Làm thế nào để hợp kim niken-titan đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa sự hấp thụ năng lượng và giải phóng thông qua các tương tác ở mức độ nguyên tử?

Độ siêu dẻo của hợp kim niken-titan bắt nguồn từ các đặc tính biến đổi pha martensitic độc đáo của nó. Trong phạm vi nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ biến đổi (AF), vật liệu ở trạng thái pha cha mẹ Austenite và cấu trúc mạng thể hiện sự sắp xếp tinh thể khối đối xứng cao. Khi lực bên ngoài khiến biến dạng vượt quá giá trị tới hạn, vật liệu sẽ biến thành pha martensite thông qua chuyển đổi pha không khuếch tán. Sự biến đổi pha này đi kèm với sự tái tạo cấu trúc mạng: tế bào đơn vị khối thông thường ban đầu được chuyển thành cấu trúc trạng thái năng lượng thấp với sự đối xứng đơn dòng. Sự biến đổi cấu trúc này về cơ bản là một quá trình hấp thụ năng lượng, phân tán nồng độ ứng suất thông qua sự dịch chuyển phối hợp ở cấp độ nguyên tử.

Sau khi dỡ lực bên ngoài, năng lượng tự do của hệ thống giảm và điều khiển biến đổi pha ngược, pha martensite được chuyển đổi trở lại thành pha Austenite và cấu trúc mạng trở về trạng thái ban đầu. Trong toàn bộ quá trình, vật liệu đạt được biến dạng và phục hồi thông qua chuyển đổi pha hơn là chuyển động trật khớp truyền thống. Cơ chế này cho phép hợp kim niken-titan giải phóng tới 8% chủng đàn hồi tại thời điểm dỡ hàng, vượt xa giới hạn đàn hồi là 0,5% -2% kim loại thông thường.

Cơ chế ảnh hưởng của cấu trúc vi mô đối với tính siêu dẻo
Hợp kim niken-titan của Nanocrystalline thể hiện các đặc tính siêu dẻo vượt trội so với các vật liệu hạt thô. Khi kích thước hạt được tinh chỉnh đến mức Subicron, mật độ ranh giới hạt tăng đáng kể, điều này không chỉ giới hạn đường truyền của biến đổi pha martensitic, mà còn chia sẻ một phần của chủng thông qua trượt ranh giới hạt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi kích thước hạt giảm xuống dưới 50nm, biên độ biến dạng tối đa mà vật liệu có thể chịu được tăng khoảng 30%, trong khi vẫn duy trì các đặc điểm trễ ổn định hơn.

Các hạt pha thứ hai như Ti₃ni₄ được giới thiệu bằng cách điều trị lão hóa có thể tối ưu hóa đáng kể hiệu suất siêu dẻo. Những kết tủa nano này ức chế chuyển động trật khớp thông qua các hiệu ứng ghim và thúc đẩy sự biến đổi martensitic đồng đều như các vị trí tạo mầm biến dạng pha. Khi kích thước pha kết tủa phù hợp với kích thước biến thể martensitic, vật liệu thể hiện biến dạng còn lại thấp hơn và độ ổn định theo chu kỳ cao hơn.

Những thay đổi nhỏ trong Niken-titan Tỷ lệ nguyên tử (NI/TI) về cơ bản thay đổi hành vi biến đổi pha. Khi hàm lượng NI lệch khỏi tỷ lệ cân bằng (50:50), nhiệt độ biến đổi pha chuyển động và hình thái biến thể martensitic thay đổi từ tự bào chế sang tự làm giảm. Sự tiến hóa cấu trúc này cho phép vật liệu thể hiện các đặc tính giảm xóc tốt hơn ở tốc độ biến dạng cụ thể, phù hợp cho lĩnh vực kiểm soát rung động.

Quá trình tiêu thụ năng lượng và phục hồi động
Cơ chế chuyển đổi năng lượng trong chu kỳ siêu dẻo liên quan đến các quá trình vật lý đa quy mô. Trong giai đoạn tải, công việc được thực hiện bởi lực bên ngoài trước tiên được chuyển đổi thành năng lượng biến dạng mạng. Khi biến dạng vượt quá giá trị tới hạn của biến đổi pha, khoảng 60% -70% năng lượng được chuyển thành nhiệt tiềm ẩn của biến đổi pha thông qua chuyển đổi pha martensitic. Năng lượng còn lại được lưu trữ trong pha austenite dư và trường ứng suất giao diện. Trong quá trình dỡ tải, nhiệt tiềm ẩn được giải phóng bởi sự biến đổi pha ngược và năng lượng biến dạng đàn hồi cùng thúc đẩy sự phục hồi hình dạng. Mất năng lượng của toàn bộ quá trình ít hơn 10%, tốt hơn nhiều so với mức độ trễ mất 30%-50%kim loại truyền thống.

Tốc độ chuyển đổi pha có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất siêu dẻo. Khi tốc độ biến dạng vượt quá 10⁻/s, biến đổi pha martensitic thay đổi từ loại kích hoạt nhiệt sang loại do ứng suất gây ra. Tại thời điểm này, sức nóng tiềm ẩn của biến đổi pha không có thời gian để tiêu tan, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ cục bộ lên đến hàng chục độ C. Hiệu ứng tự làm nóng này có thể hỗ trợ cắt mô trong các dụng cụ phẫu thuật xâm lấn tối thiểu, nhưng nó cũng đòi hỏi quản lý nhiệt thông qua thiết kế cấu trúc vi mô.

Đột phá về kỹ thuật trong ứng dụng Superelastic
Stent mạch máu hợp kim NITI sử dụng tính siêu dẻo dai để đạt được điều chỉnh động lực hỗ trợ xuyên tâm. Trong quá trình cấy ghép, vật liệu được nén và biến dạng thành đường kính 1mm và sau khi vào tổn thương, chủng được giải phóng và khôi phục thành 3 mm. Trong toàn bộ quá trình, vật liệu phải chịu biến dạng hơn 300% mà không biến dạng dẻo. Đặc tính này cho phép stent chống lại sự rút lại đàn hồi của thành mạch máu và tránh thiệt hại vĩnh viễn cho mạch máu.

Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, các khớp nối superelastic có thể chịu được biến dạng trục lên tới 5%, bù hiệu quả cho sự khác biệt về sự mở rộng nhiệt giữa động cơ và hệ thống truyền. Đường cong căng thẳng duy nhất của nó (ứng suất nền tảng khoảng 500MPa) cho phép nó duy trì tính toàn vẹn cấu trúc trong điều kiện quá tải, đồng thời giảm 40% trọng lượng so với các khớp nối kim loại truyền thống và kéo dài tuổi thọ mỏi hơn 3 lần.

Dựa trên các thiết bị hấp thụ sốc thích ứng siêu dẻo, độ cứng được điều chỉnh động bằng cách cảm nhận tần số rung xung quanh. Dưới tác động của sóng địa chấn, vật liệu trải qua một sự thay đổi pha có thể kiểm soát để hấp thụ năng lượng và ngay lập tức trở về trạng thái ban đầu sau khi độ rung dừng lại. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy các thiết bị như vậy có thể làm giảm biên độ rung của cấu trúc tòa nhà xuống 60% -75% mà không cần đầu vào năng lượng bên ngoài.