🌀 Stop z Pamięcią Kształtu: Przemiana Martenzytyczna

Stop z pamięcią kształtu, taki jak Nitinol (NiTi), można odkształcić na zimno, w fazie martenzytu, a następnie spontanicznie wraca on do wcześniej „wytrenowanego” kształtu po podgrzaniu powyżej temperatury przemiany. Pamięć nie jest chemiczna — pochodzi z bezdyfuzyjnej przemiany martenzytycznej między strukturą krystaliczną martenzytu o niskiej symetrii a strukturą austenitu o wysokiej symetrii. Podgrzewanie sprowadza sieć z powrotem do austenitu, który ma tylko jeden możliwy kształt o wysokiej symetrii, więc drut jest ściągany z powrotem do kształtu, jaki miał ostatnim razem, gdy był w pełni austenityczny.

Zginanie zwykłego metalu trwale przestawia jego atomy poprzez poślizg dyslokacji, co nie może się samoistnie cofnąć. Zimny stop z pamięcią kształtu odkształca się głównie przez bliźniakowanie — warianty martenzytu przeorientowują się względem siebie bez zrywania wiązań atomowych. Bliźniakowanie jest w pełni odwracalne, dlatego podgrzanie stopu z powrotem do austenitu może cofnąć odkształcenie, zamiast pozostawić drut trwale zgiętym.

W trybie termicznej pamięci kształtu przeciągnij fioletowe kule uchwytów, aby zgiąć drut na zimno (poniżej Ms), następnie przesuń suwak temperatury w górę przez As i Af, aby zobaczyć powrót do wytrenowanego kształtu haczyka. Przełącz się w tryb superelastyczny, aby ustalić temperaturę powyżej Af i zamiast tego przeciągaj suwak naprężenia w górę i w dół — drut zgina się pod obciążeniem i wraca po zwolnieniu naprężenia, rysując pętlę histerezy na wykresie naprężenie-odkształcenie. Reset przywraca wytrenowany kształt, zerowe naprężenie i temperaturę pokojową.

Ms i Mf to temperatury początku i końca martenzytu osiągane podczas chłodzenia; As i Af to temperatury początku i końca austenitu osiągane podczas podgrzewania. Ponieważ zarodkowanie każdej fazy wymaga pokonania niewielkiej bariery energetycznej, ścieżka podgrzewania i chłodzenia nigdy się nie pokrywają — Af zawsze znajduje się powyżej Ms. Ta różnica temperatur to histereza przemiany, będąca prawdziwą, mierzalną właściwością każdego stopu z pamięcią kształtu, a nie artefaktem symulacji.

Superelastyczność zachodzi w stałej temperaturze powyżej Af, gdzie stop zaczyna w pełni austenityczny. Samo przyłożenie naprężenia (bez zmiany temperatury) może wymusić lokalną, wywołaną naprężeniem przemianę martenzytyczną, dającą kilka procent odkształcenia odwracalnego — znacznie powyżej granicy sprężystości zwykłego metalu wynoszącej około 0,2%. Ponieważ naprężenie potrzebne do wywołania martenzytu przy obciążaniu jest wyższe niż naprężenie, przy którym cofa się on przy odciążaniu, proces rysuje pętlę histerezy obciążenia/odciążenia, mimo że materiał w pełni odzyskuje swój kształt przy zerowym naprężeniu.

Nitinol to mniej więcej równoatomowy stop niklu i tytanu (NiTi), odkryty w US Naval Ordnance Laboratory w latach 1959–1963. Łączy użytecznie duże odkształcenie odwracalne (do około 8% odkształcenia superelastycznego), dobrą biokompatybilność i zakres temperatur przemiany, który można dostroić blisko temperatury ciała poprzez niewielkie zmiany składu, dlatego dominuje w zastosowaniach medycznych i konsumenckich nad innymi systemami stopów, takimi jak CuAlNi czy CuZnAl.

Samorozprężające się stenty z Nitinolu są sprężane na zimno na cewnik, a następnie ogrzewają się do temperatury ciała po wprowadzeniu i rozprężają, aby utrzymać naczynie krwionośne otwarte. Superelastyczne oprawki okularów i łuki ortodontyczne z Nitinolu zginają się wokół przeszkody i wracają do kształtu zamiast pozostawać zgięte. Termiczne siłowniki z pamięcią kształtu, sprzęgła i zawory przeciwpożarowe wykorzystują siłę powrotu kształtu generowaną podczas podgrzewania do wykonywania pracy mechanicznej bez żadnego silnika.

Naukowcy rozwijają wysokotemperaturowe stopy z pamięcią kształtu (NiTiHf, NiTiPd) dla siłowników lotniczych, stopy elastokaloryczne wykorzystujące ciepło utajone pochłaniane i uwalniane podczas przemiany wywołanej naprężeniem do chłodzenia w stanie stałym bez czynnika chłodniczego, oraz wytwarzane przyrostowo (drukowane 3D) siatki NiTi, których zachowanie przemiany można lokalnie dostroić w obrębie jednej drukowanej części.