R-fas

R -fasen är en fas som finns i nitinol , en formminneslegering . Det är en martensitisk fas i naturen, men är inte martensiten som är ansvarig för formminnet och superelastisk effekt .

I samband med nitinol avser "martensit" normalt den monokliniska martensitfasen B19' snarare än R-fasen. R-fasen konkurrerar med martensit, är ofta helt frånvarande och uppträder ofta under kylning före martensit, för att sedan ge vika för den vid ytterligare kylning. På samma sätt kan det observeras under uppvärmning före återgång till austenit , eller kan vara helt frånvarande.

R-fasen till austenittransformation (AR) är reversibel, med en mycket liten hysteres (typiskt 2-5 grader C). Den uppvisar också en mycket liten formminneseffekt, och inom ett mycket snävt temperaturområde, superelasticitet. R-fasomvandlingen (från austenit) sker mellan 20 och 40 grader C i de flesta binära nitinollegeringar.

Historia

R-fasen observerades under 1970-talet men identifierades i allmänhet inte korrekt förrän Ling och Kaplows landmärkepapper från 1981. Kristallografin och termodynamiken för R-fasen är nu väl förstått, men det skapar fortfarande många komplexiteter inom enhetsteknik. Enligt en välbehövlig fras, "Det måste vara R-fasen" när en enhet inte fungerar som förväntat.

Kristallografisk struktur och transformation

R-fasen är i huvudsak en romboedrisk distorsion av den kubiska austenitfasen. Figur 1 visar den allmänna strukturen, även om det finns förändringar i atomposition som upprepas efter var tredje austenitiska celler. Sålunda visas den faktiska enhetscellen för den faktiska R-fasstrukturen i figur 2. R-fasen kan lätt detekteras via röntgendiffraktion eller neutrondiffraktion , vilket tydligast framgår av en uppdelning av den (1 1 0) austenitiska toppen .

Medan R-fastransformationen är en första ordningens transformation och R-fasen är distinkt och skild från martensit och austenit, följs den av en andra ordningens transformation: en gradvis krympning av den romboedriska vinkeln och åtföljande ökad transformationspåkänning. Genom att undertrycka martensitbildning och låta den andra ordningens transformation fortsätta kan transformationsstammen maximeras. Sådana åtgärder har visat minneseffekter och superelastiska effekter på nästan 1%. I kommersiellt tillgängliga superelastiska legeringar är emellertid R-fas transformationspåkänning endast 0,25 till 0,50 procent.

Det finns tre sätt som Nitinol kan omvandla mellan austenit- och martensitfaserna:

Direkt omvandling, utan tecken på R-fas under omvandlingen framåt eller bakåt (kylning eller uppvärmning), sker i titanrika legeringar och helt glödgade förhållanden.
Den "symmetriska R-fasomvandlingen" uppstår när R-fasen intervenerar mellan austenit och martensit vid både uppvärmning och kylning (se figur 3). Här observeras två toppar vid kylning och två toppar vid uppvärmning, med uppvärmningstopparna mycket närmare varandra på grund av den lägre hysteresen av AR-transformationen.
Den "asymmetriska R-fastransformationen" är den absolut vanligaste transformationsvägen (Figur 4). Här uppstår R-fasen under kylning, men inte vid uppvärmning, på grund av den stora hysteresen av austenit-martensit-transformationen - när man når en tillräckligt hög temperatur för att återställa martensit är R-fasen inte längre stabilare än austenit och således återgår martensiten direkt till austenit.

R-fasen kan vara stressinducerad såväl som termiskt inducerad. Spänningshastigheten ( Clausius–Clapeyron konstant , ${\displaystyle {\frac {d\sigma }{dT}}})$ är mycket stor jämfört med austenit-martensittransformationen (mycket stora spänningar krävs för att driva transformationen ).

Figur 1: R-fasförvrängningen av den austenitiska B2-strukturen
Figur 2: Den trigonala representationen av R-fasen
Figur 3: Kurvor för fri energi, töjning och kalorimetri som är typiska för den symmetriska Austenit-R-Martensit-transformationen, där R-fasen finns under både kylning och uppvärmning.
Figur 4: Kurvor för fri energi, töjning och kalorimetri som är typiska för den asymmetriska austenit-R-martensit-transformationen, där R-fasen endast återfinns vid kylning.

Praktiska konsekvenser

Medan en i huvudsak hysteresfri formminneseffekt låter spännande, är de stammar som produceras av austenit-R-transformationen för små för de flesta tillämpningar . På grund av den mycket lilla hysteresen och den enorma cykliska stabiliteten hos AR-transformationen har vissa ansträngningar gjorts för att kommersialisera termiska ställdon baserat på effekten. Sådana ansökningar har i bästa fall haft begränsad framgång. För de flesta av Nitinol-applikationer är R-fasen ett irritationsmoment och ingenjörer försöker undertrycka dess utseende. Några av svårigheterna det medför är följande:

När austenit omvandlas till R-fasen minskar dess energi och dess benägenhet att omvandlas till martensit minskar, vilket leder till en större austenit-martensit hysteres. Detta minskar i sin tur ställdonets effektivitet och superelastisk energilagringskapacitet .
Spännings-töjningskurvor för austeniten visar ofta en lätt böjning under belastning, vilket gör elastiska gränser och sträckspänningar svåra att fastställa
Även om en töjning på 0,25 % är för liten för att dra nytta av, är det mer än tillräckligt för att orsaka spänningsavslappning i många interferenspassningsapplikationer som rörkopplingar.
En stor mängd värme avges när austenit omvandlas till R-fasen, och därmed ger det upphov till en väldefinierad differential scanning kalorimetri (DSC) topp. Detta gör DSC-kurvor svåra att tolka om man inte är försiktig: R-fastoppen förväxlas ofta med en martensittopp, och fel görs ofta vid bestämning av transformationstemperaturer.
Även om den elektriska resistiviteten hos austenit och martensit är likartad, har R-fasen ett mycket högt motstånd. Detta gör användningen av elektriskt motstånd nästan värdelös för att bestämma omvandlingstemperaturerna för Nitinol.

R-fasen blir mer uttalad genom tillsatser av järn , kobolt och krom , och dämpas av tillsatser av koppar , platina och palladium . Kallarbete och åldrande tenderar också att överdriva närvaron i R-fasen.