Bagaimana paduan nikel-titanium mencapai keseimbangan sempurna antara penyerapan energi dan pelepasan melalui interaksi tingkat atom?

Superelastisitas paduan nikel-titanium berasal dari karakteristik transformasi fase martensit yang unik. Dalam kisaran suhu sedikit di atas suhu transformasi (AF), bahan berada dalam keadaan fase induk austenit, dan struktur kisi menyajikan susunan kristal kubik yang sangat simetris. Ketika gaya eksternal menyebabkan regangan melebihi nilai kritis, bahan akan berubah menjadi fase martensit melalui transformasi fase tanpa difusi. Transformasi fase ini disertai dengan rekonstruksi struktur kisi: sel unit kubik yang semula ditransformasikan menjadi struktur keadaan berenergi rendah dengan simetri monoklinik. Transformasi struktural ini pada dasarnya merupakan proses penyerapan energi, yang menyebarkan konsentrasi tegangan melalui perpindahan terkoordinasi pada tingkat atom.

Setelah membongkar gaya eksternal, energi bebas sistem mengurangi dan menggerakkan transformasi fase terbalik, fase martensit ditransformasikan kembali ke fase austenit, dan struktur kisi kembali ke keadaan awalnya. Selama seluruh proses, materi mencapai deformasi dan pemulihan melalui transformasi fase daripada gerakan dislokasi tradisional. Mekanisme ini memungkinkan paduan nikel-titanium untuk melepaskan hingga 8% dari regangan elastis pada saat pembongkaran, jauh melebihi batas elastis 0,5% -2% dari logam biasa.

Mekanisme pengaruh struktur mikro pada superelastisitas
Paduan nikel-titanium nanocrystalline menunjukkan sifat superelastik yang lebih unggul daripada bahan berbutir kasar. Ketika ukuran butir disempurnakan ke tingkat submikron, kepadatan batas butir meningkat secara signifikan, yang tidak hanya membatasi jalur propagasi transformasi fase martensit, tetapi juga berbagi bagian dari strain melalui geser batas butir. Studi telah menunjukkan bahwa ketika ukuran butir dikurangi hingga di bawah 50nm, amplitudo regangan maksimum yang dapat ditahan material dapat meningkat sekitar 30%, sambil mempertahankan karakteristik histeresis yang lebih stabil.

Partikel fase kedua seperti ti₃ni₄ yang diperkenalkan oleh pengobatan penuaan dapat secara signifikan mengoptimalkan kinerja superelastik. Endapan nano ini menghambat gerakan dislokasi melalui efek pinning dan mempromosikan transformasi martensit yang seragam sebagai lokasi nukleasi deformasi fase. Ketika ukuran fase endapan cocok dengan ukuran varian martensit, bahan menunjukkan regangan residu yang lebih rendah dan stabilitas siklik yang lebih tinggi.

Sedikit perubahan pada nikel-titanium Atomic Ratio (Ni/Ti) secara fundamental mengubah perilaku transformasi fase. Ketika konten Ni menyimpang dari rasio ekuatomik (50:50), suhu transformasi fase bergeser, dan varian morfologi martensit berubah dari swadana menjadi detwinned. Evolusi struktural ini memungkinkan bahan untuk menunjukkan sifat redaman yang lebih baik pada laju regangan tertentu, yang cocok untuk bidang kontrol getaran.

Proses dinamis disipasi dan pemulihan energi
Mekanisme konversi energi dalam siklus superelastik melibatkan proses fisik multi-skala. Selama tahap pemuatan, pekerjaan yang dilakukan oleh gaya eksternal pertama kali dikonversi menjadi energi distorsi kisi. Ketika strain melebihi nilai kritis dari transformasi fase, sekitar 60% -70% energi dikonversi menjadi panas laten transformasi fase melalui transformasi fase martensit. Energi yang tersisa disimpan dalam fase austenit residual dan medan tegangan antarmuka. Selama pembongkaran, panas laten yang dilepaskan oleh transformasi fase terbalik dan energi regangan elastis bersama -sama mendorong pemulihan bentuk. Kehilangan energi dari seluruh proses kurang dari 10%, yang jauh lebih baik daripada kehilangan histeresis 30%-50%logam tradisional.

Laju transformasi fase memiliki efek yang signifikan pada kinerja superelastik. Ketika laju regangan melebihi 10⁻³/s, transformasi fase martensit berubah dari tipe yang diaktifkan panas menjadi tipe yang diinduksi stres. Pada saat ini, panas laten transformasi fase tidak memiliki waktu untuk menghilang, menghasilkan peningkatan suhu lokal hingga puluhan derajat Celcius. Efek pemanasan diri ini dapat membantu pemotongan jaringan dalam instrumen bedah invasif minimal, tetapi juga membutuhkan manajemen termal melalui desain struktur mikro.

Terobosan Teknik dalam Aplikasi Superelastik
Stent vaskular paduan niti menggunakan superelastisitas untuk mencapai penyesuaian dinamis dari kekuatan pendukung radial. Selama implantasi, bahan dikompresi dan dideformasi ke diameter 1mm, dan setelah memasuki lesi, regangan dilepaskan dan dikembalikan ke 3mm. Selama seluruh proses, material mengalami lebih dari 300% regangan tanpa deformasi plastik. Karakteristik ini memungkinkan stent untuk menahan retraksi elastis dari dinding pembuluh darah dan menghindari kerusakan permanen pada pembuluh darah.

Di bidang kedirgantaraan, kopling superelastik dapat menahan hingga 5% regangan aksial, secara efektif mengkompensasi perbedaan dalam ekspansi termal antara mesin dan sistem transmisi. Kurva tegangan-regangan yang unik (stres platform sekitar 500MPA) memungkinkannya untuk mempertahankan integritas struktural di bawah kondisi kelebihan beban, sambil mengurangi berat sebesar 40% dibandingkan dengan kopling logam tradisional, dan memperpanjang umur kelelahan lebih dari 3 kali.

Berdasarkan perangkat penyerap goncangan adaptif superelastik, kekakuan disesuaikan secara dinamis dengan merasakan frekuensi getaran ambien. Di bawah aksi gelombang seismik, bahan tersebut mengalami perubahan fase yang dapat dikendalikan untuk menyerap energi, dan langsung kembali ke keadaan aslinya setelah getaran berhenti. Data eksperimental menunjukkan bahwa perangkat tersebut dapat mengurangi amplitudo getaran struktur bangunan sebesar 60% -75% tanpa perlu input energi eksternal.