چگونه آلیاژ نیکل تیتانیوم به تعادل کاملی بین جذب انرژی و رهاسازی از طریق تعامل در سطح اتمی می رسد؟

فوق مغزی آلیاژ نیکل تیتانیوم از ویژگی های تحول فاز مارتنزیتی منحصر به فرد آن ناشی می شود. در محدوده دما کمی بالاتر از دمای تحول (AF) ، ماده در حالت فاز والدین آستنیت قرار دارد و ساختار شبکه یک چیدمان کریستالی مکعب بسیار متقارن را ارائه می دهد. هنگامی که نیروی خارجی باعث شود فشار از مقدار بحرانی فراتر رود ، مواد از طریق تبدیل فاز بدون انتشار به مرحله مارتنزیت تبدیل می شوند. این تحول فاز با بازسازی ساختار شبکه همراه است: سلول واحد مکعب معمولی در اصل به یک ساختار حالت کم انرژی با تقارن مونوکلینیک تبدیل می شود. این تحول ساختاری در اصل یک فرآیند جذب انرژی است که غلظت استرس را از طریق جابجایی هماهنگ در سطح اتمی پراکنده می کند.

پس از بارگیری نیروی خارجی ، انرژی آزاد سیستم کاهش می یابد و تحول فاز معکوس را هدایت می کند ، فاز مارتنزیت به مرحله آستنیت تبدیل می شود و ساختار شبکه به حالت اولیه خود باز می گردد. در طی کل فرآیند ، مواد به جای حرکت جابجایی سنتی ، تغییر شکل و بازیابی را از طریق تحول فاز به دست می آورند. این مکانیسم به آلیاژ نیکل تیتانیوم اجازه می دهد تا در لحظه تخلیه تا 8 ٪ از فشار الاستیک آزاد شود ، که بسیار بیش از حد الاستیک 0.5 ٪ -2 ٪ از فلزات معمولی است.

مکانیسم تأثیر ریزساختار بر فوق مغزی
آلیاژهای نیکل تیتانیوم نانوکریستالی دارای خواص فوقلاستیک برتر از مواد درشت دانه هستند. هنگامی که اندازه دانه به سطح زیر میکرون تصفیه شود ، چگالی مرز دانه به طور قابل توجهی افزایش می یابد ، که نه تنها مسیر انتشار تحول فاز مارتنزیتی را محدود می کند ، بلکه بخشی از کرنش را از طریق کشویی مرز دانه نیز به اشتراک می گذارد. مطالعات نشان داده اند که وقتی اندازه دانه به زیر 50 نانومتر کاهش می یابد ، حداکثر دامنه کرنش که مواد می توانند در برابر 30 ٪ افزایش یابد ، ضمن حفظ ویژگی های هیسترزیس پایدار تر.

ذرات فاز دوم مانند Ti₃ni₄ که با درمان پیری معرفی می شوند می توانند به طور قابل توجهی عملکرد سوپرلاستیک را بهینه کنند. این نانو رسوب باعث مهار حرکت جابجایی از طریق اثرات پین کردن و ترویج تحول مارتنزیتی یکنواخت به عنوان سایت های هسته تغییر شکل فاز می شود. هنگامی که اندازه فاز رسوب با اندازه نوع مارتنزیتی مطابقت دارد ، این ماده دارای فشار باقیمانده پایین تر و پایداری چرخه ای بالاتر است.

تغییرات جزئی در نیکل تیتانیک نسبت اتمی (NI/TI) اساساً رفتار تحول فاز را تغییر می دهد. هنگامی که محتوای NI از نسبت Equiatomic (50:50) منحرف می شود ، تغییر درجه حرارت تغییر فاز تغییر می کند و مورفولوژی نوع مارتنزیتی از خود همبستگی به دفع تغییر می کند. این تکامل ساختاری مواد را قادر می سازد تا خواص میرایی بهتری را با نرخ کرنش خاص نشان دهند ، که برای زمینه کنترل لرزش مناسب است.

فرآیند پویا اتلاف انرژی و بازیابی
مکانیسم تبدیل انرژی در چرخه سوپرلاستیک شامل فرآیندهای فیزیکی چند مقیاس است. در مرحله بارگذاری ، کار انجام شده توسط نیروی خارجی ابتدا به انرژی اعوجاج مشبک تبدیل می شود. هنگامی که کرنش از مقدار بحرانی تبدیل فاز فراتر رود ، حدود 60 ٪ -70 ٪ از انرژی از طریق تبدیل فاز مارتنزیتی به گرمای نهان تبدیل فاز تبدیل می شود. انرژی باقیمانده در مرحله آستنیت باقیمانده و میدان استرس رابط ذخیره می شود. در حین بارگیری ، گرمای نهان آزاد شده توسط تغییر فاز معکوس و انرژی کرنش الاستیک به طور مشترک باعث بازیابی شکل می شود. از دست دادن انرژی کل فرآیند کمتر از 10 ٪ است که بسیار بهتر از از دست دادن هیسترزیس 30 ٪ -50 ٪ فلزات سنتی است.

میزان تبدیل فاز تأثیر معنی داری بر عملکرد سوپرلاستیک دارد. هنگامی که نرخ کرنش از 10 ⁻³/s فراتر می رود ، تغییر فاز مارتنزیتی از نوع فعال شده توسط گرما به نوع ناشی از استرس تغییر می کند. در این زمان ، گرمای نهان تحول فاز هیچ وقت برای از بین رفتن ندارد و در نتیجه باعث افزایش دمای محلی تا ده ها درجه سانتیگراد می شود. این اثر خود گرمایش می تواند به برش بافت در ابزارهای جراحی با حداقل تهاجمی کمک کند ، اما همچنین از طریق طراحی ریزساختار به مدیریت حرارتی نیز نیاز دارد.

پیشرفت مهندسی در کاربرد فوق العاده
استنت های عروقی آلیاژ NITI از Superelasticity برای دستیابی به تنظیم پویا نیروی پشتیبانی شعاعی استفاده می کنند. در حین کاشت ، مواد فشرده شده و به قطر 1 میلی متر تغییر شکل می یابد و پس از ورود به ضایعه ، کرنش آزاد می شود و به 3 میلی متر باز می گردد. در طی کل فرآیند ، مواد بدون تغییر شکل پلاستیک در معرض بیش از 300 ٪ کرنش قرار می گیرند. این ویژگی استنت را قادر می سازد در برابر انقباض الاستیک دیواره رگ خونی مقاومت کند و از آسیب دائمی رگ خونی جلوگیری کند.

در زمینه هوافضا ، اتصالات سوپرلاستیک می توانند تا 5 ٪ فشار محوری را تحمل کنند ، و به طور موثری اختلاف در گسترش حرارتی بین موتور و سیستم انتقال را جبران می کنند. منحنی استرس منحصر به فرد آن (استرس سکو در حدود 500 مگاپاسکال) به آن اجازه می دهد تا یکپارچگی ساختاری را در شرایط اضافه بار حفظ کند ، در حالی که وزن 40 ٪ را در مقایسه با اتصالات فلزی سنتی کاهش می دهد و بیش از 3 بار عمر خستگی را افزایش می دهد.

بر اساس دستگاه های جذب شوک تطبیقی ​​سوپرلاستیک ، سفتی با سنجش فرکانس لرزش محیط به صورت پویا تنظیم می شود. تحت عمل امواج لرزه ای ، این ماده تحت تغییر فاز قابل کنترل برای جذب انرژی قرار می گیرد و بلافاصله پس از متوقف شدن لرزش به حالت اصلی خود باز می گردد. داده های تجربی نشان می دهد که چنین دستگاه هایی می توانند دامنه لرزش ساختارهای ساختمان را 60 ٪ -75 ٪ بدون نیاز به ورودی انرژی خارجی کاهش دهند .