Такелажні сплави: Метал, який пам’ятає свою форму

Визначні властивості нітинолу

Спробуйте зігнути канцелярський кліпса – і він залишиться зігнутим – це звичайна пластична деформація, коли дислокації постійно проходять одна через одну в кристалічній решітці металу. А якщо зігнути дротик з нітинолу (нікелево-титальний сплав, приблизно 50/50 за атомною масою, виявлений у лабораторії Морського артильєрського управління США на початку 1960-х років) таким же чином, зігріти його, і він повернеться до своєї початкової форми самостійно. Тут не відбулося жодної пластичної деформації – деформація повністю здійснювалася завдяки зворотньому перетворенню кристалічної структури металу, а не шляхом постійного переупорядкування атомів один одного.

Два кристалічні фази, один зворотний перемикач

Нітинол існує у двох відмінних кристалічних фазах. Аустеніт – це високотемпературна, високосиметрична кубічна фаза — механічно тверда, і форма, яку «запам’ятовує» метал. Мартеніт – це низькотемпературна фаза, менш симетрична решітка, яка досягається не шляхом дифузії атомів на довгі відстані (як у більшості фазових переходів), а скоріше за рахунок скоординованої, бездифузійної зміни форми решітки — кожен атом одночасно зміщується на невелику, послідовну відстань від своїх сусідів. Оскільки жоден атом не повинен переміщатися куди-небудь, цей перехід відбувається практично зі швидкістю звуку в матеріалі, поширюючись через метал за лічені секунди.

cooling:  austenite → martensite     (starts at Ms, finishes at Mf)
heating:  martensite → austenite     (starts at As, finishes at Af)

Ms, Mf, As, Af are four distinct temperatures — the transformation
lags on each direction, tracing a hysteresis loop rather than a
single sharp transition point

Зіпсовані мартеніти: вигин без руйнування окремого зв’язку

Свіжоутворена мартеніта зсіпана — складається з багатьох малих кристалічних доменів, кожен з яких є дзеркальним орієнтацією свого сусіда, розташованих так, щоб загальна макроскопічна форма відповідала батьківській аустеніту. Застосування напружень не розтягує атомні зв’язки так, як це було б у звичайному металі; замість цього воно перетворює зіпсовану мартеніт на єдину, дезіпсовану орієнтацію шляхом того, що межі зіпсованих доменів проходять через матеріал, дозволяючи дроту вигинатися або розтягуватися на кілька відсотків спотворення — значно більше, ніж приблизно 0,2% еластичного ліміту звичайного конструкційного металу — при цьому довжина кожного зв’язку залишається практично незмінною. Це фізичний механізм того, чому вигнутий дріт нітинолу зберігає надзвичайно мало справжнього спотворення решітки: те, що здається пластичною деформацією, насправді є переорганізацією того, які домени зіпсованих доменів домінують, і це повністю зворотне.

Супеластичність: компроміс при кімнатній температурі

Вище зазначено (Above Af), матеріал повністю є аустеном і механічно стабільний у спокої – але застосування достатнього напруження все ще може локально викликати перетворення на мартенсит під тиском, навіть без охолодження, оскільки напруга та температура одночасно зміщують рівновагу основного перетворення (це аналог перетворення сплаву, коли тиск може змінити температуру кипіння рідини-газу). Дріт поглинає величезну кількість деформації під час цього перетворення, що характеризується майже плоским напруженням – механічним відбитком, який проявляється як чіткий рівний сегмент у кривій напруження-деформації, а коли напруга знімається, нестабільний мартенсит миттєво повертається до аустена, і дріт повертається до своєї початкової форми при кімнатній температурі без необхідності додаткового нагріву. Це супеластичність, і саме вона робить рамки з нітинолу, які витримують сидіння на них, та саморозширювані кардіосудинні стенти можливими: стент стискається у катетер, а коли його відправляють у теплішу, незбудену артерію, він автоматично розкривається.

Вивчення циклу напруження-деформації

Повне завантаження-розвантаження над Af відтворює характерний гістограмний цикл, а не повторює ту ж траєкторію назад: навантаження різко зростає (еластична аустітна фаза), рівномірно вирівнюється на напруженому мартеन्सівському плато, а потім знову різко зростає після завершення трансформації та деформації мартенансу в еластичну фазу; розвантаження змінюється вниз по нижньому плато, оскільки повернення від мартенансу до аустіту вимагає меншої напруги, ніж пряма трансформація. Відхилення між цими двома плато — площа, обмежена циклом, — є механічною енергією, що втрачається у вигляді тепла за кожний цикл, що саме пояснює використання нітинолу в сейсмічних демпферах і амортизаторах вібрації: власна фазова трансформація матеріалу поглинає енергію удару за кожний цикл без будь-якого традиційного діоптрічного або пружинного елемента.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Shape Memory Alloy і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.