Kako legura nikla-titana postiže savršenu ravnotežu između apsorpcije energije i oslobađanja interakcijama na atomskoj razini?

Supelelastičnost legure nikla-titana proizlazi iz njegovih jedinstvenih karakteristika transformacije martenzitske faze. U temperaturnom rasponu nešto iznad temperature transformacije (AF), materijal je u stanju matične faze Austenita, a struktura rešetke predstavlja vrlo simetrični kubični kristalni raspored. Kad vanjska sila uzrokuje da naprezanje premaši kritičnu vrijednost, materijal će se transformirati u fazu martenzita kroz transformaciju faze bez difuzije. Ova fazna transformacija popraćena je rekonstrukcijom rešetkaste strukture: izvorno redovna kubična jedinica ćelija se transformira u strukturu niskoenergetske stanja s monokliničkom simetrijom. Ova strukturna transformacija u osnovi je postupak apsorpcije energije, koji raspršuje koncentraciju stresa koordiniranim pomakom na atomskoj razini.

Nakon istovaranja vanjske sile, energija bez sustava smanjuje se i pokreće transformaciju obrnute faze, faza martenzita se pretvara natrag u fazu austenita, a struktura rešetke vraća se u svoje početno stanje. Tijekom cijelog postupka, materijal postiže deformaciju i oporavak transformacijom faze, a ne tradicionalnim pokretom dislokacije. Ovaj mehanizam omogućava leguru nikla-titanijsko-legure da oslobodi do 8% elastičnog naprezanja u trenutku istovara, što je daleko veće od elastične granice od 0,5% -2% običnih metala.

Mehanizam utjecaja mikrostrukture na supelelastičnost
Nanokristalne legure nikla nikla pokazuju supelelastična svojstva superiorna od onih grubih zrnata materijala. Kad se veličina zrna rafinira na razinu submikrona, gustoća granice zrna značajno se povećava, što ne samo da ograničava put širenja transformacije martenzitske faze, već dijeli i dio naprezanja kroz klizanje granice zrna. Studije su pokazale da kada se veličina zrna smanjuje na ispod 50 nm, maksimalna amplituda naprezanja koju materijal može izdržati povećava se za oko 30%, zadržavajući stabilnije karakteristike histereze.

Čestice druge faze, poput Ti₃ni₄, uvedene starenjem tretmanom mogu značajno optimizirati supelelastične performanse. Ovi nanoskalni talozi inhibiraju kretanje dislokacije kroz efekte prikvačenosti i potiču ujednačenu martenzitnu transformaciju kao mjesta nukleacije faze. Kad se veličina faze taloga podudara s martenzitskom varijantom, materijal pokazuje niži zaostali napredak i veću cikličku stabilnost.

Male promjene u titana Omjer atomskog omjera (NI/Ti) u osnovi mijenja ponašanje transformacije faze. Kad sadržaj NI odstupa od omjera ekviatomne (50:50), temperatura fazne transformacije mijenja se, a morfologija varijante Martenzita mijenja se od samooperativne u samotaparnu. Ova strukturna evolucija omogućuje materijalu da pokaže bolja svojstva prigušivanja određenom brzinom naprezanja, što je pogodno za polje kontrole vibracija.

Dinamički proces rasipanja energije i oporavka
Mehanizam pretvorbe energije u supelelastičnom ciklusu uključuje višestruke fizičke procese. Tijekom faze utovara, rad vanjska sila prvo se pretvara u energiju izobličenja rešetke. Kad soj premaši kritičnu vrijednost transformacije faze, oko 60% -70% energije pretvara se u latentnu toplinu transformacije faze kroz martenzitsku transformaciju faze. Preostala energija pohranjuje se u preostaloj fazi austenita i u polje sučelja. Tijekom istovara, latentna toplina koja se oslobađa transformacijom obrnute faze i energija elastičnog naprezanja zajedno pokreću oporavak oblika. Gubitak energije cijelog procesa je manji od 10%, što je mnogo bolje od gubitka histereze od 30%-50%tradicionalnih metala.

Stopa fazne transformacije ima značajan utjecaj na supelelastične performanse. Kad brzina naprezanja prelazi 10 ⁻³/s, transformacija faze Martenzita mijenja se od toplinskog aktiviranog tipa do vrste izazvanog stresom. U ovom trenutku, latentna toplina transformacije faze nema vremena za raspršivanje, što rezultira lokalnim povećanjem temperature do desetaka stupnjeva Celzijusa. Ovaj učinak samo zagrijavanja može pomoći rezanju tkiva u minimalno invazivnim kirurškim instrumentima, ali također zahtijeva toplinsko upravljanje kroz dizajn mikrostrukture.

Inženjerski proboj u supelelastičnoj primjeni
Vaskularni stenti s legurom NITI koriste supelelastičnost za postizanje dinamičkog podešavanja radijalne potporne sile. Tijekom implantacije materijal se komprimira i deformira do promjera od 1 mm, a nakon ulaska u leziju, soj se oslobađa i vraća na 3 mm. Tijekom cijelog postupka, materijal se podvrgava više od 300% naprezanja bez plastične deformacije. Ova karakteristika omogućuje stentu da se odupre elastičnom povlačenju zida krvne žile i izbjegne trajno oštećenje krvne žile.

U području zrakoplovstva, supelelastične spojnice mogu izdržati do 5% aksijalnog naprezanja, učinkovito nadoknađujući razliku u toplinskoj ekspanziji između motora i prijenosnog sustava. Njegova jedinstvena krivulja naprezanja i napona (stres platforme od oko 500MPA) omogućava joj da održava strukturni integritet u uvjetima preopterećenja, istovremeno smanjujući težinu za 40% u usporedbi s tradicionalnim metalnim spojnicama i produžujući život umora za više od 3 puta.

Na temelju supelelastičnih uređaja za apsorbiranje udaraca, krutost se dinamički prilagođava osjetom frekvencije vibracije okoline. Pod djelovanjem seizmičkih valova, materijal se podvrgava promjeni faze kako bi apsorbirao energiju i odmah se vraća u prvobitno stanje nakon što vibracije prestanu. Eksperimentalni podaci pokazuju da takvi uređaji mogu smanjiti amplitudu vibracija građevinskih struktura za 60% -75% bez potrebe za vanjskim unosom energije.