Kuinka nikkeli-titaaniseos saavuttaa täydellisen tasapainon energian imeytymisen ja vapautumisen välillä atomitason vuorovaikutusten kautta?

Nikkeli-titaaniseoksen superelastisuus johtuu sen ainutlaatuisista martensiittisten vaihemuutosominaisuuksien ominaisuuksista. Lämpötila -alueella hiukan transformaatiolämpötilan (AF) yläpuolella materiaali on austeniittien vanhemman faasitilassa ja hilarakenne esittelee erittäin symmetrisen kuutiokidejärjestelyn. Kun ulkoinen voima aiheuttaa venymän ylittävän kriittisen arvon, materiaali muuttuu martensiittifaasiksi diffuusioton vaihemuutoksen kautta. Tähän vaihemuutokseen liittyy hilarakenteen rekonstruointi: Alun perin säännöllinen kuutioyksikkösolu muuttuu matalan energian tilarakenteeksi, jolla on monokliininen symmetria. Tämä rakenteellinen muuntaminen on olennaisesti energian imeytymisprosessi, joka hajottaa stressipitoisuuden koordinoidun siirtymisen kautta atomitasolla.

Ulkoisen voiman purkamisen jälkeen järjestelmävapaa energia vähenee ja ajaa käänteisen vaiheen muunnosta, martensiittivaihe muuttuu takaisin austeniittivaiheeseen ja hilan rakenne palaa alkuperäiseen tilaansa. Koko prosessin aikana materiaali saavuttaa muodonmuutoksen ja palautumisen vaihemuutoksen kautta kuin perinteinen dislokaatioliike. Tämä mekanismi antaa nikkeli-titaaniseoksen vapauttaa jopa 8% elastisesta kannasta purkamishetkellä, ylittäen huomattavasti 0,5% -2%: n elastisen rajan tavallisista metalleista.

Mikrorakenteen vaikutusmekanismi superelastisuuteen
Nanokiteisen nikkeli-titaaniseoksissa on ylivälintisiä ominaisuuksia, jotka ovat parempia kuin karkean rakeisten materiaalien ominaisuudet. Kun viljan kokoa hienosäädetään submikronitasolle, rajan rajan tiheys kasvaa merkittävästi, mikä ei vain rajoita martensiittisen vaihemuutoksen etenemisreittiä, vaan myös osa kannasta osaa rajan liukumisen kautta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kun viljakoko pienennetään alle 50 nm: iin, materiaalin kestävyyden maksimikannan amplitudi kasvaa noin 30%, säilyttäen samalla vakaampia hystereesiominaisuuksia.

Toisen vaiheen hiukkaset, kuten ikääntymiskäsittelyn aiheuttamat ti₃ni₄, voivat merkittävästi optimoida superelastisen suorituskyvyn. Nämä nanomittakaavan saostumat estävät dislokaation liikettä kiinnittämällä vaikutuksia ja edistävät tasaista martensiittistä muutosta faasin muodonmuutoksen ytimenmuodostuskohdina. Kun saostumisfaasikoko vastaa martensiittista variantti kokoa, materiaalilla on alhaisempi jäännösjännitys ja korkeampi syklinen stabiilisuus.

Pieniä muutoksia nikkelititanium Atomisuhde (NI/TI) muuttaa pohjimmiltaan vaihemuutoskäyttäytymistä. Kun Ni-pitoisuus poikkeaa tasa-arvoisesta suhteesta (50:50), vaihemuutoksen lämpötilan siirtyminen ja martensiittinen variantti-morfologia muuttuu itsehallinnosta estämään. Tämä rakenteellinen evoluutio antaa materiaalille mahdollisuuden olla parempia vaimennusominaisuuksia tietyllä venymisnopeudella, joka soveltuu tärinänhallinnan kentälle.

Energian hajoamisen ja palautumisen dynaaminen prosessi
Energian muuntamismekanismi superelastisessa syklissä sisältää monimuotoiset fyysiset prosessit. Kuormitusvaiheen aikana ulkoisen voiman tekemä työ muunnetaan ensin hilan vääristymisen energiaksi. Kun kanta ylittää vaihemuutoksen kriittisen arvon, noin 60% -70% energiasta muunnetaan vaihemuutoksen piileväksi lämmöksi martensiittisen vaihemuutoksen kautta. Jäljellä oleva energia tallennetaan austeniittivaiheeseen ja rajapinnan stressikenttään. Purkamisen aikana käänteisen vaiheen muunnoksen ja elastisen venymäenergian vapauttama piilevä lämpö lisäävät muodon palautumista. Koko prosessin energiahäviö on alle 10%, mikä on paljon parempi kuin hystereesin menetys 30%-50%perinteisistä metalleista.

Vaihemuunnonopeudella on merkittävä vaikutus superelastiseen suorituskykyyn. Kun venymisnopeus ylittää 10 ⁻ 3./s, martensiittisen vaiheenmuutos muuttuu lämpöaktivoidusta tyypistä stressin aiheuttamaan tyyppiin. Tällä hetkellä vaihemuutoksen piilevällä lämmöllä ei ole aikaa hajottaa, mikä johtaa paikallisen lämpötilan nousuun jopa kymmenien celsiusastetta. Tämä itsemämmittävä vaikutus voi auttaa kudoksen leikkaamista minimaalisesti invasiivisissa kirurgisissa instrumenteissa, mutta se vaatii myös lämpöhallintaa mikrorakenteen suunnittelun avulla.

Tekniikan läpimurto superelastisessa sovelluksessa
NITI -seosvaskulaariset stentit käyttävät superelastisuutta säteittäisen tukivoiman dynaamisen säätämisen saavuttamiseksi. Implantaation aikana materiaali puristetaan ja muodostuu halkaisijaksi 1 mm, ja leesion saapumisen jälkeen kanta vapautuu ja palautetaan 3 mm: ksi. Koko prosessin aikana materiaali altistetaan yli 300%: n kannalta ilman plastisia muodonmuutoksia. Tämä ominaisuus antaa stentille vastustaa verisuonen seinämän joustavaa vetäytymistä ja välttää pysyviä verisuonen vaurioita.

Ilmailu- ja avaruusalueella superelastiset kytkimet kestävät jopa 5% aksiaalikannan, kompensoimalla tehokkaasti moottorin ja voimansiirtojärjestelmän välisen lämpölaajentumisen eroa. Sen ainutlaatuinen stressi-venymäkäyrä (noin 500 mPa: n alustan stressi) antaa sille ylläpitää rakenteellista eheyttä ylikuormitusolosuhteissa, samalla kun painoa vähentäisi 40% verrattuna perinteisiin metallikytkimiin ja pidentää väsymisaikaa yli 3 kertaa.

Ylimääräisten adaptiivisten iskujen absorboivien laitteiden perusteella jäykkyyttä säädetään dynaamisesti tunnistamalla ympäristön värähtelytaajuus. Seismisten aaltojen vaikutuksesta materiaali käy läpi hallittavan vaihemuutoksen energian absorboimiseksi ja palaa heti alkuperäiseen tilaansa tärinän pysähtymisen jälkeen. Kokeelliset tiedot osoittavat, että tällaiset laitteet voivat vähentää rakennusrakenteiden värähtelyamplitudia 60% -75% ilman ulkoisen energian syöttöä.