Comment l'alliage de nickel-titane réalise-t-il un équilibre parfait entre l'absorption d'énergie et la libération par des interactions au niveau atomique?

La superrélasticité de l'alliage de nickel-titane provient de ses caractéristiques de transformation de phase martensitique uniques. Dans la plage de température légèrement au-dessus de la température de transformation (FA), le matériau est à l'état de phase parentale de l'austénite et la structure du réseau présente une arrangement cristalbe cubique hautement symétrique. Lorsque la force externe provoque la déformation dépasser la valeur critique, le matériau se transforme en phase de martensite à travers une transformation de phase sans diffusion. Cette transformation de phase s'accompagne de la reconstruction de la structure du réseau: la cellule unitaire cubique à l'origine régulière est transformée en une structure d'état à faible énergie avec symétrie monoclinique. Cette transformation structurelle est essentiellement un processus d'absorption d'énergie, qui disperse la concentration de stress par déplacement coordonné au niveau atomique.

Après avoir déchargé la force externe, l'énergie libre du système diminue et entraîne la transformation de la phase inverse, la phase de martensite est transformée en phase d'austénite et la structure du réseau revient à son état initial. Pendant tout le processus, le matériau atteint la déformation et la récupération par transformation de phase plutôt que le mouvement de dislocation traditionnel. Ce mécanisme permet à l'alliage de nickel-titane de libérer jusqu'à 8% de la déformation élastique au moment du déchargement, dépassant de loin la limite élastique de 0,5% à 2% des métaux ordinaires.

Mécanisme de l'influence de la microstructure sur la superrélasticité
Les alliages nanocristallins en nickel-titane présentent des propriétés superrélastiques supérieures à celles des matériaux à grains grossiers. Lorsque la taille des grains est affinée au niveau submicronique, la densité des limites des grains augmente considérablement, ce qui limite non seulement le chemin de propagation de la transformation de phase martensitique, mais partage également une partie de la déformation par le glissement des limites du grain. Des études ont montré que lorsque la taille des grains est réduite à moins de 50 nm, l'amplitude de déformation maximale que le matériau peut résister augmente d'environ 30%, tout en maintenant des caractéristiques d'hystérésis plus stables.

Les particules de deuxième phase telles que Ti₃ni₄ introduites par le traitement du vieillissement peuvent optimiser considérablement les performances superrélastiques. Ces précipités à l'échelle nanométrique inhibent le mouvement de dislocation en épinglant les effets et favorisent la transformation martensitique uniforme comme sites de nucléation de déformation de phase. Lorsque la taille de la phase précipitée correspond à la taille de la variante martensitique, le matériau présente une déformation résiduelle plus faible et une stabilité cyclique plus élevée.

De légers changements dans le nickel-titane Le rapport atomique (Ni / Ti) change fondamentalement le comportement de transformation de phase. Lorsque la teneur en Ni s'écarte du rapport équiatomique (50:50), la température de transformation de phase se déplace et la morphologie de la variante de la variante martensitique passe de l'autocoperative à détourné. Cette évolution structurelle permet au matériau de présenter de meilleures propriétés d'amortissement à un taux de déformation spécifique, qui convient au champ de contrôle des vibrations.

Processus dynamique de dissipation et de récupération d'énergie
Le mécanisme de conversion d'énergie dans le cycle superrélastique implique des processus physiques à plusieurs échelles. Pendant le stade de chargement, le travail effectué par la force externe est d'abord converti en énergie de distorsion du réseau. Lorsque la déformation dépasse la valeur critique de la transformation de phase, environ 60% à 70% de l'énergie est convertie en chaleur latente de transformation de phase par transformation de phase martensitique. L'énergie restante est stockée dans la phase d'austénite résiduelle et le champ de contrainte d'interface. Pendant le déchargement, la chaleur latente libérée par la transformation de la phase inverse et l'énergie de déformation élastique entraînent conjointement la récupération de forme. La perte d'énergie de l'ensemble du processus est inférieure à 10%, ce qui est bien meilleur que la perte d'hystérésis de 30% à 50% des métaux traditionnels.

Le taux de transformation de phase a un effet significatif sur les performances superrélastiques. Lorsque le taux de déformation dépasse 10⁻³ / s, la transformation de phase martensitique passe du type activé par la chaleur au type induit par le stress. À l'heure actuelle, la chaleur latente de la transformation de phase n'a pas le temps de se dissiper, entraînant une augmentation de température locale allant jusqu'à des dizaines de degrés Celsius. Cet effet d'auto-chauffage peut aider à la coupe des tissus dans des instruments chirurgicaux mini-invasifs, mais il nécessite également une gestion thermique par conception de microstructure.

Percée d'ingénierie dans une application superrélastique
Les stents vasculaires en alliage Niti utilisent la superrélasticité pour réaliser un ajustement dynamique de la force de support radiale. Pendant l'implantation, le matériau est comprimé et déformé à un diamètre de 1 mm, et après être entré dans la lésion, la déformation est libérée et restaurée à 3 mm. Pendant tout le processus, le matériau est soumis à plus de 300% de déformation sans déformation plastique. Cette caractéristique permet au stent de résister à la rétraction élastique de la paroi du vaisseau sanguin et d'éviter les dommages permanents au vaisseau sanguin.

Dans le domaine de l'aérospatiale, les accouplements superélastiques peuvent résister à une déformation axiale jusqu'à 5%, compensant efficacement la différence de dilatation thermique entre le moteur et le système de transmission. Sa courbe de contrainte de contrainte unique (contrainte de plate-forme d'environ 500 MPa) lui permet de maintenir l'intégrité structurelle dans des conditions de surcharge, tout en réduisant le poids de 40% par rapport aux accouplements métalliques traditionnels, et en prolongant la durée de vie de la fatigue de plus de 3 fois.

Sur la base des dispositifs d'absorption de choc adaptatif superélastiques, la rigidité est ajustée dynamiquement en détectant la fréquence des vibrations ambiantes. Sous l'action des ondes sismiques, le matériau subit un changement de phase contrôlable pour absorber l'énergie et revient instantanément à son état d'origine après l'arrêt de la vibration. Les données expérimentales montrent que ces appareils peuvent réduire l'amplitude des vibrations des structures de construction de 60% à 75% sans avoir besoin d'une entrée d'énergie externe.