Jak slitiny nikl-titanium dosahuje dokonalé rovnováhy mezi absorpcí energie a uvolňováním prostřednictvím interakcí na atomové úrovni?

Superelasticita slitiny nikl-titanium pramení z jeho jedinečných charakteristik transformace martenzitické fáze. V teplotním rozsahu mírně nad transformační teplotou (AF) je materiál ve stavu austenitové rodičovské fáze a struktura mříže představuje vysoce symetrické uspořádání krystalu krystalu. Když vnější síla způsobí, že napětí překročí kritickou hodnotu, materiál se transformuje do martenzitové fáze transformací bez šíření. Tato fázová transformace je doprovázena rekonstrukcí struktury mřížky: Původně pravidelná buňka kubické jednotky se transformuje do nízkoenergetické struktury stavové struktury s monoklinickou symetrií. Tato strukturální transformace je v podstatě proces absorpce energie, který rozptyluje koncentraci napětí prostřednictvím koordinovaného posunu na atomové úrovni.

Po vyložení vnější síly se volná energie systému snižuje a řídí transformaci reverzní fáze, fáze martenzitu se transformuje zpět do austenitové fáze a struktura mřížky se vrací do svého počátečního stavu. Během celého procesu dosáhne materiál spíše deformaci a zotavení prostřednictvím fázové transformace než tradičního dislokačního pohybu. Tento mechanismus umožňuje slitině nikl-titanium uvolnit až 8% elastického napětí v okamžiku vykládky, což daleko přesahuje elastický limit 0,5%-2% běžných kovů.

Mechanismus vlivu mikrostruktury na superelasticitu
Nanokrystalické slitiny nikl-titanium vykazují superelastické vlastnosti lepší než vlastnosti hrubozrnných materiálů. Když je velikost zrna zdokonalena na úroveň submikronu, hustota hranice zrn se výrazně zvyšuje, což nejen omezuje šíření cesty transformace martenzitické fáze, ale také sdílí část napětí sklouznutím hranice zrna. Studie ukázaly, že když je velikost zrna snížena na pod 50 nm, maximální amplituda napětí, kterou materiál vydrží, se zvyšuje asi o 30%, přičemž udržuje stabilnější charakteristiky hystereze.

Částice druhé fáze, jako je ti₃ni₄ zavedené ošetřením stárnutí, mohou významně optimalizovat superelastický výkon. Tyto nanočástice sražejí inhibují dislokační pohyb prostřednictvím připínacích účinků a podporují rovnoměrnou martenzitickou transformaci jako místa nukleace fázové deformace. Když velikost fáze sraženiny odpovídá velikosti martenzitické varianty, materiál vykazuje nižší zbytkový napětí a vyšší cyklickou stabilitu.

Mírné změny v nikl-titanium Atomový poměr (NI/TI) zásadně mění chování fázové transformace. Když se obsah Ni odchyluje z ekviatomového poměru (50:50), posuny teploty fázové transformace a morfologie martenzitické varianty se změní ze samooparce na deldizované. Tento strukturální vývoj umožňuje materiálu vykazovat lepší tlumicí vlastnosti při specifické rychlosti deformace, která je vhodná pro oblast kontroly vibrací.

Dynamický proces rozptylu a zotavení energie
Mechanismus přeměny energie v superelastickém cyklu zahrnuje fyzikální procesy ve více měřítku. Během fáze zatížení se práce prováděná vnější silou nejprve přeměnila na energii zkreslení mřížky. Když kmen přesahuje kritickou hodnotu fázové transformace, přibližně 60%-70% energie se přeměňuje na latentní teplo fázové transformace pomocí martenzitické fázové transformace. Zbývající energie je uložena ve zbytkové fázi austenitu a v poli napětí rozhraní. Během vykládky, latentní teplo uvolněné transformací zpětné fáze a elastickou energií napětí společně zvyšuje regeneraci tvaru. Ztráta energie celého procesu je menší než 10%, což je mnohem lepší než ztráta hystereze 30%-50%tradičních kovů.

Rychlost fázové transformace má významný vliv na superelastický výkon. Když rychlost deformace přesáhne 10⁻³/s, transformace martenzitické fáze se změní z typu aktivovaného na tepelně aktivovaný na typ vyvolaný stresem. V této době nemá latentní teplo fázové transformace čas na rozptýlení, což má za následek zvýšení lokální teploty o desítky stupňů Celsia. Tento účinek samohry může pomoci řezání tkání v minimálně invazivních chirurgických nástrojích, ale také vyžaduje tepelné řízení prostřednictvím návrhu mikrostruktury.

Inženýrský průlom v superelastické aplikaci
Vaskulární stenty NITI slitiny používají k dosažení dynamické nastavení radiální podpůrné síly superelasticitu. Během implantace je materiál stlačen a deformován na průměr 1 mm a po vstupu do léze se napětí uvolní a obnoví na 3 mm. Během celého procesu je materiál vystaven více než 300% napětí bez plastické deformace. Tato charakteristika umožňuje stentu odolávat elastickému zatažení stěny krevních cév a zabránit trvalému poškození krevní cévy.

V oblasti letectví se superelastické spojky vydrží až 5% axiální napětí, což účinně kompenzuje rozdíl v tepelné roztažnosti mezi motorem a přenosovým systémem. Její jedinečná křivka napětí-napětí (napětí na platformě asi 500 MPA) jí umožňuje udržovat strukturální integritu za podmínek přetížení a zároveň snižovat hmotnost o 40% ve srovnání s tradičními kovovými vazbami a prodloužení únavové životnosti více než 3krát.

Na základě superelastických adaptivních zařízení absorbujících šoky je tuhost dynamicky upravena snímání frekvence okolních vibrací. Pod působením seismických vln podléhá materiál kontrolovatelnou fázovou změnou, aby absorboval energii, a okamžitě se vrátí do původního stavu po zastavení vibrací. Experimentální údaje ukazují, že taková zařízení mohou snížit amplitudu vibrací stavebních struktur o 60%-75% bez nutnosti externího vstupu energie.