Сплави Пам'яті Форми: Мартеніт, Аустеніт і Чому Нітинол Пам’ятає

Дві кристалічні структури, одна композиція

Нітинол – нікель-титан, приблизно 50/50 за атомним співвідношенням, є основним сплавом пам’яті форми, і його поведінка повністю обумовлена твердотільною фазовою перетворенням між двома кристалічними структурами однакової хімічної композиції. Вище характерної температури стабільна структура – аустеніт, кубічна B2 (CsCl-тип) решітка, високосиметрична та механічно міцна. Нижче цієї температури стабільна структура – мартенсит, моноклінна B19′ решітка з меншою симетрією. На відміну від більшості фазових переходів, цей перехід є дифузійною: жодна атом не повинен був би мігрувати на значну відстань, і трансформація завершується за мікросекунди, оскільки це насправді скоординоване, кооперативне розрізання та перемішування існуючої решітки – мартенітна трансформація, така ж родина трансформацій (хоча й інший сплав) що і твердне закалювання загартованої сталі.

Чотири температури, один цикл емульсійного переходу

Оскільки для формування нової кристалічної структури необхідно подолати енергетичний бар’єр, трансформація не відбувається різко при одній самій температурі як при охолодженні, так і при нагріванні – вона відстає, створюючи термічну гістерезис. Чотири температури перетворення визначають цикл, завжди в цьому порядку вздовж осі температури:

Ms — початок формування мартенситу — охолодження аустеїта, починається формування мартенситу Mf — кінець формування мартенситу — продовжується охолодження, повністю мартенситний As — початок формування аустеїта — нагрівання мартенситу, починається формування аустеїта Af — кінець формування аустеїта — продовжується нагрівання, повністю аустеітний типове розташування: Mf Нижче Mf матеріал повністю мартенситний, але критично, він утворюється як переплетені мартенсити: багато малих варіацій мартенситу (пластини з низькою симетрією, орієнтовані різними способами) самовідрегульовані так, що макроскопічна форма майже не змінюється, хоча кожен атом перемістився. Переплетені мартенсити м’які та легко деформуються – не тому, що матеріал став слабшим, а тому, що прикладене навантаження може просто збільшити сприятливі варіанти за рахунок інших (процес, відомий як де-переплетіння), створюючи великий видимий зсув майже без спотворення решітки, чи протистоять йому.

Ms   martensite start   — cooling austenite, martensite begins forming
Mf   martensite finish  — cooling continues, fully martensite
As   austenite start    — heating martensite, austenite begins forming
Af   austenite finish   — heating continues, fully austenite

typical ordering:           Mf  <  Ms  <  As  <  Af
typical hysteresis width Af − Mf : roughly 20-40 K for Nitinol

Одностороння ефект пам’яті форми

Скрутіть дротик нітинолу, поки він холодний, нижче Mf. Що насправді відбувається на атомному рівні – це розщеплення мартенситних фаз, а не пластичне зсув; мартенситні варіанти переорієнтовуються для забезпечення відповідності згину, і дріт утримує цю форму, оскільки немає термодинамічного фактора, який би штовхав подвійники назад – мартенсит залишається стабільною фазою за цієї температури. Нагрійте дріт вище Af, і вся кристалічна структура повертається до єдиної, високосиметричної аустетичної структури, яка має лише одну можливу орієнтацію; оскільки аустейт не пам’ятає, в який мартенситний варіант він розщепився, решітка обов’язково повертається до її початкової, високої температури форми. Це і є одностороння ефект пам’яті форми – дріт запам'ятовує свою гарячу форму, забуває свою холодну і потребує повторної деформації кожного разу, коли ви хочете повторити трюк, оскільки охолодження просто реформує саморозщеплені подвійні мартенситні фази, а не зігнуту форму.

Супероластичність: одна й та ж фізика, але під дією напруження замість температури

Утримуйте дротик при постійній температурі вище Af, щоб аустеїт був стабільною фазою, і потягніть його. Оскільки аустеїт є метастабільним відносно мартензиту під навантаженням, механічне напруження само по собі може призвести до перетворення — напружено-індукований мартензит. Під час завантаження дротика напруження еластично зростає в аустеїті до певного піку: подальший деформація майже повністю виникає від конверсії аустеїту в розмитий мартензит при майже постійному напруженні, забезпечуючи декілька відсотків деформації — 6-8% є типовим для нітинолу, що значно перевищує еластичну деформацію звичайної сталі — для невеликого додаткового навантаження. Звільніть дротик і, оскільки мартензит нестабільний миттєво після зняття напруги при цій температурі, він перетворюється назад в аустеїт і дріт повертається до початкової форми. Цілком відновлення великої деформації без будь-якого підігріву є супероластичністю (також відомою як псевдоеластичністю), і це те, що робить стенти для кровоносних судин з нітинолу саморозширюваними та оправки для окулярів неможливими до розгортання.

Криві навантаження та розвантаження не простежують один одного — є пік напружень на шляху вгору і нижній пік на шляху вниз, що утворює петлю гістерезису, площа якої відповідає механічній енергії, втраченій за цикл. Ця втрата безпосередньо залежить від тієї ж асиметрії нуклеації-перешкоди, яка дає Ms ≠ As на температурній осі; формально два гістерезисні цикли (напруження-залежні та температурно-залежні) є двома розрізами через один і той самий діаграм напружень-температури, пов'язані з коефіцієнтом Клаузіуса-Клапейрона на зразок dσ/dT, який приблизно постійний для даної сплаву — тобто більш надзвичайна сталь з нітинолу потребує вищого піку напружень для перетворення, що є точною регульованою ручкою пристрою, яку використовують інженери-розробники для встановлення радіальної сили стента при температурі тіла.

Попарне перетворення проти здавання пружини за допомогою зсуву

Причина, по якій нітиnol відновлює такі великі деформації без пошкоджень, на відміну від звичайної метали, яка б зазнала постійної деформації, полягає в тому, що роз’єднання повністю зворотне: воно переміщує межі двовідновлення, а не дислокації, і повернення межі двовідновлення просто являє собою зворотний кристалічний зсув без залишкових атомів, які б були виставлені з ладу. Звичайна пластична деформація переміщує дислокації через решітку, а рух дислокацій не є зворотним — видалення навантаження залишає постійні пошкодження в масштабі атомів. Увімкніть межу відновлюваної деформації нітиnol (занадто сильно натисніть на роз’єднання або навантажте при занадто високому тиску), і звичайний здавання пружини зрештою переросте в рух дислокацій, тому супереластичні пристрої проєктуються таким чином, щоб залишатися безпечно всередині вікна трансформаційної деформації.

Часті запитання

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.