CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3 HỢP KIM NHỚ HÌNH DẠNG
2.3.6 Đặc tính nhớ của hợp kim nhớ hình dạng
2.3.6.1 Khái niệm về pha và cấu trúc tinh thể của hợp kim nhớ hình dạng
Pha austenite: pha ở nhiệt độ cao. Ở pha này, hợp kim có ở cấu trúc tinh thể khối ổn định, dạng lập phương, do đó hợp kim có tính đàn hồi tốt, nghĩa là làm biến dạng nó xong, nó dễ lấy lại hình dáng ban đầu. Cấu trúc tinh thể martensite được mô tả ở Hình 2.
Hình 2.15: Mô tả cấu trúc tinh thể của hợp kim nhớ hình dạng ở pha autenite [13]
Pha martensite: pha ở nhiệt độ thấp. Ở pha này, hợp kim có cấu trúc tinh thể dạng bốn góc,hình thoi hay đơn tà, do đó hợp kim có tính dẻo cao, nghĩa là làm biến dạng nó xong, nó dễ giữ nguyên hình dáng đó. Mỗi một mạng tinh thể martensitie có thể được hình thành với một sự định hướng khác nhau, được gọi là một biến thể. Kết cấu của các biến thể mactensitic có thể tồn tại ở hai dạng:
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 21 - Martensite sinh đôi (Twinned Martensite) có cấu trúc như Hình 2.16a, biến thể được hình hành bởisự kết hợp của đặc tính tự thích ứng của biến thể martensitie.
- Martensite hủy đôi (Detwined Martensite) có cấu trúc như hình 2.16b, biến thể này được hình thành do sự tác động bởi một ứng suất gây biến dạng trực tiếp lên cấu trúc Martensite sinh đôi.
Hình 2.16: Mô tả cấu trúc tinh thể của hợp kim nhớ hình dạng ở pha martensite với cấu trúc biến thể (a) Martensite sinh đôi, (b) Martensite hủy đôi [13]
Biến đổi martensitic: khái niệm dùng để chỉ sự chuyển đổi từ pha này sang pha khác, nguyên nhân của biến đổi này không phải do sự khuếch tán của các nguyên tử mà là do biến dạng trượt mạng tinh thể được mô tả ở hình Hình 2.
Hình 2.17: Mô tả một biến dạng trượt
2.3.6.2 Tổng quan cơ cấu chuyển đổi pha của hợp kim nhớ hình
Nguyên nhân các SMAs có thể “nhớ” được hình dạng của mình được tiến sĩ Frederick E. Wang, một chuyên gia trong ngành vật lý tinh thể, đầu tiên giải đáp bằng cách chỉ ra rằng chính các thay đổi trong cấu trúc ở thang nguyên tử gây ra các tính chất của SMA. Ông nhận thấy rằng đã xảy ra sự chuyển biến pha ở trạng thái rắn đối với các hợp kim này. Hiện tượng chuyển biến pha, sau này được gọi là biến đổi martensite.Hiện tượng này xảy ra như sau:
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 22 - Dưới nhiệt độ chuyển biến, SMAs có cấu trúc matensite. Nhiệt độ chuyển biến này dao động từ khoảng từ -50 đến 166 ° C, tùy thuộc vào cấu tạo của từng loại SMAs. Ở trạng thái martensite, SMAs nói chung và Nitinol nói riêng có thể được uốn, bẻ làm biến dạng thành rất nhiều hình dạng khác nhau.
- Trên nhiệt độ chuyển biến, SMA từ pha martensite (Twinned Martensite) hoặc pha martensite bị tác động làm biến dạng (Detwined Martensite) chuyển sang pha austenite và phục hồi “hình dạng gốc” của mình. Ngược lại, dưới nhiệt độ chuyển biến, SMAs từ pha austenite sang pha martensite. Các chuyển biến này có thể lặp lại hàng triệu lần mà Nitinol vẫn có thể “nhớ” được [7]. Việc hồi phục pha, chuyển đổi từ pha austenite (pha gốc) sang martensite (pha sản phẩm) và ngược lại tạo cơ sở cho các hoạt động mang tính chất đặc trưng cho SMA.
2.3.6.3 Quá trình chuyển đổi pha cụ thể
Cấu trúc tinh thể thay đổi từ pha autenite sang martensite và ngược lại dưới tác động của nhiệt độ hoặc dòng điện gây ra.Quá trình chuyển đổi pha xảy ra trong một phạm vi nhiệt độ nhiệt độ nhất định tùy thuộc vào thành phần của từng loại hợp kim nhớ hình dạng, trong phạm vi đó có bốn nhiệt độ chuyển tiếp pha đặc trưng và gắn liền với quá trình chuyển đổi pha:
- Nhiệt độ bắt đầu hình thành martensitic (TMs): nhiệt độ bắt đầu quá trình chuyển sang pha martensite sinh đôi(Hình 2.18a).
- Nhiệt độ kết thúc martensitic (TMf): nhiệt độ hoàn thành chuyển đổi sang martensite sinh đôi (Hình 2.18a). Tại thời điểm này, việc chuyển đổi được hoàn tất và SMAstồn tại hoàn toàn ở pha martensite đôi.
- Nhiệt độ bắt đầu hình thành austenitic (TAs)nhiệt độ bắt đầu quá trình chuyển sang pha austenite (Hình 2.18b).
- Nhiệt độ kết thúc austenitic (TAf) : nhiệt độ hoàn thành chuyển đổi sang martensite sinh đôi (Hình 2.18b). SMAstồn tại hoàn toàn ở pha austenite.
Trong trường hợp vật liệu SMA không chịu tải:
Dưới tác động của nhiệt độ, quá trình biến đổi pha của SMA biến đổi theo hai hướng:
- Biến đổi pha thuận là quá trình chuyển đổi pha từ austenite sang martensite khi làm vật liệu được làm mát. Kết quả biến đổi hình thành một số biến thể,
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 23 lên đến 25 biến thể cho NiTi. Tuy nhiên việc xảy ra các biến thể như vậy tác động không đáng kể đến sự thay đổi hình dạng tổng quan. Quá trình biến đổi pha thuận được trình bày trong Hình 2.18a.
- Biến đổi pha ngược là quá trình chuyển đổi khi vật liệu được làm nóng từ pha martensite đến nhiệt độ kết thúc austenitic,cấu trúc tinh thể của SMA biến đổi trở về cấu trúc ở pha austenite.Quá trình biến đổi pha thuận được trình bày trong Hình 2.18b.
Hình 2.18: Quá trình biến đổi pha của SMA (a) thuận, (b) nghịch [13]
Trong trường hợp vật liệu chịu một tải trọng cơ học ở pha martensite:
- Ở pha martensite đôi (ở nhiệt độ thấp), dưới ứng suất tải, SMA có thể chuyển sang dạng martensite hủy đôi (detwined martensite) do sự định hướng lại của các biến thể với một số lượng nhất định. Kết quả quá trình hủy đôi cấu trúc tinh thể làm cho vật liệu giữ lại cấu hình biến dạng (biến dạng tạm thời) do tải cơ học tác động lên(Hình 2.19).Các tải đặt lên vật liệu cần phải đủ lớn để bắt đầu quá trình hủy đôi mạng tinh thể martensite (Detwined), ứng suất tối thiểu cần thiết cho tách đôi mạng tinh thể được gọi là ứng suất bắt đầu hình thành hủy đôi (detwinning start stress, ký hiệu là σs). Mức tải đủ lớn sẽ hoàn thành quá trình hủy đôi martensite, tại đó mức tải có ứng suất tương ứng được gọi là ứng suất kết thúc quá trình tách đôi (detwinning finish stress, ký hiệu là σf ).
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 24 Hình 2.19: Sơ đồ hiệu quá trình gây biến dạng cấu trúc martensite khi có tải [13]
- Sau khi giải phóng ứng suất tải, vật liệu vẫn duy trì biến dạng. Tiếp theo, nếu đun nóng SMA đến nhiệt độ trên nhiệt độ TAf sẽ xảy ra một biến đổi pha ngược (từ martensite tách đôi sang austenite) đến khi hoàn thành và phục hồi hình dạng gốc ở pha austenite (Hình 2.20).
Hình 2.20: Đồ thị khi giải phóng ứng suất tải và tiếp tục làm nóng SMAs [13]
- Khi ứng suất tải được giải phóng, làm mát trở SMA lại đến dưới nhiệt độ chuyển tiếp TMf sẽ dẫn đến sự hình thành trở lại của pha martensite sinh đôi mà không xảy
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 25 ra việc thay đổi hình dạng tổng thể bên ngoài của vật liệu, quá trình xảy ra là một biến đổi thuận đã được đề cập (Hình 2. a).
- Ngoài ra, nếu ở giai đoạn austenite, SMA trong tình trạng chịu tải lớn hơn so với ứng suất σs, khi vật liệu được làm làm mát, việc chuyển đổi pha xảy ra sẽ dẫn đến sự biến đổi trực tiếp hình thành pha martensite hủy đôi (kết quả của quá trình gây biến dạng đã xảy ra trước đó). Vật liệu được làm nóng lại sẽ dẫn đến đến phục hồi hình dạng mà trong tình trạng vẫn chịu tải được mô tả ở Hình 2.21. Trong quá trình biến đổi này do ứng suất tải tác động lên cấu trúc tinh thể của vật liệu nên gián tiếp làm thay đổi nhiệt độ chuyển biến pha.Nhiệt độ chuyển biến mới thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của tải đặt lên vật liệu, với giá trị ứng suất của tải càng lớn thì thì nhiệt độ chuyển đổi càng cao. Các nhiệt độ chuyển đổi mới được ký hiệu lần lượt , , và tương ứng với nhiệt độ kết thúc martensitic, bắt đầu martensitic, bắt đầu austenitic và kết thúc austenitic. Trong đó, σ dùng để chỉ áp của tải lực lên vật liệutheo một hướng (đơn trục), còn một ứng suất của tải lên vật liệu với đa trục hoặc vô hướng sẽ được giải thích thêm trong chương 3 của tài liệu [13].
Hình 2.21: Quá trình chuyển đổi pha khi SMA luôn chịu ứng suất tải [13].
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 26
Hiệu ứng nhớ hình dạng:
- Hiệu ứng nhớ hình dạng: là một khái niệm chung thể hiện tổng quan toàn bộ quá trình biến đổi của SMA trong trường hợp vật liệu chịu tảivừa được đề cập.Quá trình này xảy ra trong trường hợp vật liệu chịu một tải cơ học ở nhiệt độ thấp, bị tác động biến dạng, sau đó gỡ bỏ ứng suất tác động vật liệu giữ biến dạng và được phục hồi lại hình dạng gốc bằng cách làm nóng vật liệu.
Hình 2. mô tả tổng quanhiệu ứng nhớ hình dạng.
Hình 2.22: Sơ đồ hiệu ứng nhớ của SMA
Hiệu ứng giả đàn hồi (pseudoelastic):
Ngoài việc nhiệt độ sinh ra chuyển biến pha ở hiệu ứng nhớ, khi không thay đổi nhiệt độ, chuyển đổi pha cũng có thể được tạo ra bằng cách đặt một hệ tải cơ học đủ lớn lên vật liệu SMA trong giai đoạn austenite. Dưới tác động cơ học của tải này, pha martensite hủy đôi được tạo ra từ pha austenite. Nếu nhiệt độ của SMA vẫn giữ trên nhiệt độ TAf và khi giảm ứng suất tải tải xuống thì hình dạng có thể được phục hồi hoàn toàn. Hoạt động đặc trưng này của SMA được gọi là hiệu ứng giả đàn hồi. Một đường tải thể hiện hiệu ứng giả đàn hồi được biểu diễn dưới dạng biểu đồ trong Hình 2.24. Trong đó, các mức độ ứng suất, mà tại đó sự biến đổi martenisite được khởi tạo và hoàn tất được ký hiệu lần lượt là σMs và σMf. Tương tự khi tải cho SMA được hạ xuống, mức độ ứng suất mà tại đó vât liệu bắt đầu và kết thúc biến đổi ngược từ pha austenite được ký hiệu lần lượt là σAs và σAf.
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 27 Hình 2.24:Hiệu ứng giả đàn hồi của SMAs [13]
2.3.6.4 Hiện tượng hao mòn khả năng nhớ
Trong điều kiện hoạt động tốt, không vượt quá nhiệt độ và ứng suất giới hạn, các loại hợp kim nhớ hình dạng có khả năng xảy ra chu kỳ hiệu ứng nhớ (hoàn thành một biến đổi thuận và nghịch) đến vài triệu lần. Sau đó SMA sẽ bị hao mòn đặc tính nhớ, khả năng trở về hình dạng ban đầu bị hạn chế dần lại cho đến khi mất khả năng nhớ. Điều đó là lưu ý cho các thiết kế sử dụng SMA để truyền động.