R-fáze - R-Phase

The R-fáze je fáze nalezen v nitinol, a slitina s tvarovou pamětí. Je to martenzitická fáze v přírodě, ale není the martenzit který je zodpovědný za tvarovou paměť a superelastický efekt.

V souvislosti s nitinolem se „martenzit“ obvykle týká B19 ' monoklinický martenzitová fáze, spíše než R-fáze. Fáze R soutěží s martenzitem, často zcela chybí a často se objevuje během ochlazování před martenzitem, poté mu při dalším ochlazení ustupuje. Stejným způsobem to lze pozorovat během ohřevu před návratem k austenit, nebo může zcela chybět.

Transformace fáze R na austenit (A-R) je reverzibilní s velmi malou hysterezí (obvykle 2–5 stupňů C). Vykazuje také velmi malý tvarový paměťový efekt a ve velmi úzkém teplotním rozsahu superelasticitu. R-fázová transformace (z austenitu) probíhá ve většině binárních slitin nitinolu mezi 20 a 40 stupni C.

Dějiny

Fáze R byla pozorována během sedmdesátých let, ale obecně nebyla správně identifikována, dokud Ling a Kaplow neobjevili mezník z roku 1981.^[1] Krystalografie a termodynamika fáze R jsou nyní dobře pochopeny, ale stále vytváří mnoho složitostí v konstrukci zařízení. Podle dobře známé fráze „Musí to být fáze R“, kdykoli zařízení nefunguje tak, jak se očekávalo.

Krystalografická struktura a transformace

R-fáze je v podstatě a kosodélník zkreslení fáze kubického austenitu. Obrázek 1 ukazuje obecnou strukturu, i když existují posuny v atomové poloze, které se opakují po každých třech austenitických buňkách. Tedy skutečné jednotková buňka skutečné struktury R-fáze je znázorněno na obrázku 2.^[2] R-fázi lze snadno detekovat pomocí rentgenová difrakce nebo neutronová difrakce, nejzřetelněji doloženo štěpením (1 1 0) austenitického píku.

Zatímco transformace fáze R je transformací prvního řádu a fáze R je odlišná a oddělená od martenzitu a austenitu, následuje transformace druhého řádu: postupné zmenšování kosodélníkového úhlu a současná zvýšená transformační deformace. Potlačením tvorby martenzitu a umožněním pokračování transformace druhého řádu lze transformační napětí maximalizovat. Taková opatření ukázala paměť a superelastický účinky téměř 1%.^[3] V komerčně dostupných superelastických slitinách je však transformační kmen R-fáze pouze 0,25 až 0,50 procenta.

Existují tři způsoby, jak se nitinol může transformovat mezi fázemi austenitu a martenzitu:

• Přímá transformace, bez známek fáze R během transformace dopředu nebo dozadu (chlazení nebo ohřev), nastává v titan - bohaté slitiny a plně žíhané podmínky.
• K „symetrické transformaci fáze R“ dochází, když fáze R zasahuje mezi austenitem a martenzitem při zahřívání i chlazení (viz obrázek 3). Zde jsou při chlazení pozorovány dva vrcholy a dva vrcholy při zahřívání, přičemž topné vrcholy jsou mnohem blíže k sobě kvůli nižší hysterezi transformace A-R.
• „Asymetrická transformace ve fázi R“ je zdaleka běžnější transformační cestou (obrázek 4). Zde R-fáze nastává během chlazení, ale ne při zahřívání, kvůli velké hysterezi transformace austenit-martenzit - v době, kdy člověk dosáhne dostatečně vysoké teploty, aby se vrátil martenzit, R-fáze již není stabilnější než austenit , a tak se martenzit vrací přímo k austenitu.

Fáze R může být vyvolána stresem i tepelně. Míra stresu (Clausius – Clapeyronova konstanta, ${ displaystyle { frac {d sigma} {dT}}}$) je ve srovnání s transformací austenit-martenzit velmi velký (k provedení transformace jsou zapotřebí velmi velká napětí).

• 

  Obrázek 1: R-fázové zkreslení austenitické struktury B2

• 

  Obrázek 2: Trigonální znázornění R-fáze

• 

  Obrázek 3: Křivky volné energie, přetvoření a kalorimetrie typické pro symetrickou transformaci austenit-R-martenzit, ve které se R-fáze nachází jak při chlazení, tak při zahřívání.

• 

  Obrázek 4: Křivky volné energie, přetvoření a kalorimetrie typické pro asymetrickou transformaci austenit-R-martenzit, ve které se R-fáze nachází pouze po ochlazení.

Praktické důsledky

Zatímco v podstatě hystereze -volný, uvolnit tvarová paměť Efekt zní vzrušující, kmeny produkované transformací austenit-R jsou pro většinu aplikací příliš malé. Vzhledem k velmi malé hysterezi a obrovské cyklické stabilitě transformace A-R bylo vyvinuto určité úsilí komercializovat termální pohony na základě účinku.^[4] Takové aplikace měly přinejlepším omezený úspěch. Pro většinu aplikací Nitinolu je R fáze nepříjemná a inženýři se snaží potlačit její vzhled. Některé z obtíží, které vyvolává, jsou následující:

• Když se austenit transformuje na fázi R, sníží se jeho energie a sníží se jeho sklon k transformaci na martenzit, což vede k větší hysterezi austenit-martenzit. To zase snižuje aktuátor účinnost a superelastické zásobárna energie kapacita.
• Křivky napětí-deformace austenitu často vykazují mírné skloňování během zatěžování, tvorby meze pružnosti a meze kluzu obtížné určit
• Zatímco 0,25% kmen je příliš malý na to, aby ho bylo možné využít, je více než dost příčinou stresová relaxace v mnoha aplikacích s přesahem, jako jsou spojky potrubí.
• Při transformaci austenitu na fázi R se vydává velké množství tepla, což vede k dobře definované diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) vrchol. Díky tomu je obtížné interpretovat křivky DSC, pokud si nejste opatrní: vrchol fáze R se často mylně považuje za vrchol martenzitu a při určování transformačních teplot se často dělají chyby.
• Zatímco Elektrický odpor austenitu a martenzitu jsou podobné, fáze R má velmi vysokou odolnost. Díky tomu je používání elektrický odpor téměř k ničemu při určování transformačních teplot nitinolu.

Fáze R se stává výraznější přidáním žehlička, kobalt, a chrom, a je potlačen přidáním měď, Platina a palladium. Práce za studena a stárnutí také mají tendenci přehánět přítomnost R-fáze.

Reference