai pelarasan dinamik daya sokongan radial. Semasa implantasi, bahan itu dimampatkan dan cacat ke diameter 1mm, dan selepas memasuki luka, ketegangan dikeluarkan dan dipulihkan kepada 3mm. Sepanjang proses keseluruhan, bahan tersebut tertakluk kepada lebih daripada 300% ketegangan tanpa ubah bentuk plastik. Ciri ini membolehkan stent untuk menahan penarikan balik elastik dinding saluran darah dan mengelakkan kerosakan kekal pada saluran darah.

Dalam bidang aeroangkasa, gandingan superelastik dapat menahan sehingga 5% ketegangan paksi, dengan berkesan mengimbangi perbezaan pengembangan haba antara enjin dan sistem penghantaran. Kurva strain yang unik (tekanan platform kira-kira 500MPa) membolehkannya mengekalkan integriti struktur di bawah keadaan beban, sambil mengurangkan berat badan sebanyak 40% berbanding dengan gandingan logam tradisional, dan memanjangkan kehidupan keletihan dengan lebih daripada 3 kali.

Berdasarkan peranti penyerapan kejutan penyesuaian superelastik, kekakuannya diselaraskan secara dinamik dengan merasakan kekerapan getaran ambien. Di bawah tindakan gelombang seismik, bahan tersebut mengalami perubahan fasa yang dapat dikawal untuk menyerap tenaga, dan segera kembali ke keadaan asalnya selepas getaran berhenti. Data eksperimen menunjukkan bahawa peranti sedemikian dapat mengurangkan amplitud getaran struktur bangunan sebanyak 60% -75% tanpa memerlukan input tenaga luaran.