In che modo la lega di nichel-titanio raggiunge un perfetto equilibrio tra assorbimento energetico e rilascio attraverso interazioni a livello atomico?

La superlasticità della lega di nichel-titanio deriva dalle sue caratteristiche uniche di trasformazione della fase martensitica. Nell'intervallo di temperatura leggermente al di sopra della temperatura di trasformazione (AF), il materiale si trova nello stato di fase genitore austenite e la struttura reticolare presenta una disposizione del cristallo cubico altamente simmetrico. Quando la forza esterna fa sì che la deformazione supera il valore critico, il materiale si trasformerà nella fase di martensite attraverso una trasformazione di fase senza diffusione. Questa trasformazione di fase è accompagnata dalla ricostruzione della struttura reticolare: la cellula unitaria cubica originariamente normale si trasforma in una struttura a bassa energia con simmetria monoclinica. Questa trasformazione strutturale è essenzialmente un processo di assorbimento energetico, che disperde la concentrazione di stress attraverso lo spostamento coordinato a livello atomico.

Dopo aver scaricato la forza esterna, l'energia libera del sistema diminuisce e guida la trasformazione della fase inversa, la fase di martensite viene trasformata nella fase di austenite e la struttura reticolare ritorna allo stato iniziale. Durante l'intero processo, il materiale raggiunge la deformazione e il recupero attraverso la trasformazione di fase piuttosto che il tradizionale movimento di dislocazione. Questo meccanismo consente alla lega di nichel-titanio di rilasciare fino all'8% della deformazione elastica al momento dello scarico, superando di gran lunga il limite elastico dello 0,5% -2% dei metalli ordinari.

Meccanismo dell'influenza della microstruttura sulla superlasticità
Le leghe di nichel-titanio nanocristalline presentano proprietà superlastiche superiori a quelle di materiali a grana grossa. Quando la dimensione del grano viene perfezionata al livello del sottomicro, la densità del limite del grano aumenta in modo significativo, il che non solo limita il percorso di propagazione della trasformazione della fase martensitica, ma condivide anche parte della deformazione attraverso lo scorrimento del confine del grano. Gli studi hanno dimostrato che quando la dimensione del grano è ridotta a un numero inferiore di 50 nm, l'ampiezza massima della deformazione che il materiale può resistere aumenta di circa il 30%, mantenendo le caratteristiche di isteresi più stabili.

Le particelle di seconda fase come Ti₃ni₄ introdotte dal trattamento dell'invecchiamento possono ottimizzare significativamente le prestazioni superlastiche. Questi precipitati su nanoscala inibiscono il movimento di dislocazione attraverso gli effetti di blocco e promuovono la trasformazione martensitica uniforme come siti di nucleazione di deformazione di fase. Quando la dimensione della fase precipitata corrisponde alla dimensione della variante martensitica, il materiale mostra una tensione residua inferiore e una maggiore stabilità ciclica.

Lievi cambiamenti nel nichel-titanio Il rapporto atomico (NI/TI) cambia sostanzialmente il comportamento di trasformazione di fase. Quando il contenuto di NI si discosta dal rapporto equiatomico (50:50), la temperatura di trasformazione di fase si sposta e la morfologia della variante martensitica cambia da autocosperativa a detwinned. Questa evoluzione strutturale consente al materiale di esibire migliori proprietà di smorzamento a una velocità di deformazione specifica, che è adatta al campo del controllo delle vibrazioni.

Processo dinamico di dissipazione e recupero dell'energia
Il meccanismo di conversione dell'energia nel ciclo superlastico prevede processi fisici multi-scala. Durante la fase di caricamento, il lavoro svolto dalla forza esterna viene prima convertito in energia di distorsione reticolare. Quando la deformazione supera il valore critico della trasformazione di fase, circa il 60% -70% dell'energia viene convertito in calore latente della trasformazione di fase attraverso la trasformazione della fase martensitica. L'energia rimanente viene immagazzinata nella fase di austenite residua e nel campo di stress dell'interfaccia. Durante lo scarico, il calore latente rilasciato dalla trasformazione della fase inversa e l'energia di deformazione elastica guidano congiuntamente il recupero della forma. La perdita di energia dell'intero processo è inferiore al 10%, il che è molto migliore della perdita di isteresi del 30%-50%dei metalli tradizionali.

Il tasso di trasformazione di fase ha un effetto significativo sulle prestazioni superlastiche. Quando la velocità di deformazione supera 10⁻³/s, la trasformazione della fase martensitica cambia dal tipo attivato dal calore al tipo indotto da stress. Al momento, il calore latente della trasformazione di fase non ha tempo di dissipare, con conseguente aumento della temperatura locale fino a decine di gradi Celsius. Questo effetto auto-riscaldante può aiutare il taglio dei tessuti in strumenti chirurgici minimamente invasivi, ma richiede anche una gestione termica attraverso la progettazione di microstrutture.

Ingegneria ingegneria in applicazione superlastica
Gli stent vascolari in lega NITI usano la superasticità per ottenere una regolazione dinamica della forza di supporto radiale. Durante l'impianto, il materiale viene compresso e deformato in un diametro di 1 mm e dopo essere entrato nella lesione, la deformazione viene rilasciata e ripristinata a 3 mm. Durante l'intero processo, il materiale è soggetto a una deformazione di oltre il 300% senza deformazione plastica. Questa caratteristica consente allo stent di resistere alla retrazione elastica della parete del vaso sanguigno ed evitare danni permanenti al vaso sanguigno.

Nel campo dell'aerospaziale, gli accoppiamenti superlastici possono resistere fino al 5% di deformazione assiale, compensando efficacemente la differenza nell'espansione termica tra il motore e il sistema di trasmissione. La sua curva unica a deformazione da stress (stress della piattaforma di circa 500 MPa) gli consente di mantenere l'integrità strutturale in condizioni di sovraccarico, riducendo al contempo il peso del 40% rispetto ai tradizionali accoppiamenti metallici e estendendo la vita a fatica di oltre 3 volte.

Sulla base di dispositivi di assorbimento di shock adattivo superlastico, la rigidità viene regolata dinamicamente rilevando la frequenza di vibrazione ambientale. Sotto l'azione delle onde sismiche, il materiale subisce un cambiamento di fase controllabile per assorbire l'energia e ritorna istantaneamente al suo stato originale dopo che la vibrazione si è fermata. I dati sperimentali mostrano che tali dispositivi possono ridurre l'ampiezza delle vibrazioni delle strutture dell'edificio del 60% -75% senza la necessità di input di energia esterna.