Как сплав никель-титана достигает идеального баланса между поглощением энергии и высвобождением с помощью взаимодействия на уровне атомного уровня?

Сверхэластичность сплава никель-титана проистекает из его уникальных характеристик мартенситной фазы. В диапазоне температуры немного выше температуры трансформации (AF) материал находится в родительском состоянии Austenite, а структура решетки представляет собой очень симметричное расположение кубического кристалля. Когда внешняя сила заставляет штамм превышать критическое значение, материал будет трансформироваться в фазу мартенсита посредством диффузионного фазового преобразования. Это фазовое преобразование сопровождается реконструкцией структуры решетки: первоначально регулярная кубическая единица ячейка преобразуется в структуру с низкой энергией с моноклинной симметрией. Эта структурная трансформация по существу является процессом поглощения энергии, который рассеивает концентрацию стресса посредством скоординированного смещения на атомном уровне.

После выгрузки внешней силы, свободная энергия системы уменьшается и управляет трансформацией обратной фазы, фаза мартенсита трансформируется обратно в фазу аустенита, а структура решетки возвращается в свое начальное состояние. В течение всего процесса материал достигает деформации и восстановления посредством фазового преобразования, а не традиционного дислокационного движения. Этот механизм позволяет никель-титановому сплаву высвобождать до 8% упругого деформации в момент разгрузки, что намного превышает упругой предел 0,5% -2% обычных металлов.

Механизм влияния микроструктуры на супер -уточность
Нанокристаллические сплавы никель-титана демонстрируют сверхраздельные свойства, превосходящие свойства грубых материалов. Когда размер зерна уточняется до уровня субмикрона, плотность границы зерна значительно увеличивается, что не только ограничивает путь распространения мартенситарной фазовой трансформации, но также имеет часть напряжения через скольжение границы зерна. Исследования показали, что когда размер зерна уменьшается до ниже 50 нм, максимальная амплитуда деформации, которую материал может выдержать примерно на 30%, сохраняя при этом более стабильные характеристики гистерезиса.

Частицы второй фазы, такие как ti₃ni₄, введенные при лечении старения, могут значительно оптимизировать сверхэластичные характеристики. Эти наноразмерные осадки ингибируют движение дислокации посредством эффектов прикрепления и способствуют однородному мартенситному трансформации в качестве сайтов нуклеации фазовой деформации. Когда размер фазы осадка соответствует размеру мартенситного варианта, материал демонстрирует более низкую остаточную деформацию и более высокую циклическую стабильность.

Небольшие изменения в никель-титаний Атомное соотношение (NI/TI) в основном изменяет поведение фазового преобразования. Когда содержание Ni отклоняется от эквиамного соотношения (50:50), температура фазового преобразования сдвигается, и морфология мартенсита изменяется от самоуправления к Detwinned. Эта структурная эволюция позволяет материалу проявлять лучшие демпфирующие свойства при определенной скорости деформации, что подходит для области контроля вибрации.

Динамический процесс рассеяния и восстановления энергии
Механизм преобразования энергии в супер-всерочном цикле включает в себя многомасштабные физические процессы. На стадии загрузки работа, выполняемая внешней силой, сначала преобразуется в энергию искажения решетки. Когда штамм превышает критическое значение фазового преобразования, около 60% -70% энергии преобразуется в скрытое тепление фазового преобразования посредством мартентического фазового преобразования. Оставшаяся энергия хранится в остаточной фазе аустенита и в поле напряжения раздела. Во время разгрузки скрытая тепло, выделяемая путем преобразования обратной фазы и энергии упругого деформации, совместно приводит к восстановлению формы. Потеря энергии всего процесса составляет менее 10%, что намного лучше, чем потеря гистерезиса 30%-50%традиционных металлов.

Скорость фазового преобразования оказывает значительное влияние на сверхэластичные характеристики. Когда скорость деформации превышает 10⁻³/S, мартенситарная фазовая преобразование изменяется от теплоактивированного типа до типа, вызванного напряжением. В это время скрытая теплота фазового преобразования не имеет времени рассеивать, что приводит к локальному повышению температуры до десятков градусов по Цельсию. Этот эффект самопогревания может помочь сократить ткани в минимально инвазивных хирургических инструментах, но он также требует теплового лечения посредством конструкции микроструктуры.

Инженерный прорыв в суперластическом применении
Сосудистые сосудистые стенты NITI используют супереластичность для достижения динамической регулировки сил радиальной поддержки. Во время имплантации материал сжимается и деформируется до диаметра 1 мм, и после входа в поражение деформация высвобождается и восстанавливается до 3 мм. В течение всего процесса материал подвергается более чем 300% деформации без пластической деформации. Эта характеристика позволяет стенту противостоять упругим ретракции стенки кровеносного сосуда и избежать постоянного повреждения кровеносного сосуда.

В области аэрокосмической промышленности супереластичные муфты могут выдерживать до 5% осевой деформации, эффективно компенсируя разницу в термическом расширении между двигателем и системой передачи. Его уникальная кривая напряжения-деформации (напряжение платформы около 500 МПа) позволяет поддерживать структурную целостность в условиях перегрузки, одновременно снижая вес на 40% по сравнению с традиционными металлическими муфтами и продлевая усталостную жизнь более чем на 3 раза.

Основываясь на устройствах поглощения адаптивного адаптивного удара, жесткость динамически регулируется путем восприятия частоты вибрации окружающей среды. Под действием сейсмических волн материал претерпевает контролируемое изменение фазы, чтобы поглощать энергию, и мгновенно возвращается в свое исходное состояние после остановки вибрации. Экспериментальные данные показывают, что такие устройства могут уменьшить амплитуду вибрации структур здания на 60% -75% без необходимости ввода внешней энергии.