Ako funguje efekt tvarovej pamäte niklových-titánových drôtov

Efekt tvarovej pamäte (SME) niklových-titánových drôtov je v podstate reverzibilný proces „martenzitickej fázovej transformácie“ a „austenitickej fázovej transformácie“ vo vnútornej niklovej{1}}titánovej zliatine (zvyčajne Ni₅₀Ti₅0 alebo Ni₅₅dosiahnutie deformačnej charakteristiky {Ti₄₅2} pri nízkych teplotách zloženia plastického zloženia{2}) → obnovenie pôvodného tvaru pri vysokých teplotách“ prostredníctvom teploty-spustených usporiadaných štrukturálnych prechodov.

Nikl-titánový drôt

Nitinolový drôt

Na pochopenie tohto efektu je potrebné rozobrať ho z troch aspektov: „mechanizmus fázovej transformácie“, „charakteristiky dvoch kľúčových fáz“ a „úplný proces tvarovej pamäte“:
1. Základ jadra: „dvojfázová-štruktúra“ a „martenzitická fázová transformácia“ niklových-zliatin titánu
Pri rôznych teplotách nikel-titánové zliatiny vykazujú dve stabilné fázy s úplne odlišnými kryštálovými štruktúrami, čo je „materiálový základ“ efektu tvarovej pamäte.

II. Úplný proces efektu tvarovej pamäte: „Tvar - Opraviť - Obnoviť“ - tri kroky
Generovanie efektu tvarovej pamäte sa dosiahne „ručným zásahom do procesu fázovej transformácie“, umožnením zliatiny uchovať „deformáciu tvaru“ pri nízkych teplotách a následným spustením fázovej transformácie zahrievaním, aby sa uvoľnila energia a obnovil sa pôvodný tvar. Dá sa rozdeliť do troch nezvratných fáz:
1. Prvý krok: Tvarovanie pri vysokej-tete (vytvorenie „pôvodného tvaru“)
Pri teplotách vysoko nad Af (zvyčajne 500-600 stupňov ) sa nikel-titánový drôt spracuje do cieľového „pôvodného tvaru“ (ako je tvar oblúka ortodontického drôtu, rúrkovitý tvar podpery) a udržiava sa pri tejto teplote po určitú dobu (napríklad 30 minút).
Princíp: Pri vysokých teplotách je zliatina úplne v austenitickej fáze so stabilným a usporiadaným usporiadaním atómov; počas procesu udržiavania sa v zliatine vytvorí "usporiadaná pamäť kryštálovej štruktúry", ktorá "fixuje" súčasný tvar ako "vlastný tvar" austenitickej fázy (tj tvar, ktorý sa má v budúcnosti obnoviť).
Tento krok je „počiatočným bodom pamäte“ -, ak nie prostredníctvom vysoko-tvarovania, niklový-titánový drôt nemôže vykazovať efekt tvarovej pamäte, iba ukazuje plasticitu bežného kovu.
2. Druhý krok: Nízko{1}}tepelné tvarovanie (poskytnutie „dočasného tvaru“)
Po vysoko{0}}tepelnom tvarovaní sa niklový-titánový drôt ochladí na teplotu pod Mf (napríklad izbová teplota 25 stupňov) a potom sa vystaví vonkajšej sile (napríklad ohybu, natiahnutiu, stlačeniu), čo spôsobí jeho deformáciu do požadovaného "dočasného tvaru" (napríklad ortodontický drôt ohnutý tak, aby sa zmestil na podperu zubov, zafixuje sa do "zakrivenia" a zafixuje sa do "zakrivenia" odstránenie vonkajšej sily.
Princíp: Kryštalická štruktúra martenzitovej fázy je voľná a pri pôsobení vonkajšej sily prejde „zdvojenou deformáciou“ (tj kryštál kĺže po určitej rovine, smer usporiadania atómov sa zmení, ale nedochádza k rozbitiu atómu) - táto deformácia je „reverzibilná“ a deformačná energia je uložená v kryštálovej štruktúre, nie ako bežné kovy, ktoré vytvárajú „plastické zvyšky“.
3. Tretí krok: Zahrievanie na obnovenie (spustenie „pamäťového efektu“)
Nikel-titánový drôt spojený s dočasným tvarom sa zahreje na teplotu vyššiu ako Af (ako je telesná teplota 37 stupňov v medicínskych scenároch alebo teplota ohrievacej pece v priemyselných scenároch). V tomto čase sa zliatina pretransformuje z martenzitovej fázy do austenitickej fázy a automaticky sa vráti do „pôvodného tvaru“ vo fáze tvarovania pri vysokej teplote- a počas procesu obnovy sa vytvorí určitá „obnovujúca sila“ (ako je korekčná sila ortodontického drôtu pri obnove steny zubov, podporná sila podpery cievy pri obnove).
Princíp: Počas zahrievania sa „zdvojená deformačná štruktúra“ martenzitovej fázy spontánne vráti do „usporiadanej štruktúry usporiadania“ austenitickej fázy v dôsledku zosilneného tepelného pohybu atómu - tento proces je „poháňaný entropiou-“ (neusporiadaná martenzitická fáza má tendenciu vrátiť sa do usporiadaného austenitového tvaru. Uvoľní sa fáza obnovy, čím sa zníži energia systému), obnoví sa, obnoví sa deformačná fáza, čím sa zníži energia systému
Kľúčové vlastnosti: Proces obnovy má „jednosmernosť“ -, pokiaľ teplota dosiahne Af a neprekročí bod topenia zliatiny, tvar sa obnoví na 100 % (v ideálnom prípade) a obnovovacia sila je stabilná (možno ju upraviť ovládaním teploty fázovej transformácie a zloženia zliatiny).
III. Prečo má tento účinok iba zliatina niklu-titánu (niektoré zliatiny)? Kľúčové podmienky
Nie všetky zliatiny majú efekt tvarovej pamäte. Zliatina niklu-titánu môže dosiahnuť túto charakteristiku iba vtedy, ak spĺňa dve základné podmienky:
Reverzibilná martenzitická fázová transformácia: Musí existovať reverzibilná fázová transformácia „martenzit - austenit“ a nesmie dôjsť k „nadmernému oneskoreniu fázovej transformácie“ alebo „tvorbe medzifázy“ (napríklad niektoré zliatiny na báze medi majú tiež pamäťové efekty, ale oneskorenie je veľké a obnovovacia sila je slabá; zliatiny na báze železa nie sú schopné stabilizovať fázu krehkosti, zliatiny na báze železa nie sú schopné stabilizovať fázu krehnutia).
Dostatočná hnacia sila fázovej transformácie a štrukturálna stabilita: Atómy Ni-Ti v zliatine niklu-titánu tvoria „intermetalické zlúčeniny (TiNi)“, ktoré majú silné väzbové sily a zaisťujú, že sa kryštálová štruktúra počas fázovej transformácie neporuší (čo zabraňuje neschopnosti zotaviť sa po deformácii);
Zmena objemu pred fázovou transformáciou a po nej je malá (iba 0,1 %-0,5 %) a nespôsobí prasknutie zliatiny v dôsledku náhlej zmeny objemu, čím sa zabezpečí stabilita zotavenia (to je hlavná výhoda zliatin niklu a titánu oproti iným zliatinám s pamäťou).