Czynniki wpływające i ulepszające metody supersprężystości stopu tytanu

Maksymalne odkształcenie odzysku (εr) stopu Ti-Ni może osiągnąć 8,0%, wykazując doskonały efekt pamięci kształtu i superelastyczność, i jest szeroko stosowany jako płytki kostne, rusztowania naczyniowe i ramy ortodontyczne. Jednakże, gdy stop Ti-Ni zostanie wszczepiony w ludzkie ciało, może uwolnić Ni+, który jest uczulający i rakotwórczy, co prowadzi do poważnych problemów zdrowotnych. stop tytanu ma dobrą biokompatybilność, odporność na korozję i niski moduł sprężystości, a po rozsądnej obróbce cieplnej może uzyskać lepszą wytrzymałość i plastyczność. Jest to rodzaj materiału metalowego, który można wykorzystać do wymiany twardych tkanek. Jednocześnie w niektórych stopach tytanu zachodzi odwracalna termosprężysta przemiana martenzytyczna, wykazująca pewne efekty supersprężyste i z pamięcią kształtu, co dodatkowo rozszerza jego zastosowanie w dziedzinie biomedycyny. Rozwój stopu tytanu, który składa się z nietoksycznych pierwiastków i ma wysoką elastyczność, stał się w ostatnich latach gorącym punktem badań nad medycznym stopem tytanu.
Obecnie opracowano wiele stopów tytanu wykazujących supersprężystość i efekt pamięci kształtu w temperaturze pokojowej, takich jak stopy Ti-Mo, Ti-Ta, Ti-Zr i Ti-Nb. Jednakże odzysk supersprężysty tych stopów jest niewielki, np. maksymalny εr Ti-(26, 27)Nb (26 i 27 to frakcje atomowe, jeśli nie są specjalnie oznaczone, składniki stopu tytanu uwzględnione w tym artykule są frakcjami atomowymi). wynosi tylko 3,0%, czyli znacznie mniej niż stop Ti-Ni. Pilnym problemem do rozwiązania jest dalsze ulepszanie supersprężystości stopu tytanu. W artykule przeanalizowano czynniki wpływające na supersprężystość stopu tytanu oraz systematycznie podsumowano metody poprawy supersprężystości.
Supersprężystość 1.1 Odwracalna przemiana martenzytyczna 1 stopów tytanu pod wpływem naprężenia
Supersprężystość stopów tytanu jest zwykle spowodowana odwracalną przemianą martenzytyczną wywołaną naprężeniami, to znaczy, że faza struktury sześciennej skupionej wokół ciała przechodzi w fazę rombowej struktury siatkowej pod wpływem odkształcenia. Podczas odciążania " faza przechodzi w fazę i napięcie wraca do normy. W supersprężystym stopie tytanu faza struktury sześciennej skupionej wokół ciała nazywana jest „austenitem”, a faza struktury rombowej nazywana jest „martenzytem”. Temperaturę początkową przemiany fazowej martenzytu, temperaturę końcową przemiany fazowej martenzytu, temperaturę początkową przemiany fazowej austenitu i temperaturę końcową przemiany fazowej austenitu wyraża się za pomocą Ms, Mf, As i Af, a Af wynosi zwykle od kilku kelwinów do dziesiątek Kelvina wyższa od Ms. Proces ładowania i odciążania stopu tytanu z przemianą martenzytyczną wywołaną naprężeniami pokazano na rysunku 1. Najpierw następuje odkształcenie sprężyste fazy, która po osiągnięciu obciążenia przechodzi w fazę „w postaci ścinania”. naprężenie krytyczne (σSIM) wymagane do wywołania martenzytycznej przemiany fazowej. W miarę wzrostu obciążenia martenzytyczne przejście fazowe ( → ") trwa aż do osiągnięcia naprężenia wymaganego do zakończenia (lub zakończenia) martenzytycznej przemiany fazowej, a następnie następuje sprężyste odkształcenie fazy. Kiedy obciążenie dalej wzrasta powyżej naprężenia krytycznego wymaganego do poślizgu fazowego (σCSS), następuje odkształcenie plastyczne fazy. Podczas odciążania, oprócz elastycznego powrotu „fazy po fazie”, → przejście fazowe powoduje również powrót odkształcenia. Efekt supersprężystości lub pamięci kształtu stopu zależy od zależności między temperaturą przejścia fazowego a temperaturą badania. Gdy temperatura Af jest nieco niższa niż temperatura badania, faza wywołana naprężeniem podczas obciążania ulega → przemianie fazowej podczas odciążania, a odkształcenie odpowiadające przemianie fazowej wywołanej naprężeniem może całkowicie powrócić do normy, a stop wykazuje supersprężystość. Gdy temperatura badania mieści się w zakresie pomiędzy As i Af, część fazy ulega przekształceniu w fazę podczas odciążania i odzyskiwane jest odkształcenie odpowiadające przemianie fazowej wywołanej naprężeniem, a stop wykazuje pewną supersprężystość. Jeśli stop jest dalej podgrzewany powyżej temperatury Af, pozostała faza przekształca się w fazę, odkształcenie przejścia fazowego zostaje całkowicie odzyskane, a stop wykazuje pewien efekt pamięci kształtu. Gdy temperatura badania jest niższa niż As, przemiana martenzytyczna wywołana naprężeniem odkształcenie nie powraca automatycznie do temperatury badania, a stop nie ma supersprężystości.Jednak gdy stop jest podgrzewany powyżej Af, odkształcenie związane ze zmianą fazy zostaje całkowicie przywrócone, a stop wykazuje efekt pamięci kształtu.