UK 
EnglishЗа замовчуванням
Polski🌀 Сплав із пам'яттю форми: мартенситний перехід
Ця симуляція відтворює справжній 3D-дріт, вигнутий вручну у навчену форму «гачка», щоб ви могли дослідити обидві характерні властивості сплаву з пам'яттю форми, як-от нітинол (NiTi). У режимі теплової пам'яті форми перетягніть рукоятки, щоб зігнути холодний дріт — мартенситна фаза приймає деформацію через двійникування, тому дріт легко гнеться і утримує нову форму. Підніміть повзунок температури через точки початку (As) і завершення (Af) аустенітного переходу — кристалічна ґратка повертається до високосиметричної аустенітної структури, тягнучи дріт назад до початкової навченої форми в реальному часі. У суперпружному режимі температура фіксується вище Af; навантаження й розвантаження дроту повзунком напруження малює справжню петлю гістерезису на графіку напруження-деформація, показуючи велику відновлювану деформацію, спричинену лише напруженням.
Про симуляцію сплаву з пам'яттю форми
Ця симуляція відтворює справжній 3D-дріт, вигнутий вручну у навчену форму «гачка», щоб дослідити обидві характерні поведінки сплаву з пам'яттю форми, наприклад нітинолу (NiTi). У режимі теплової пам'яті форми перетягніть рукоятки, щоб зігнути холодний дріт — мартенситна фаза приймає деформацію через двійникування, тому дріт легко гнеться і утримує нову форму. Підніміть повзунок температури через точки As та Af — кристалічна ґратка повертається до аустенітної структури, і дріт у реальному часі повертається до навченої форми. У суперпружному режимі температура фіксується вище Af; навантаження й розвантаження дроту повзунком напруження малює справжню петлю гістерезису на графіку напруження-деформація.
Невеликий вставний перегляд ґратки показує спрощені елементарні комірки, що перемикаються між двома варіантами двійників при деформації дроту у холодній фазі, і врешті переходять в одну, вищосиметричну структуру при нагріванні в аустеніт — мініатюрну картину того самого бездифузійного, зсувного перетворення, що відбувається по всьому дроту.
Часті запитання
Що таке сплав із пам'яттю форми і як він «пам'ятає» свою форму?
Сплав із пам'яттю форми, як-от нітинол (NiTi), можна деформувати у холодному стані, в мартенситній фазі, а потім він спонтанно повертається до раніше «навченої» форми при нагріванні вище температури перетворення. Пам'ять забезпечує бездифузійне мартенситне перетворення між низькосиметричною мартенситною структурою та високосиметричною аустенітною. Нагрівання повертає ґратку в аустеніт, який має лише одну можливу високосиметричну форму, тож дріт тягнеться назад до тієї форми, яку він мав востаннє у повністю аустенітному стані.
Чим деформація мартенситу відрізняється від згинання звичайного металу?
Згинання звичайного металу назавжди перебудовує його атоми через ковзання дислокацій, яке не може самовільно скасуватися. Холодний сплав із пам'яттю форми деформується переважно через двійникування — варіанти мартенситу переорієнтовуються один щодо одного без розриву атомних зв'язків. Двійникування повністю оборотне, тому нагрівання сплаву назад в аустеніт може скасувати деформацію, а не залишити його зігнутим назавжди.
Як користуватися цією симуляцією?
У режимі теплової пам'яті форми перетягніть фіолетові рукоятки, щоб зігнути холодний дріт (нижче Ms), потім рухайте повзунок температури вгору через As та Af, щоб побачити, як він повертається до навченої форми гачка. Перемкніться на суперпружний режим, щоб зафіксувати температуру вище Af і рухати повзунок напруження вгору й вниз — дріт згинається під навантаженням і повертається при знятті напруження, малюючи петлю гістерезису. Скидання відновлює навчену форму, нульове напруження та кімнатну температуру.
Що таке Ms, Mf, As і Af, і чому виникає гістерезис?
Ms і Mf — температури початку та завершення утворення мартенситу при охолодженні; As і Af — температури початку та завершення утворення аустеніту при нагріванні. Оскільки зародження кожної фази потребує подолання невеликого енергетичного бар'єра, шлях нагрівання й охолодження ніколи не збігаються — Af завжди вища за Ms. Ця температурна різниця і є гістерезисом перетворення, реальною, вимірюваною властивістю кожного сплаву з пам'яттю форми, а не артефактом симуляції.
Що таке суперпружність і чим вона відрізняється від пам'яті форми?
Суперпружність відбувається за сталої температури вище Af, коли сплав повністю аустенітний. Лише напруження (без зміни температури) може викликати локальне мартенситне перетворення, спричинене напруженням, даючи кілька відсотків відновлюваної деформації — набагато більше за приблизно 0.2% пружної межі звичайного металу. Оскільки напруження, потрібне для утворення мартенситу при навантаженні, вище за те, при якому він зникає при розвантаженні, процес малює петлю гістерезису замість прямої лінії, хоча матеріал повністю відновлює форму при нульовому напруженні.
Що таке нітинол і чому це найпоширеніший сплав із пам'яттю форми?
Нітинол — це приблизно еквіатомний сплав нікелю й титану (NiTi), відкритий у Військово-морській артилерійській лабораторії США в 1959-1963 роках. Він поєднує корисно велику відновлювану деформацію (до близько 8% суперпружної деформації), гарну біосумісність та діапазон температур перетворення, який можна налаштувати близько до температури тіла невеликими змінами складу, тому він домінує в медичних і споживчих застосуваннях пам'яті форми над іншими сплавами, як-от CuAlNi чи CuZnAl.
Які пристрої реального світу використовують сплави з пам'яттю форми?
Саморозширювані нітинолові стенти стискають у холодному стані на катетер, потім вони нагріваються до температури тіла після встановлення і розкриваються, утримуючи судину відкритою. Суперпружні нітинолові оправи окулярів та ортодонтичні дуги згинаються навколо перешкоди і повертаються назад замість того, щоб залишатися зігнутими. Теплові актуатори з пам'яттю форми, з'єднання та запобіжні клапани використовують силу відновлення форми при нагріванні для виконання механічної роботи без будь-якого двигуна.
Який активний напрям досліджень у науці про сплави з пам'яттю форми?
Дослідники розробляють високотемпературні сплави з пам'яттю форми (NiTiHf, NiTiPd) для аерокосмічних актуаторів, еластокалоричні сплави, що використовують приховане тепло, поглинуте й вивільнене під час викликаного напруженням перетворення для твердотільного охолодження без холодоагентів, а також надруковані на 3D-принтері ґратки NiTi, поведінку перетворення яких можна локально налаштовувати в межах однієї деталі.