R-фаза является фазой найдена в нитиноле , A сплава с памятью формы . Это мартенситная фаза в природе, но не мартенсит , который отвечает за эффект памяти формы и сверхупругого эффект.
В отношении нитинола «мартенсит» обычно относится к моноклинной мартенситной фазе B19 ' , а не к R-фазе. R-фаза конкурирует с мартенситом, часто полностью отсутствует и часто появляется при охлаждении перед мартенситом, а затем уступает место ему при дальнейшем охлаждении. Таким же образом он может наблюдаться при нагревании до превращения в аустенит или может полностью отсутствовать.
Превращение R-фазы в аустенит (AR) обратимо, с очень небольшим гистерезисом (обычно 2-5 градусов C). Он также демонстрирует очень небольшой эффект памяти формы и сверхупругость в очень узком температурном диапазоне. R-фазовое превращение (из аустенита) происходит при температуре от 20 до 40 ° C в большинстве бинарных сплавов нитинола.
История
R-фаза наблюдалась в 1970-х годах, но, как правило, не была правильно идентифицирована до знаменательной статьи Линга и Каплоу 1981 года. [1] Кристаллография и термодинамика R-фазы сейчас хорошо изучены, но она по-прежнему создает много сложностей в разработке устройств. . Согласно заезженной фразе: «Это должна быть R-фаза» всякий раз, когда устройство не работает, как ожидалось.
Кристаллографическая структура и превращения
R-фаза по существу представляет собой ромбоэдрическое искажение кубической аустенитной фазы. На рисунке 1 показана общая структура, хотя есть сдвиги в положении атомов, которые повторяются после каждых трех аустенитных ячеек. Таким образом, фактическая элементарная ячейка фактической структуры R-фазы показана на рисунке 2. [2] R-фаза может быть легко обнаружена с помощью дифракции рентгеновских лучей или нейтронов , что наиболее четко подтверждается расщеплением (1 1 0 ) аустенитный пик.
Хотя превращение R-фазы является преобразованием первого порядка, а R-фаза отличается и отделена от мартенсита и аустенита, за ним следует преобразование второго порядка: постепенное уменьшение ромбоэдрического угла и сопутствующее увеличение деформации преобразования. Путем подавления образования мартенсита и продолжения превращения второго порядка трансформационная деформация может быть увеличена до максимума. Такие меры показали эффект памяти и сверхупругости почти на 1%. [3] Однако в коммерчески доступных сверхупругих сплавах деформация трансформации R-фазы составляет всего 0,25-0,50 процента.
Существует три способа превращения нитинола между аустенитной и мартенситной фазами:
- Прямое превращение без признаков R-фазы во время прямого или обратного превращения (охлаждения или нагревания) происходит в сплавах с высоким содержанием титана и в условиях полного отжига.
- «Симметричное R-фазовое превращение» происходит, когда R-фаза находится между аустенитом и мартенситом как при нагревании, так и при охлаждении (см. Рисунок 3). Здесь два пика наблюдаются при охлаждении и два пика при нагреве, причем пики нагрева намного ближе друг к другу из-за более низкого гистерезиса AR превращения.
- «Асимметричное R-фазовое превращение» - гораздо более распространенный путь трансформации (рис. 4). Здесь R-фаза возникает во время охлаждения, но не при нагревании, из-за большого гистерезиса аустенитно-мартенситного превращения - к тому времени, когда достигается достаточно высокая температура для превращения мартенсита, R-фаза уже не более стабильна, чем аустенит. , и таким образом мартенсит превращается непосредственно в аустенит.
R-фаза может быть вызвана как стрессом, так и термическим воздействием. Скорость напряжения ( постоянная Клаузиуса – Клапейрона ,) очень велико по сравнению с превращением аустенит-мартенсит (для запуска превращения требуются очень большие напряжения).
Рисунок 2: Тригональное представление R-фазы
Практические последствия
В то время как , по существу , гистерезис -бесплатно памяти формы Эффект звучит интересно, штаммы , полученные в результате преобразования аустенита-R слишком малы для большинства применений. Из-за очень малый гистерезис, а также огромной циклической стабильности трансформации AR, некоторые усилия были предприняты для коммерциализации тепловых исполнительных механизмов , основанных на эффекте. [4] Такие приложения имели в лучшем случае ограниченный успех. Для большинства применений нитинола R-фаза вызывает раздражение, и инженеры стараются подавить ее появление. Некоторые из возникающих при этом трудностей заключаются в следующем:
- Когда аустенит превращается в R-фазу, его энергия уменьшается, а его склонность к превращению в мартенсит уменьшается, что приводит к большему гистерезису аустенит-мартенсит. Это, в свою очередь, снижает эффективность привода и сверхупругую способность аккумулировать энергию .
- Кривые напряжение-деформация аустенита часто демонстрируют небольшой изгиб во время нагружения, что затрудняет точное определение пределов упругости и напряжения текучести.
- Хотя деформация 0,25% слишком мала, чтобы ею можно было воспользоваться, ее более чем достаточно, чтобы вызвать релаксацию напряжений во многих приложениях с натягом, таких как муфты труб.
- Когда аустенит превращается в R-фазу, выделяется большое количество тепла, что приводит к появлению четко выраженного пика дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Это затрудняет интерпретацию кривых ДСК, если не соблюдать осторожность: пик R-фазы часто ошибочно принимают за пик мартенсита, и часто допускаются ошибки при определении температур превращения.
- Хотя удельное электрическое сопротивление аустенита и мартенсита одинаково, R-фаза имеет очень высокое сопротивление. Это делает использование электрического сопротивления практически бесполезным при определении температуры превращения нитинола.
R-фаза становится более выраженной за счет добавок железа , кобальта и хрома и подавляется добавками меди , платины и палладия . Холодная обработка и старение также имеют тенденцию преувеличивать присутствие R-фазы.
Рекомендации
- ^ Ling, Hung C .; Рой, Каплоу (1981). "Вызванные напряжением изменения формы и память формы при R- и мартенситных превращениях в эквиатомном NiTi". Металлургические сделки в . 12 (12): 2101–2111. DOI : 10.1007 / BF02644180 . ISSN 0360-2133 . S2CID 136980603 .
- ^ Оцука, Казухиро; Рен, Сяобин (1999). «Последние достижения в исследованиях сплавов с памятью формы». Интерметаллиды . 7 (5): 511–528. DOI : 10.1016 / S0966-9795 (98) 00070-3 . ISSN 0966-9795 .
- ^ Proft, JL; Duerig, TW (1987), "Падение урожайности и мгновенное действие в горячем обработанном сплаве Ni-Ti-Fe", Труды ICOMAT-86 , яп. Inst. Металлов: 742.
- ^ Оката, я; Тамура, H (1997), "R-фазовое превращение в сплаве TiNi с памятью формы и его применение", Mater. Res. Soc. Symp. Proc. , 459 : 345, DOI : 10,1557 / PROC-459-345.