Nikel-titanyum alaşımı, atom düzeyinde etkileşimler yoluyla enerji emilimi ve salınımı arasında mükemmel bir denge elde eder?

Nikel-titanyum alaşımının üstünlüğü, benzersiz martensitik faz dönüşüm özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Sıcaklık aralığında dönüşüm sıcaklığının (AF) biraz üzerinde, malzeme östenit ana faz durumundadır ve kafes yapısı oldukça simetrik bir kübik kristal düzenlemesi sunar. Dış kuvvet, gerginliğin kritik değeri aşmasına neden olduğunda, malzeme difüzyonsuz bir faz dönüşümü yoluyla martensit fazına dönüşecektir. Bu faz dönüşümüne, kafes yapısının yeniden yapılandırılması eşlik eder: başlangıçta düzenli kübik birim hücre, monoklinik simetriye sahip düşük enerjili bir durum yapısına dönüştürülür. Bu yapısal dönüşüm, esasen atom seviyesinde koordineli yer değiştirme yoluyla stres konsantrasyonunu dağıtan bir enerji emme işlemidir.

Dış kuvveti boşalttıktan sonra, sistem serbest enerjisi azalır ve ters faz dönüşümünü yönlendirir, martensit fazı geri östenit fazına dönüştürülür ve kafes yapısı başlangıç ​​durumuna geri döner. Tüm süreç boyunca, malzeme geleneksel çıkık hareketinden ziyade faz dönüşümü yoluyla deformasyon ve iyileşme sağlar. Bu mekanizma, nikel-titanyum alaşımının boşaltma anında elastik suşun% 8'ine kadar salınmasına ve sıradan metallerin% 0,5-2% 2'lik elastik sınırını aşmasına izin verir.

Mikroyapının üstünlük üzerindeki etkisinin mekanizması
Nanokristalin nikel-tabanyum alaşımları, kaba taneli malzemelerinkinden daha üstün süperelastik özellikler sergiler. Tahıl boyutu mikrofon seviyesine rafine edildiğinde, tane sınırı yoğunluğu önemli ölçüde artar, bu da sadece martensitik faz dönüşümünün yayılma yolunu sınırlamakla kalmaz, aynı zamanda tahıl sınırı kayması yoluyla suşun bir kısmını da paylaşır. Çalışmalar, tane büyüklüğü 50nm'nin altına düşürüldüğünde, daha kararlı histerezis özelliklerini korurken, malzemenin dayanabileceği maksimum gerilme genliğinin yaklaşık%30 arttığını göstermiştir.

Yaşlanma tedavisi ile tanıtılan Ti₃ni₄ gibi ikinci faz parçacıkları, süperelastik performansı önemli ölçüde optimize edebilir. Bu nano ölçekli çökeltiler, sabitleme etkileri yoluyla çıkık hareketini inhibe eder ve faz deformasyonu çekirdeklenme bölgeleri olarak düzgün martensitik dönüşümü teşvik eder. Çökelti faz büyüklüğü martensitik varyant boyutuyla eşleştiğinde, malzeme daha düşük artık suş ve daha yüksek döngüsel stabilite sergiler.

Küçük değişiklikler nikel titanyum Atom oranı (Ni/Ti), faz dönüşüm davranışını temel olarak değiştirir. Ni içeriği Equiatomik Oran'dan (50:50) saptığında, faz dönüşüm sıcaklığı değişir ve martensitik varyant morfolojisi kendi kendine işbirliğinden saptanana değişir. Bu yapısal evrim, malzemenin titreşim kontrol alanı için uygun olan belirli bir gerilme hızında daha iyi sönüm özellikleri sergilemesini sağlar.

Dinamik Enerji dağılımı ve iyileşme süreci
Süperelastik döngüdeki enerji dönüşüm mekanizması çok ölçekli fiziksel işlemleri içerir. Yükleme aşaması sırasında, dış kuvvet tarafından yapılan çalışma önce kafes bozulma enerjisine dönüştürülür. Suş faz dönüşümünün kritik değerini aştığında, enerjinin yaklaşık% 60-70'i martensitik faz dönüşümü yoluyla gizli faz dönüşümünün ısısına dönüştürülür. Kalan enerji artık östenit fazında ve arayüz stres alanında saklanır. Boşaltma sırasında, ters faz dönüşümü ve elastik gerinim enerjisi ile salınan gizli ısı, şekil iyileşmesini birlikte yönlendirir. Tüm sürecin enerji kaybı%10'dan azdır, bu da geleneksel metallerin%30-50'si histerezis kaybından çok daha iyidir.

Faz dönüşüm oranının süperelastik performans üzerinde önemli bir etkisi vardır. Gerinim hızı 10⁻³/s'yi aştığında, martensitik faz dönüşümü ısı ile aktive edilen tipten stres kaynaklı tipe değişir. Şu anda, gizli faz transformasyonunun ısısının dağılacak zamanı yoktur, bu da onlarca santigrat dereceye kadar yerel bir sıcaklık artışı ile sonuçlanır. Bu kendi kendine ısınan etki, minimal invaziv cerrahi aletlerde doku kesilmesine yardımcı olabilir, ancak mikro yapı tasarımı yoluyla termal yönetim gerektirir.

Superelastik uygulamada mühendislik atılımı
Niti alaşım vasküler stentler, radyal destek kuvvetinin dinamik ayarlanmasını sağlamak için üstünlük kullanır. İmplantasyon sırasında, malzeme sıkıştırılır ve 1 mm çapa kadar deforme edilir ve lezyona girdikten sonra suş salınır ve 3 mm'ye geri yüklenir. Tüm işlem boyunca, malzeme plastik deformasyon olmadan% 300'den fazla suşa tabi tutulur. Bu karakteristik, stentin kan damarı duvarının elastik geri çekilmesine direnmesini ve kan damarına kalıcı hasardan kaçınmasını sağlar.

Havacılık ve uzay alanında, süperelastik kaplinler% 5'e kadar eksenel suşa dayanabilir, bu da motor ve şanzıman sistemi arasındaki termal genleşmedeki farkı etkili bir şekilde telafi eder. Eşsiz gerilme-gerinim eğrisi (yaklaşık 500MPa'lık platform stresi), aşırı yük koşulları altında yapısal bütünlüğü korumaya izin verirken, ağırlığı geleneksel metal kaplinlere kıyasla% 40 azaltır ve yorgunluk ömrünü 3 kattan fazla uzatır.

Süperelastik uyarlanabilir şok emici cihazlara dayanarak, sertlik, ortam titreşim frekansını algılayarak dinamik olarak ayarlanır. Sismik dalgaların etkisi altında, malzeme enerjiyi emmek için kontrol edilebilir bir faz değişikliğine uğrar ve titreşim durduktan sonra anında orijinal durumuna geri döner. Deneysel veriler, bu tür cihazların, dış enerji girdisine ihtiyaç duyulmadan bina yapılarının titreşim genliğini% 60-75 oranında azaltabileceğini göstermektedir.